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使用 ESP-IDF 的 XIAO ESP32-C3 iBeacon 与 BME680 传感器

在本教程中，我们将构建一个低功耗温度监测系统，使用蓝牙低功耗（BLE）以 iBeacon 格式广播环境数据。我们将使用 Seeed Studio XIAO ESP32-C3、XIAO 扩展板和 Grove BME680 环境传感器。本项目演示了如何使用 ESP-IDF（Espressif 官方开发框架）构建强大的嵌入式应用程序。

概述​

我们的系统将：

  1. 从 BME680 传感器读取温度、湿度和压力数据
  2. 将这些数据打包到 BLE 广播数据包中
  3. 定期唤醒、进行测量、广播数据，然后返回睡眠状态以节省电池电量

系统流程图​

此流程图说明了我们系统的主要操作周期，从唤醒到返回深度睡眠。

硬件要求​

Seeed Studio XIAO ESP32C3Seeed Studio Grove Base for XIAOGrove BME680 环境传感器
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  • USB Type-C 数据线
  • 安装了 ESP-IDF 的计算机

软件要求​

步骤 1：硬件设置​

  1. 将 BME680 传感器连接到 XIAO 扩展板：

    • 将 Grove BME680 传感器连接到 XIAO 扩展板上的其中一个 I2C 端口。
    • 传感器通过 I2C 通信，因此任何兼容 I2C 的 Grove 端口都可以使用。

  2. 将 XIAO ESP32-C3 安装到扩展板上：

    • 小心对齐并将 XIAO ESP32-C3 模块插入扩展板。
    • 确保引脚正确对齐，模块牢固就位。

  3. 连接到计算机：

    • 使用 USB Type-C 数据线将 XIAO 扩展板连接到计算机。

步骤 2：设置开发环境​

  1. 安装 ESP-IDF： 按照适用于您操作系统的官方安装说明进行操作。

    对于 Linux，您可以使用：

    mkdir -p ~/esp
    cd ~/esp
    git clone --recursive https://github.com/espressif/esp-idf.git
    cd esp-idf
    ./install.sh
    . ./export.sh

  2. 克隆项目仓库：

    cd ~/Desktop
    git clone --recurse-submodules https://github.com/Priyanshu0901/xiao_ibeacon.git
    cd xiao_ibeacon
    caution

    --recurse-submodules 标志至关重要，因为项目依赖于作为 Git 子模块包含的外部库。没有这个标志，编译将失败。

    如果您已经在没有子模块的情况下克隆了仓库，请运行：

    git submodule update --init --recursive

步骤 3：项目结构和理解组件​

该项目由三个主要组件组成：

  1. BME680 传感器组件 (sensor_t_a_h)：

    • 处理与 BME680 传感器的通信
    • 管理传感器初始化、读取和数据处理
    • 提供温度、湿度和压力数据

  2. BLE 信标组件 (ble_beacon)：

    • 配置 BLE 协议栈
    • 创建并广播包含传感器数据的 BLE 广告
    • 管理 BLE 初始化和清理

  3. 电源管理组件 (power_manager)：

    • 处理深度睡眠功能
    • 管理节能操作
    • 控制唤醒源和睡眠持续时间

组件交互​

此图显示了不同软件组件如何与系统的硬件元素交互。

步骤 4：理解配置​

在构建之前，让我们了解关键配置：

  1. 主应用程序设置（在 main.c 中）：

    • ADV_TIME_MS：BLE 广告持续时间（500ms）
    • POLL_INTERVAL_MS：轮询传感器的频率（150ms）
    • TIMEOUT_MS：等待传感器读数的最大时间（2000ms）
    • SLEEP_TIME_MS：测量之间的睡眠时间（约 29.3 秒）

  2. 传感器配置（在 components/sensor_t_a_h/Kconfig 中）：

    menu "BME68X Configuration"
        config BME68X_I2C_ADDR
            hex "BME68X I2C Address"
            default 0x76
            help
                I2C address of the BME68X sensor. Default is 0x76.
                Use 0x77 if SDO pin is pulled high.

        choice BME68X_INTERFACE
            prompt "BME68X Interface"
            default BME68X_USE_I2C
            help
                Select the interface to use with BME68X sensor.

