測量環(huán)境參數(shù)的能力可以作為在工廠和工業(yè)應用以及智能建筑，家電和個人產(chǎn)品中建立成熟的健康和安全特征的基礎。然而，為了提供這些功能，有助于滿足法規(guī)要求，開發(fā)人員需要找到有效地合并來自多個傳感器，最大限度地減少空間，功耗和成本效果的一種手段，同時確保最高的準確度，精確度和可靠性。

為了實現(xiàn)這一點，開發(fā)人員現(xiàn)在可以求助于復雜的傳感器融合算法，能夠產(chǎn)生大約空氣質(zhì)量，溫度，濕度，和總體舒適的信息。

本文將展示如何使用Bosch Sensortec的單個設備和軟件，特別是BME680及其相關的支持硬件和軟件，以最小的努力完成此項工作。

駕駛空氣傳感器發(fā)展的法規(guī)

健康和舒適水平與環(huán)境因素密切相關，遠遠超出對基本參數(shù)的簡單測量。舒適溫度的人類感覺不僅取決于溫度，還取決于濕度水平。健康專家將溫度和濕度結(jié)合起來，形成一個“高溫指數(shù)”，高度警示重大健康風險。正如熱指數(shù)所預測的那樣，在特定溫度的環(huán)境中工作的人在濕度升高時可能面臨嚴重的健康風險（圖1）。

圖1：人類受溫度和相對濕度組合的影響，使其同時測量更有用。

人為因素的專家進一步研究，根據(jù)“有效溫度”的一個新的參數(shù)定義了一個主觀的“舒適區(qū)”，將溫度和濕度結(jié)合成一個單一的指標。溫度或濕度的變化會迅速導致典型個體感到不舒服的環(huán)境（圖2）。

圖2：人類認為溫度和相對濕度的變化使得舒適區(qū)狹窄，極端情況下會導致包括中暑在內(nèi)的重大健康風險。

與熱指數(shù)一樣，舒適區(qū)以外的溫度，濕度或兩者的劇烈變化都可能迅速造成不僅令人不舒服的情況。高于溫度依賴的濕度水平，個體甚至可能面臨中暑的危險。工作環(huán)境中的舒適區(qū)的概念是如此重要，以至于其操作參數(shù)在由美國國家標準學會（ANSI）批準的美國加熱，制冷和空調(diào)工程師協(xié)會（ASHRAE）的標準55中規(guī)定。

盡管舒適區(qū)之外的重大短途旅行可能會影響健康，但即使溫度有限的變化也會影響人的表現(xiàn)。在對這個話題進行實驗性研究的調(diào)查中，研究人員發(fā)現(xiàn)，在相對較窄的有效溫度范圍之外，工作性能一直在下降（圖3）。

圖3：研究人員始終發(fā)現(xiàn)，當有效溫度超出相對較窄的范圍時，性能會下降。

同時，溫度和濕度決不是單獨影響健康。揮發(fā)性有機化合物（VOCs）由多種天然和人為來源引起，對空氣質(zhì)量構(gòu)成了特別隱蔽的威脅。由于空氣質(zhì)量對健康至關重要，美國環(huán)境保護署（EPA）等組織將各種空氣質(zhì)量參數(shù)壓縮為單一指標（圖4）?？諝赓|(zhì)量指數(shù)（AQI）通常作為城市和較大地理區(qū)域的健康指標呈現(xiàn)，可直接應用于小氣候，建筑物和其他高占用率地區(qū)。大型建筑物中的高級加熱，通風和空調(diào)（HVAC）系統(tǒng)通常依賴于空氣質(zhì)量的一些度量作為其氣流過程控制設計的一部分。

圖4：環(huán)境和健康組織使用標準的空氣質(zhì)量指數(shù)來警告當?shù)鼐用竦目諝赓|(zhì)量狀況，可能會導致一系列的健康風險。

對于工程師來說，溫度，濕度和揮發(fā)性有機化合物等基本因素之間復雜的相互關系，對于健康和健康傳感系統(tǒng)的設計來說是一個巨大的挑戰(zhàn)。在最基本的層面上，設計師必須準確地測量每個因素。

