用Arduino庫來讀取DHT11濕度和溫度傳感器數(shù)據(jù)

描述

介紹

在這個項目中，我開發(fā)了一個 Arduino 庫來讀取 DHT11 濕度和溫度傳感器生成的數(shù)據(jù)，并使用 AZDelivery ESP8266 ESP-12F NodeMCU Lua Amica V2 將其連續(xù)發(fā)送到 ThingSpeak 云服務(wù)。

有許多庫可以用來讀取 DHT11 傳感器數(shù)據(jù)。那么，為什么要重新發(fā)明輪子呢？只是為了了解事物的運作方式并可能改進它們的樂趣。

我使用邏輯分析儀和 DHT11 傳感器數(shù)據(jù)表來了解協(xié)議并為傳感器開發(fā)自己的庫。DHT11 溫度和濕度傳感器

DHT11 溫度和濕度傳感器具有溫度和濕度傳感器復(fù)合體，具有校準的數(shù)字信號輸出。采用獨有的數(shù)字信號采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保高可靠性和出色的長期穩(wěn)定性。該傳感器包括一個電阻式濕度測量元件和一個NTC溫度測量元件，并連接到一個高性能8位微控制器，具有卓越的品質(zhì)、快速的響應(yīng)、抗干擾能力和成本效益。

PINOUT 和 MCU 連接

MCU 到 DHT11 連接

使用的分線模塊已經(jīng)有一個 10 KOhm 的上拉電阻。

DHT11 數(shù)據(jù)引腳連接到 D1 (GPIO5)

GPIO 0-15 都有一個內(nèi)置的上拉電阻器，如果直接使用 DHT11 而不是分線器，我們可以使用它。

有關(guān)如何在我的NodeMCU Amica V2 路試中設(shè)置此模塊的更多信息

AZ Delivery NodeMCU V2 路試，作者：Enrique Albertos。

https://www.hackster.io/javagoza/nodemcu-amica-v2-road-test-2e8bff

MCU 到 DHT11 通信

DHT11 單總線數(shù)據(jù)格式

單總線數(shù)據(jù)格式用于 MCU 和 DHT11 傳感器之間的通信和同步。一個通信過程大約是4ms。數(shù)據(jù)由小數(shù)部分和整數(shù)部分組成。一次完整的數(shù)據(jù)傳輸為 40 位，傳感器先發(fā)送高位數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)格式：

8 bit integral RH data + 8 bit decimal RH data + 8 bit integral T data + 8 bit decimal T data + 8 bit checksum.

如果數(shù)據(jù)傳輸正確，校驗和應(yīng)該是：

8 bit integral RH data + 8 bit decimal RH data + 8 bit integral T data + 8 bit decimal T data

PulseView 和邏輯分析儀

PulseView 是 libsigrok 和 libsigrok 解碼庫的圖形前端，允許訪問各種設(shè)備和協(xié)議解碼器，讓您記錄、分析、處理和導(dǎo)出模擬和邏輯數(shù)據(jù)。

https://sigrok.org/

邏輯分析儀

我們正在使用 AZ-Delivery 的這款廉價邏輯分析儀來監(jiān)視 MCU 和 AZ Delivery NodeMCU 8266 Amica 模塊之間的通信。

邏輯分析儀有 8 個并行輸入 (0-5 V)，每秒最多允許 2400 萬個測量步驟。對于數(shù)字信號，采樣速度必須比帶寬快 4 倍。這意味著帶寬是采樣率的四分之一。

• 最大數(shù)字采樣率：24 MSPS
• 最大數(shù)字帶寬：6 MHz

這足以監(jiān)視這種簡單的通信所需的 200 Khz。

脈沖視圖

安裝后，您會在開始菜單中找到一個名為 Zadig 的程序。默認情況下，Windows 識別的某些設(shè)備將安裝 PulseView 無法使用的驅(qū)動程序。Zadig 的目的是讓您更改 Windows 用于特定設(shè)備的驅(qū)動程序 - 對于大多數(shù)設(shè)備，您需要選擇 WinUSB 以將它們與 PulseView 或原始專有 Windows 驅(qū)動程序一起使用以將其與您訪問設(shè)備的任何其他軟件一起使用和。