            config BME68X_USE_I2C
                bool "I2C Interface"

            config BME68X_USE_SPI
                bool "SPI Interface"
        endchoice

        if BME68X_USE_I2C
            config BME68X_I2C_PORT
                int "I2C Port Number"
                range 0 1
                default 0
                help
                    I2C port number for BME68X.

            config BME68X_I2C_SDA_PIN
                int "I2C SDA GPIO"
                range 0 48
                default 12
                help
                    GPIO pin for I2C SDA.

            config BME68X_I2C_SCL_PIN
                int "I2C SCL GPIO"
                range 0 48
                default 13
                help
                    GPIO pin for I2C SCL.

            config BME68X_I2C_CLOCK_SPEED
                int "I2C Clock Frequency (Hz)"
                range 100000 400000
                default 100000
                help
                    I2C clock frequency for BME68X. Standard mode (100 KHz) or Fast mode (400 KHz).
        endif
    endmenu

  3. BLE 配置（在 components/ble_beacon/common.h 中）： BLE 设备名称在 common.h 文件中定义：

    #define DEVICE_NAME "Xiao_TempSensor"

修改配置参数​

使用 ESP-IDF 的 menuconfig 工具​

ESP-IDF 框架提供了一个强大的配置工具叫做 menuconfig，它为修改项目设置提供了基于文本的用户界面。该工具基于 Kconfig，这是 Linux 内核使用的同一配置系统。

要启动配置界面：

idf.py menuconfig

这将显示一个基于文本的用户界面，包含配置类别：

    应用程序配置  --->
    ESP-IDF 组件         --->
    SDK 工具配置     --->
    编译器选项          --->
    组件配置          --->
    引导加载程序配置     --->
    串行烧录器配置     --->

在 menuconfig 中导航：

  • 使用 ↑ 和 ↓ 箭头键导航
  • 按 Enter 进入子菜单
  • 按 Esc 返回
  • 按 Space 切换选项
  • 在布尔选项上按 Y 表示 'Yes'，按 N 表示 'No'
  • 按 ? 查看当前选中选项的帮助
  • 按 Q 或多次按 Esc 退出，然后按 Y 保存更改

查找传感器配置：

  1. 导航到 Component config
  2. 向下滚动找到 BME68X Configuration
  3. 按 Enter 查看传感器设置

查找 BLE 配置：

  1. 导航到 Component config
  2. 找到并进入 Bluetooth
  3. 选择 NimBLE Options
  4. 在这里您可以配置各种 BLE 参数
为 BME680 配置 I2C 引脚​

要为 BME680 传感器配置 I2C 引脚：

  1. 在 menuconfig 中，导航到：Component config → BME68X Configuration
  2. 选择 I2C SDA GPIO 来更改 SDA 引脚
  3. 输入 SDA 的 GPIO 编号（默认为 12，但对于带扩展板的 XIAO ESP32-C3，使用 6）
  4. 选择 I2C SCL GPIO 来更改 SCL 引脚
  5. 输入 SCL 的 GPIO 编号（默认为 13，但对于带扩展板的 XIAO ESP32-C3，使用 7）
  6. 如果您的传感器有不同的 I2C 地址，选择 BME68X I2C Address 并修改它
通过 menuconfig 配置 BLE 参数​

虽然设备名称在代码中定义，但其他 BLE 参数可以通过 menuconfig 配置：

  1. 导航到：Component config → Bluetooth → NimBLE Options
  2. 在这里您可以修改：
    • 最大并发连接数
    • BLE 角色（中心/外围/观察者/广播者）
    • 安全设置
    • GAP 和 GATT 参数
    • BLE 协议栈的内存分配
高级配置选项​