過去，開發(fā)人員通過將傳感器與定制信號鏈相結(jié)合來處理原始電壓和電流輸出，從而解決了這些類型的傳感問題。智能傳感器的出現(xiàn)極大地簡化了傳感系統(tǒng)的開發(fā)。通過集成傳感器，傳感器信號鏈，模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和控制邏輯，智能傳感器可以向主MCU提供準確的溫度補償數(shù)字傳感器數(shù)據(jù)。開發(fā)人員只需通過集成傳感器通常支持的SPI或I 2 C接口將這些設備連接到MCU 。

盡管如此，對于諸如舒適區(qū)和AQI等派生分析，即使是單個智能傳感器的集合也沒有提供有效的解決方案。而且，多個傳感器的使用導致更大的設計復雜性，更大的BOM和更大的物理足跡。這就降低了開發(fā)人員滿足客戶對更小，更高效設計的需求的能力。

也許更糟的是，使用多個傳感器，甚至是智能傳感器的設計在滿足功能要求方面面臨重大問題。即使與有效溫度一樣重要，派生測量也需要開發(fā)人員同步底層傳感器測量結(jié)果以用于傳感器融合算法。博世Sensortec BME680消除了這些設計限制，使開發(fā)人員能夠使用單個設備和相關聯(lián)的傳感器融合庫，以快速滿足健康和保健應用的需求。

集成智能傳感器

BME680是一款集成式環(huán)境傳感器，將溫度，濕度，壓力和氣體傳感器集成在一起，尺寸僅為3 x 3 x 1 mm，采用8引腳LGA封裝。特別是，該裝置的氣體傳感器支持基于各種氣體測量的空氣質(zhì)量測量。

該器件實現(xiàn)了高線性度和高準確度，而正常工作時功耗僅為微安（μA），睡眠模式下僅為0.16μA。在典型的操作過程中，BME680的溫度測量功耗僅為1.0μA。對于濕度，壓力和溫度的組合測量，器件僅使用3.7μA。對于氣體傳感，傳感器子系統(tǒng)的性質(zhì)導致功耗從0.09毫安（mA）到12毫安（取決于工作模式）。

氣體感測的較高功耗源自兩階段過程。氣體傳感器本身是一種基于金屬氧化物的裝置，當它與各種各樣的VOC或其他環(huán)境污染物接觸時，其電阻會發(fā)生變化。但是，在傳感器運行之前，氣體傳感器子系統(tǒng)中的加熱器將溫度升高到確保準確測量所需的水平。在氣體傳感器子系統(tǒng)內(nèi)，加熱器控制模塊使用控制回路來控制集成數(shù)字 - 模擬轉(zhuǎn)換器（DAC）的輸出。反過來，DAC輸出用于調(diào)整注入電阻加熱器元件的電流量以提高溫度。

BME680為開發(fā)人員提供了幾種控制氣體感應功耗的方法。使用三種不同的操作模式，開發(fā)者可以交換功耗的更新速率。對于需要最大更新速率的應用，氣體傳感器可以以每秒更新一次的連續(xù)模式運行，耗電量為12 mA。

對于更新要求較低的應用程序，開發(fā)人員可以選擇兩種不同的模式。在低功耗模式下，氣體傳感器每3秒更新一次讀數(shù)，在此過程中消耗0.9 mA。對于功率限制大于更新速率的應用，開發(fā)人員可以在超低功耗模式下操作氣體傳感器，該模式僅消耗0.09 mA，但每300秒更新一次。

這兩種模式除了在更新速率和功耗上的差異之外，在氣體傳感器的響應時間上差別很大。在低功耗模式下，氣體傳感器子系統(tǒng)的典型響應時間為1.4 s。超低功耗模式會導致響應時間明顯變慢，通常為92 s。