新會話

• 打開一個新會話
• 選擇您要使用的設(shè)備：
• 點擊“運行”獲取信號數(shù)據(jù)（設(shè)置了則等待觸發(fā)）

放大直到看到信號，MCU 和 DHT11 之間的通信大約需要 135 毫秒。

這是向傳感器請求數(shù)據(jù)時的位流。

DHT11單線通訊協(xié)議解碼器

Pulseview 帶有一個 DHT11 協(xié)議解碼器。讓我們使用它。

添加解碼器并將其關(guān)聯(lián)到串行數(shù)據(jù)線。D1 在我們的例子中。

該解碼器處理傲松 AM230x/DHTxx/RHTxx 系列數(shù)字濕度和溫度傳感器使用的專有單線通信協(xié)議。

采樣率：建議使用至少200 kHz的采樣率來正確檢測協(xié)議的所有元素。

選項：

AM230x 和 DHTxx/RHTxx 數(shù)字濕度和溫度傳感器使用相同的單線協(xié)議，測量值的編碼不同。因此，必須使用選項“設(shè)備”來正確解碼各個傳感器的通信。“ dht11 設(shè)備類型”用于我們的目的。

縮放以查看解碼數(shù)據(jù)

相對濕度 ％

8 位積分 RH 數(shù)據(jù) + 8 位十進制 RH 數(shù)據(jù)

溫度

8位整數(shù)T數(shù)據(jù)+8位十進制T數(shù)據(jù)

校驗和

8 位積分 RH 數(shù)據(jù) + 8 位十進制 RH 數(shù)據(jù) + 8 位積分 T 數(shù)據(jù) + 8 位十進制 T 數(shù)據(jù)

使用 ESP8266 內(nèi)核為 Arduino 讀取傳感器數(shù)據(jù)

我們有幾種方法來讀取數(shù)據(jù)并處理 DHT11 使用的專有單線通信協(xié)議：

• 盲循環(huán)：等待固定的時間，并假設(shè) I/O 將在該固定延遲過去之前完成。此方法不適合我們讀取傳感器數(shù)據(jù)，因為 0s 和 1s 時序不同，您可能會失去同步，但我們將使用它來啟動信號到 DHT，因為這是使 DHT11 從低電平變化的盲信號-power-consumption mode 到 running-mode。
• 忙等待同步或輪詢。檢查完成狀態(tài)的 I/O 狀態(tài)的軟件循環(huán)。這可能是我們讀取 DHT11 發(fā)送數(shù)據(jù)的第一個候選者，因為系統(tǒng)非常簡單，實時響應(yīng)并不重要。
• 中斷。使用硬件導(dǎo)致特殊的軟件執(zhí)行。當(dāng)輸入設(shè)備有新數(shù)據(jù)時，硬件將請求并中斷。軟件中斷服務(wù)將從輸入設(shè)備中讀取并保存在全局 RAM 中。為了簡單起見，我們不會使用這種方法。

開始信號 - 盲循環(huán)

Data Single-bus free 狀態(tài)為高電平。當(dāng) MCU 和 DHT11 開始通信時，MCU 程序會將 Data Single-bus 電壓電平從高電平設(shè)置為低電平，這個過程必須至少需要 18 ms 才能確保 DHT 檢測到 MCU 的信號，然后 MCU 會拉高電壓并等待 20 -40 我們 DHT 的回應(yīng)。

/**
   MCU Sends Start Signal to DHT as this is a blind cycle that makes DHT11
   to change from the low-power-consumption mode to the running-mode

   Consists of a pulse of at least 18 ms voltage-length
   @params void
   @return true if there no problem
*/
boolean DHT11::sendStartSignal(void) {
  digitalWrite(pin, LOW); // MCU Send start signal
  pinMode(pin, OUTPUT);
  delay(timeLengthWakeupSignal_ms); // at least 18 ms
  // MCU Pulls up voltage
  pinMode(pin, INPUT);
  digitalWrite(pin, HIGH); // Switch to receive data
  return true;
}

本項目使用的 DHT11 模塊有一個 10K 的上拉電阻，所以我們不設(shè)置 INPUT_PULLUP。

DHT一旦檢測到啟動信號，就會發(fā)出一個低電平響應(yīng)信號，持續(xù)80us。然后DHT程序?qū)ata Single-bus電壓電平由低到高并保持80us，為DHT發(fā)送數(shù)據(jù)做準備。

忙等待同步

然后我們將使用忙等待同步來檢測以下脈沖沿，從 RAISING 到 FALLIN 以及從 FALLING 到 RAISING

/**
   Waits until digital port changes to final state or timeout occurs

   @param pin to check
   @param state to wait for
   @param maximum time to wait
   @return the elapsed time to reach the final state if less than timeout
   or the elapsed time that forced the timeout