对于高级用户，提供了额外的配置选项：

  1. 电源管理：

    • 导航到：Component config → Power Management
    • 启用/禁用自动轻度睡眠
    • 配置 DFS（动态频率缩放）

  2. Flash 加密：

    • 导航到：Security features
    • 为安全部署配置 flash 加密选项

  3. 分区表：

    • 导航到：Partition Table
    • 为不同应用需求修改 flash 分区

  4. 日志记录：

    • 导航到：Component config → Log output
    • 配置调试日志级别和输出目标

进行更改后，按 Q 退出并按 Y 保存更改。然后使用以下命令重新构建项目：

idf.py build

更改 BLE 设备名称​

要更改 BLE 设备名称，您需要修改 components/ble_beacon/common.h 中的 DEVICE_NAME 宏：

  1. 打开文件：

    nano components/ble_beacon/common.h

  2. 找到 DEVICE_NAME 定义并将其更改为您想要的名称：

    #define DEVICE_NAME "MyCustomSensor"

  3. 保存文件并重新构建项目。

步骤 5：构建和烧录项目​

  1. 导航到项目目录：

    cd ~/Desktop/xiao_ibeacon

  2. 配置项目：

    idf.py set-target esp32c3
    idf.py menuconfig

    通过菜单导航检查或调整设置：

    • Component Config → BME680 Sensor Settings
    • Component Config → BLE Beacon Settings
    • Component Config → Power Management

  3. 构建项目：

    idf.py build

  4. 将项目烧录到 XIAO ESP32-C3：

    idf.py -p /dev/ttyUSB0 flash

    注意：您的端口可能不同（Windows：COM3、COM4 等）

  5. 监控输出（可选）：

    idf.py -p /dev/ttyUSB0 monitor

    按 Ctrl+] 退出监控。

步骤 6：测试 iBeacon​

  1. 在智能手机上下载 BLE 扫描应用：

    • iOS："LightBlue" 或 "nRF Connect"
    • Android："nRF Connect" 或 "BLE Scanner"

  2. 打开应用并扫描 BLE 设备：

    • 查找名为 "Xiao_TempSensor" 的设备
    • 选择设备以查看其广播数据

  3. 理解广播数据： BLE 广播包含：

    • 温度（摄氏度，按 100 倍缩放）
    • 湿度（百分比）
    • 压力（hPa，按 10 倍缩放）

  4. 预期行为：

    • 设备大约每 30 秒唤醒一次
    • 从 BME680 传感器读取数据
    • 广播此数据 500 毫秒
    • 然后进入深度睡眠以节省电力

Python 测试脚本​

项目包含 Python 脚本来帮助测试和验证 BLE 信标功能。让我们探索它们：

设置 Python 环境​

  1. 导航到测试脚本目录：

    cd ~/Desktop/xiao_ibeacon/test_scripts

  2. 运行设置脚本创建和配置虚拟环境：

    # 在 Linux/macOS 上
    chmod +x setup_venv.sh
    ./setup_venv.sh

    # 在 Windows 上
    setup_venv.bat

  3. 激活虚拟环境：

    # 在 Linux/macOS 上
    source venv/bin/activate

    # 在 Windows 上
    venv\Scripts\activate

设置脚本将安装所需的包：

  • bleak：用于 BLE 通信
  • colorama：用于彩色终端输出

使用 BLE 扫描脚本​

BLE 扫描脚本（ble_beacon_scanner.py）扫描 BLE 广播并显示来自我们信标的传感器数据。

扫描器的主要功能：

  • 查找名为 "Xiao_TempSensor" 的设备
  • 解码制造商特定数据以提取温度、湿度和压力
  • 在格式化的终端 UI 中显示值
  • 随着接收到新广播持续更新

运行扫描器：

python ble_beacon_scanner.py

脚本将显示格式良好的输出，包含最新的传感器读数：


╔═══════════════════════════════════════════════╗
║ Xiao 温度传感器信标扫描器                      ║
╠═══════════════════════════════════════════════╣
║ 最后更新: 15:42:27                           ║
║ 信号强度: -63 dBm                            ║
╠═══════════════════════════════════════════════╣
║ 温度: 23.45 °C                               ║
║ 湿度: 48 %                                   ║
║ 压力: 1013.2 hPa                             ║
╠═══════════════════════════════════════════════╣
║ 按 Ctrl+C 退出                               ║
╚═══════════════════════════════════════════════╝