開發(fā)人員還可以通過控制加熱過程對功耗進行一定程度的控制。通常，為了達到所需的溫度水平，在氣體傳感器測量之前，該裝置需要約30ms的加熱時間。開發(fā)人員可以通過編程加熱持續(xù)時間在1毫秒到4032毫秒范圍內(nèi)來控制加熱持續(xù)時間并影響功耗。

感測序列

為了避免不必要的功耗，BME680在睡眠模式下啟動，等待測量命令。在大多數(shù)情況下，開發(fā)人員以強制模式操作設備，使設備依次自動采樣每個傳感器（圖5）。

圖5：在強制模式運行狀態(tài)下，Bosch Sensortec BME680在采樣之前，先加熱氣體傳感器，然后對其溫度，壓力和濕度傳感器進行采樣。

在強制模式下，在進行氣體傳感器測量之前所需的加熱之前，設備將完成溫度，壓力和濕度傳感器的測量。在加熱階段期間，加熱元件通常達到200℃和400℃之間的目標溫度，并且維持該程序的加熱持續(xù)時間的溫度。通過僅在初始傳感器測量之后執(zhí)行該加熱階段，該裝置避免了加熱元件對那些傳感器測量的任何直接影響。最后，當加熱階段達到指定的時間后，器件的ADC產(chǎn)生氣體傳感器電阻值。

BME680信號鏈為開發(fā)人員提供了優(yōu)化某些測量的方法。為了減少測量RMS噪聲，開發(fā)人員可以對器件進行編程，以對其溫度，濕度和壓力傳感器進行過采樣。還可以選擇啟用集成式無限脈沖響應（IIR）濾波器，以減少瞬態(tài)事件對溫度和壓力傳感器測量的影響。盡管內(nèi)部IIR濾波器可以降低這些測量的帶寬，但它將分辨率從16位提高到20位。請注意，由于他們的測量方法，這種類型的過濾不是濕度和氣體傳感器所必需的。

除了配置傳感器的測量過程之外，設計人員可以單獨啟用或禁用個別溫度，濕度和壓力傳感器的測量。但是，Bosch Sensortec建議開發(fā)人員始終啟用溫度測量，因為相關的軟件包使用溫度數(shù)據(jù)來校正其他傳感器測量值。

盡管過采樣和濾波可以降低噪聲并提高分辨率，但BME680的最終輸出最終將采用由器件內(nèi)部ADC產(chǎn)生的未經(jīng)補償?shù)膫鞲衅髦档男问?。開發(fā)人員需要應用存儲在設備中的校準參數(shù)來產(chǎn)生準確的結(jié)果。幸運的是，設備驅(qū)動程序包含處理該任務的應用程序編程接口（API）。

用BME680設計和開發(fā)

為了幫助啟動設計，Bosch Sensortec提供了一個完整的驅(qū)動程序和API，簡化了使用BME680進行設計的軟件開發(fā)。對于數(shù)據(jù)補償?shù)然静僮?，開發(fā)人員只需要為每個傳感器調(diào)用不同的API函數(shù)。例如，calc_gas_resistance函數(shù)的調(diào)用參數(shù)包括氣體傳感器ADC輸出和BME60數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（清單1），用于訪問存儲在設備中的校準數(shù)據(jù)。

struct bme680_dev {

/*！ Chip Id */

uint8_t chip_id;

/*！ Device Id */

uint8_t dev_idDK;

/*！ SPI/I2C interface */

enum bme680_intf intf;

/*！ Memory page used */

uint8_t mem_page;

/*！ Ambient temperature in Degree C*/

int8_t amb_temp;

/*！ Sensor calibration data */

struct bme680_calib_data calib;

/*！ Sensor settings */

struct bme680_tph_sett tph_sett;

/*！ Gas Sensor settings */

struct bme680_gas_sett gas_sett;

/*！ Sensor power modes */

uint8_t power_mode;

/*！ New sensor fields */

uint8_t new_fields;

/*！ Store the info messages */

uint8_t info_msg;

/*！ Burst read structure */

bme680_com_fptr_t read;

/*！ Burst write structure */

bme680_com_fptr_t write;