*/
int DHT11::busyWait(const int pin, const int finalState, const int timeout) {
  int elapsedTime = 0;
  int startTime = micros();
  while ( digitalRead(pin) != finalState && elapsedTime < timeout ) {
    elapsedTime = micros() - startTime;
  }
  return elapsedTime;
}

忙于等待啟動信號響應(yīng)

首先等待啟動信號響應(yīng)

DHT一旦檢測到啟動信號，就會發(fā)出一個低電平響應(yīng)信號，持續(xù)80us。所以我們將等待 DHT11 準備好。

/**
   Once DHT detects the start signal, it will send out a low-voltage-level
   response signal, which lasts 80us. So we will wait for the DHT11 to be ready.

   @param void
   @return true if there no problem
*/
boolean DHT11::waitForStartSignalResponse(void) {
  return busyWait(pin, LOW, timeoutForStartData_us) < timeoutForStartData_us;
}

忙于等待起始位

然后等待起始位

/**
   DHT sends out response signal and keeps it for 80 us
   then DHT pulls up voltage and keeps it for 80 us
   
   @param void
   @return true if there no problem
*/
boolean DHT11::waitForStartBit(void) {
  if ( busyWait(pin, HIGH, timeoutForResponseSignal_us) < timeoutForResponseSignal_us) { // DHT sends oit response signal and keeps it for 80 us
    return (busyWait(pin, LOW, timeoutForStartData_us) < timeoutForStartData_us); // then DHT pulls up voltage and keeps it for 80 us
  }
  return false;
}

忙等待讀取 40 位數(shù)據(jù)

最后讀取 40 位數(shù)據(jù)

/*
   Read the 40 bits in a Dht11 data record

   @param pointer to the record to be actualized
   @return true if there no problem
*/
boolean DHT11::readDht11DataRecord(DHT11::Dht11_data_type * dataRead)
{
  uint8_t integralRh = readByte(pin, timeoutForStartToTransmitData_us, timeoutForData_us, zeroLength_us);
  
  uint8_t decimalRh = readByte(pin, timeoutForStartToTransmitData_us, timeoutForData_us, zeroLength_us);
  
  uint8_t integralTemp = readByte(pin, timeoutForStartToTransmitData_us, timeoutForData_us, zeroLength_us);
  
  uint8_t decimalTemp = readByte(pin, timeoutForStartToTransmitData_us, timeoutForData_us, zeroLength_us);
  
  uint8_t checksum = readByte(pin, timeoutForStartToTransmitData_us, timeoutForData_us, zeroLength_us);
  
  // Verify checksum: integral RH + decimal RH + integral Temp data + decimal Temp data
  if ( (integralRh + decimalRh + integralTemp + decimalTemp ) != checksum ) {
    dataRead->error = ERROR_CHECKSUM;
    dataRead->status =  statusString[ERROR_CHECKSUM];
    return false;
  }
  
  dataRead->error = ERROR_NONE;
  dataRead->status =  statusString[ERROR_NONE];
  dataRead->temperature = (float)integralTemp +  (float)decimalTemp / 10.0;
  dataRead->humidity = (float)integralRh +  (float)decimalRh / 10.0;
  return true;
}

讀取一個字節(jié)

如果檢測到“1”位，則字節(jié)初始化為 b0000 0000，位位置使用 BIT_MASK 切換

const uint8_t BIT_MASK[] = {0x01, 0x02, 0x04, 0x08, 0x10, 0x20, 0x40, 0x80};

/*
   Read 8 bits in a byte from the line

   @param pointer to the record to be actualized
   @param int pin,
   @param int timeout For Start To Transmit Data in us
   @param int timeout For Data in us,
   @param int bit Zero Length in us
   @return the read byte if any or FF if there is any problem reading
*/
uint8_t DHT11::readByte(const int pin,
                        const int timeoutForStartToTransmitData_us,
                        const int timeoutForData_us,
                        const int bitZeroLength_us) {
  uint8_t data = 0;
  for (int i = 7; i >= 0; i--) {
    if (busyWait(pin, HIGH, timeoutForStartToTransmitData_us) < timeoutForStartToTransmitData_us) { // wait for RAISING
      int bitLength = busyWait(pin, LOW, timeoutForData_us) ; // wait for FALLING
      if (bitLength > timeoutForData_us) {
        return 0xFF;
      }
      if (bitLength > bitZeroLength_us) { // 1 bit value, toggle bit
        data |= BIT_MASK[i];
      }
    }
  }
  return data;
}