如果您在脚本中通过设置 DEBUG_MODE = True 启用调试模式，您将看到有关 BLE 广播和数据解析的额外信息。

信标数据格式​

信标以压缩格式传输数据，以适应 BLE 广播限制：

  1. 公司 ID：0x02E5（乐鑫系统）
  2. 温度：16 位有符号整数，按 100 缩放（除以 100 得到 °C）
  3. 湿度：8 位无符号整数（直接百分比值）
  4. 压力：16 位无符号整数，按 10 缩放（除以 10 得到 hPa）

Python 脚本解码此格式并显示实际值。

测试过程流程​

步骤 7：工作原理 - 深入了解​

传感器初始化和读取​

BME680 传感器通过以下步骤初始化：

  1. I2C 配置：在适当的引脚上设置 I2C 通信（对于带扩展板的 XIAO ESP32-C3，GPIO6/GPIO7 用于 SDA/SCL）
  2. 传感器初始化：配置 BME680 传感器的温度、湿度、压力和气体测量设置
  3. 读取过程：启动测量并等待数据准备就绪
  4. 数据处理：将原始传感器值转换为人类可读的测量值

BLE 广播​

BLE 功能的工作原理如下：

  1. BLE 协议栈初始化：设置 ESP32 的 BLE 协议栈
  2. 广播配置：配置广播参数（间隔、数据格式）
  3. 数据打包：获取传感器读数并将其打包到制造商特定数据中
  4. 广播启动/停止：控制广播时序

电源管理​

电源管理系统使用 ESP32-C3 的内置睡眠功能：

  1. 深度睡眠配置：使用 ESP-IDF 的睡眠 API（esp_sleep_enable_timer_wakeup()）配置唤醒定时器
  2. 唤醒源：将定时器设置为唯一的唤醒源（系统将在指定持续时间后唤醒）
  3. 睡眠进入：在使用 esp_deep_sleep_start() 进入深度睡眠之前安全关闭活动外设
  4. 唤醒过程：当定时器到期时，系统执行重置并从头开始重新启动应用程序

电源管理组件（power_manager.c）提供了一个简单的接口来处理睡眠模式：

// 初始化电源管理器
power_manager_init();

// 稍后，当需要进入睡眠时：
power_manager_enter_deep_sleep(30000); // 睡眠30秒

当设备进入深度睡眠时，功耗会急剧下降（约10-20 μA），从而实现长电池续航。设备会完全关闭，并在定时器到期时重新启动，因此任何需要保留的状态都必须存储在RTC内存或非易失性存储中。

功耗配置文件​

功耗分析设置​

功耗配置文件​

系统具有不同的功耗使用阶段，如下面的功耗配置文件所示：

功耗阶段：

  1. 睡眠阶段：深度睡眠模式下约150μA（ESP32-C3 RTC控制器激活 + bme680睡眠）
  2. 唤醒和初始化：启动和传感器初始化期间约40mA
  3. 活跃BLE广播：BLE传输期间峰值约16mA
  4. 清理和进入睡眠：进入睡眠前资源清理期间约5mA

电池续航计算：

  • 深度睡眠时的平均电流（28秒）：150μA
  • 活跃阶段的平均电流（2秒）：约40mA
  • 有效平均电流：3.92 mA（1分钟内测量）
  • 使用典型的1500 mAh锂离子电池：
    • 1500 mAh ÷ 3.92 mA ≈ 382小时 ≈ 15.9天

功耗优化技巧：

  • 减少广播时间以最小化高电流周期
  • 使用最低可行的广播功率
  • 禁用未使用的外设
  • 优化传感器读取过程
  • 考虑延长睡眠持续时间

步骤8：自定义项目​

您可以自定义项目的各个方面：

  1. 更改睡眠持续时间：

    • 编辑main.c中的SLEEP_TIME_MS来调整读取数据的频率

  2. 修改传感器设置：

    • 使用idf.py menuconfig来更改传感器采样率、滤波器等

  3. 调整BLE参数：

    • 在BLE信标组件中更改设备名称或广播间隔

  4. 添加其他传感器：

    • 扩展传感器组件以包含其他Grove传感器

添加您自己的传感器​

要将不同的传感器集成到此项目中，请按照以下步骤操作：

  1. 创建新的传感器组件：

    # 创建组件目录结构
    mkdir -p components/my_new_sensor/include
    touch components/my_new_sensor/CMakeLists.txt
    touch components/my_new_sensor/Kconfig
    touch components/my_new_sensor/my_new_sensor.c
    touch components/my_new_sensor/include/my_new_sensor.h