/*！ Delay in ms */

bme680_delay_fptr_t delay_ms;

/*！ Communication function result */

int8_t com_rslt;

};

清單1：Bosch Sensortec開源BME680驅(qū)動程序提供了與BME680交互的所有基本軟件支持，并說明了包含關鍵配置值的關鍵軟件結(jié)構(gòu)。（代碼來源：Bosch Sensortec）

根據(jù)設備中存儲的參數(shù)，該功能返回修正后的氣體傳感器結(jié)果（清單2）。

static uint32_t calc_gas_resistance（uint16_t gas_res_adc， uint8_t gas_range， const struct bme680_dev *dev）

{

int64_t var1;

uint64_t var2;

int64_t var3;

uint32_t calc_gas_res;

var1 = （int64_t） （（1340 + （5 * （int64_t） dev-》calib.range_sw_err）） *

（（int64_t） lookupTable1［gas_range］）） 》》 16;

var2 = （（（int64_t） （（int64_t） gas_res_adc 《《 15） - （int64_t） （16777216）） + var1）;

var3 = （（（int64_t） lookupTable2［gas_range］ * （int64_t） var1） 》》 9）;

calc_gas_res = （uint32_t） （（var3 + （（int64_t） var2 》》 1）） / （int64_t） var2）;

return calc_gas_res;

}

清單2：BME680驅(qū)動程序包含傳感器特定的例程，例如此功能，該功能可使用存儲在設備內(nèi)的傳感器校準數(shù)據(jù)將原始氣體傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為校準讀數(shù)。（代碼來源：Bosch Sensortec）

然而，如前所述，從原始溫度，濕度和氣體傳感器數(shù)據(jù)算法得出更有用的量，如有效溫度，舒適度和空氣質(zhì)量。例如，空氣質(zhì)量不僅取決于來自氣體傳感器的VOC讀數(shù)，還取決于有效溫度，取決于這些傳感器的溫度和濕度結(jié)果。除了這個算法復雜性之外，傳感器的自然漂移要求定期使用校準方法來保持精確的結(jié)果。在博世軟件環(huán)境集群（黑海經(jīng)濟合作組織）軟件包解決這些問題，使開發(fā)人員能夠輕松地生成健康和保健應用程序所需的復雜信息。

基于開源BME680驅(qū)動程序集，BSEC是一個封閉的二進制包，實現(xiàn)了傳感器融合所需的算法。例如，使用BME680傳感器讀數(shù)，BSEC算法會生成一個反映圖4所示標準空氣質(zhì)量指標的室內(nèi)空氣質(zhì)量指標。

博世傳感器提供了黑海經(jīng)濟合作組織作為主要的指令集架構(gòu)，包括ARM二進制分發(fā)?的Cortex ? -M，Espressif系統(tǒng)ESP8266和瑞薩 RL78 MCU的。BESC發(fā)行版還包括用于BESC API的C語言頭文件以及說明BSEC傳感器融合API使用的示例軟件。例如，示例主程序（清單3）演示了一個完整的傳感器程序，僅使用兩個函數(shù)來初始化設備并定期對BME680傳感器進行采樣。

int main（）

{

/* Call to the function which initializes the BSEC library

* Switch on low-power mode and provide no temperature offset */

bsec_iot_init（BSEC_SAMPLE_RATE_LP， 0.0f， bus_write， bus_read， sleep）;

/* Call to endless loop function which reads and processes data based on sensor settings */

bsec_iot_loop（sleep， get_timestamp_us， output_ready）;

return 0;

}

清單3：博世軟件環(huán)境集群（BSEC）軟件分發(fā)包括示例軟件，例如說明設備初始化和傳感器采樣的主程序。（代碼來源：Bosch Sensortec）

開發(fā)人員使用該bsec_iot_init函數(shù)來指定采樣率，溫度偏移以及樣本之間的睡眠時間。兩個額外的參數(shù)，bus_write， bus_read允許開發(fā)人員交換不同的總線訪問方法來讀取和寫入BME680寄存器。