檢查解決方案

• 創(chuàng)建 DHT11 對象
• 通話設(shè)置
• 需要新講座時調(diào)用 readSensor。注意：間隔采樣周期應(yīng)不少于 1 秒。

#include "DHT11.h"

DHT11 dht11; // DHT11 sensor

void setup()
{
  Serial.begin(115200); // for debugging
  Serial.println();
  Serial.println("Status\tHumidity (%)\tTemperature (C)");

  // Initialize DHT11 sensor
  dht11.setup(D1);   // sensor in D1
}


void loop()
{
  DHT11::Dht11_data_type sensorData = dht11.readSensor();
  logData(&sensorData);
  // NOTE: Sampling periods at intervals should be no less than 1 second
  delay(2000); // Wait 2000 milliseconds for the next reading
} 

/*
 * Logs sensor data to serial log
 * 
 * @params void
 * @retun void
 */
void logData(DHT11::Dht11_data_type *sensorData){
  Serial.print(sensorData->status);/* status of communication */
  Serial.print("\t");
  Serial.print(sensorData->humidity, 0);
  Serial.print("\t\t");
  Serial.println(sensorData->temperature, 2);
}

通過串口記錄數(shù)據(jù)。

向 ThinkSpeak 發(fā)送數(shù)據(jù)

首先注冊：

https://thingspeak.com/

使用兩個字段創(chuàng)建通道：

• 濕度
• 溫度

在文件 secrets.h 中填寫您的秘密數(shù)據(jù)

// Use this file to store all of the private credentials 
// and connection details

#define SECRET_SSID "MySSID"    // replace MySSID with your WiFi network name
#define SECRET_PASS "MyPassword"  // replace MyPassword with your WiFi password

#define SECRET_CH_ID 0000000      // replace 0000000 with your channel number
#define SECRET_WRITE_APIKEY "XYZ"   // replace XYZ with your channel write API Key

最終代碼

主要代碼：

void setup()
{
  Serial.begin(115200); // for debugging
  // Begin ThinkSpeak connection
  WiFi.mode(WIFI_STA);
  ThingSpeak.begin(client);  // Initialize ThingSpeak

  Serial.println();
  Serial.println("Status\tHumidity (%)\tTemperature (C)");

  // Initialize DHT11 sensor
  dht11.setup(D1);   // sensor in D1
}

void loop()
{
  checkWifiConnection();
  DHT11::Dht11_data_type sensorData = dht11.readSensor();
  logData(&sensorData);
  if (DHT11::ERROR_NONE == sensorData.error) {
     sendDataToThingSpeak(&sensorData);
  }
  delay(120000); // Wait 120 seconds to update the channel again
}

檢查WIFI連接

/*
 * Check if wifi is connected
 * if not reconnect
 * 
 * @params void
 * @retun void
 */
void checkWifiConnection(void) {
  // Connect or reconnect to WiFi
  if (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
    Serial.print("Attempting to connect to SSID: ");
    Serial.println(SECRET_SSID);
    while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
      WiFi.begin(ssid, pass);  // Connect to WPA/WPA2 network.
      Serial.print(".");
      int counter = 0;
      // wait for connection established
      while ((WiFi.status() != WL_CONNECTED ) && (counter < 10)) {
        delay(1000);
        counter++;
      }
    }
    Serial.println("\nConnected.");
  }
}

向 ThingSpeak 發(fā)送數(shù)據(jù)：

/*
 * Sends sensor data to Thing speak
 * 
 * @params sensor data record reference
 * @retun void
 */
void sendDataToThingSpeak(DHT11::Dht11_data_type *sensorData) {
  // Write to ThingSpeak. There are up to 8 fields in a channel, allowing you to store up to 8 different
  // pieces of information in a channel.  Here, we write to field 1.
  ThingSpeak.setField(1, sensorData->temperature);
  ThingSpeak.setField(2, sensorData->humidity);
  int x = ThingSpeak.writeFields(myChannelNumber, myWriteAPIKey);
  if (x == 200) {
    Serial.println("Temp Channel update successful.");
  }
  else {
    Serial.println("Problem updating temp channel. HTTP error code " + String(x));
  }
}

日志記錄

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