作為系統(tǒng)配置的一部分，開發(fā)人員可以指定自己的軟件例程來進行總線寫入和讀取。例如，他們可以使用Arduino Wire庫進行總線I / O（清單4），在Arduino平臺上輕松運行驅(qū)動程序或BESC包。驅(qū)動程序和BESC每個都使用包含指向這些自定義I / O例程的指針的設備結(jié)構(gòu)。在程序執(zhí)行期間，工作代碼使用設備結(jié)構(gòu)中的指針引用的軟件I / O例程執(zhí)行總線操作。

#include 《Wire.h》

int8_t bus_write（uint8_t dev_addr， uint8_t reg_addr， uint8_t *reg_data_ptr， uint8_t data_len）

{

Wire.beginTransmission（dev_addr）;

Wire.write（reg_addr）; /* Set register address to start writing to */

/* Write the data */

for （int index = 0; index 《 data_len; index++） {

Wire.write（reg_data_ptr［index］）;

}

return （int8_t）Wire.endTransmission（）;

}

清單4：使用Bosch Sensortec BME680驅(qū)動程序和BESC軟件包，開發(fā)人員可以使用其特定于平臺的總線I / O軟件例程，例如此總線寫入例程，該例程使用Arduino Wire庫在Arduino兼容的硬件平臺上操作。（代碼來源：Bosch Sensortec）

對于開發(fā)平臺本身，用戶可以利用兼容Arduino的評估板以及Bosch Sensortec提供的板卡。該公司的BME680穿梭板簡單地提出了BME680器件的V DD模擬電源，地，V DDIO數(shù)字電源，地和串行接口（片選，串行數(shù)據(jù)輸入，串行數(shù)據(jù)輸出，串行時鐘輸入）。開發(fā)人員可以在自己定制的基于MCU的設計中使用穿梭板，或者將穿梭板插入Bosch Sensortec自己的應用板。

對于Arduino開發(fā)人員，MikroElektronika MIKROE-2467 MikroBUS點擊板為連接兼容的開發(fā)板提供了一個簡單的選擇。隨著BME680，點擊板添加一個USB接口和電源穩(wěn)壓器。開發(fā)人員可以單獨使用點擊板，或者將其插入MikroElektronika MIKROE-2340開發(fā)板（如圖6）等MikroBUS兼容硬件。

圖6：通過將MikroElektronika MIKROE-2467 MikroBUS點擊板插入MikroElektronika MIKROE-2340開發(fā)板，開發(fā)人員可以快速開始開發(fā)基于BME680的應用程序，該開發(fā)板在板的一側(cè)提供MikroBUS連接器，在另一側(cè)提供Arduino連接器。（圖片來源：MikroElektronika）

該電路板包含Microchip Technology 32位PIC32MZ2048EFH100 MCU，該器件將高性能MIPS32 M級處理器內(nèi)核，浮點單元，2 MB閃存，512 KB SRAM，豐富的模擬外設和標準數(shù)字接口。除了標準連接器外，MIKROE-2340板還帶有開發(fā)端口，并提供用于簡單用戶通知的LED指示燈。

該電路板的獨特功能是支持MikroBus和Arduino連接器，可在該雙面電路板的任一側(cè)使用。對于軟件設計，該開發(fā)板支持chipKIT，一個兼容Arduino的開源嵌入式開發(fā)環(huán)境。使用熟悉的Arduino環(huán)境，設計人員可以利用廣泛的Arduino生態(tài)系統(tǒng)快速實施環(huán)境感測系統(tǒng)。

結(jié)論

Bosch Sensortec BME680與博世軟件環(huán)境集群和驅(qū)動程序結(jié)合使用，大大降低了環(huán)境傳感的硬件和軟件設計的復雜性，成本和占地面積。

這種組合提供了對空氣質(zhì)量，有效溫度和舒適度的數(shù)值評估，使開發(fā)人員能夠創(chuàng)建更復雜的設計，以滿足工業(yè)，城市和家庭應用中與健康有關的健康和安全要求。