  2. 实现组件接口：

    • 定义初始化函数
    • 创建数据读取函数
    • 设置任何必要的配置

    示例头文件（my_new_sensor.h）：

    #pragma once
    #include <stdbool.h>
    #include "esp_err.h"

    typedef struct {
        float value1;
        float value2;
        // Additional sensor values
    } my_sensor_data_t;

    /**
     * @brief Initialize the sensor
     * @return ESP_OK on success
     */
    esp_err_t my_sensor_init(void);

    /**
     * @brief Read data from the sensor
     * @param data Pointer to structure to store readings
     * @return ESP_OK on success
     */
    esp_err_t my_sensor_read(my_sensor_data_t *data);

  3. 配置构建系统： 示例 CMakeLists.txt：

    idf_component_register(
        SRCS "my_new_sensor.c"
        INCLUDE_DIRS "include"
        REQUIRES driver
    )

  4. 更新主应用程序：

    • 将您的组件添加到主应用程序的依赖项中
    • 在主应用程序流程中初始化您的传感器
    • 将您的传感器读数包含在 BLE 广播数据中

    在 main.c 中的集成示例：

    #include "my_new_sensor.h"

    void app_main(void) {
        // Initialize other components
        // ...

        // Initialize your new sensor
        ESP_ERROR_CHECK(my_new_sensor_init());

        // Read from your sensor
        my_sensor_data_t sensor_data;
        ESP_ERROR_CHECK(my_sensor_read(&sensor_data));

        // Modify BLE data to include your sensor readings
        // ...
    }

  5. 扩展 BLE 广播数据：

    • 更新 BLE 信标组件，在广播中包含您的传感器数据
    • 为您的新测量值分配适当的数据类型 ID

  6. 更新配置：

    • 在 components/my_new_sensor/Kconfig 中为您的传感器添加 Kconfig 选项
    • 这允许用户通过 menuconfig 配置您的传感器

通过遵循这种结构化方法，您可以无缝集成额外的传感器，同时保持项目的模块化架构。

故障排除​

重要提示​

tip

正常运行期间无串口输出
为了获得最佳的功耗效率，设备在正常运行期间不会通过串口输出调试信息。当设备处于深度睡眠模式时，LED 也不会闪烁。这是为了最小化功耗而有意设计的。

重新刷写设备
要重新刷写设备：

  1. 在开始刷写过程时按下 XIAO 板上的复位按钮
  2. 将您的刷写命令与短暂的活动期（当设备不在深度睡眠中时）同步
  3. 或者，按住复位按钮，启动刷写命令，然后在刷写开始时释放复位按钮

重新启用开发调试输出
在开发自己的模块或调试时，您可以重新启用串口输出：

  1. 运行 idf.py menuconfig
  2. 导航到 Component config → Log output
  3. 将默认日志级别设置为 INFO 或 DEBUG
  4. 将日志输出目标配置为 UART0
  5. 记住在部署前再次禁用详细日志记录以保持电池寿命

传感器未检测到​

如果您遇到传感器检测问题：

  1. 检查连接：

    • 确保 Grove 线缆正确连接到传感器和扩展板
    • 验证您使用的是 I2C Grove 端口

  2. I2C 地址问题：

    • BME680 的默认 I2C 地址是 0x76。某些模块可能使用 0x77。
    • 如果需要，在配置中编辑 I2C 地址

  3. 电源问题：

    • 确保 XIAO 获得足够的电源
    • 尝试不同的 USB 线缆或端口

BLE 未广播​

如果检测不到 BLE 广播：

  1. 检查 BLE 扫描器应用：

    • 尝试不同的 BLE 扫描器应用
    • 确保您的手机上启用了蓝牙

  2. 监控调试输出：

    • 使用 idf.py monitor 检查错误消息

  3. 广播持续时间：

    • 默认设置仅广播 500ms。如果您错过了，请在 main.c 中增加 ADV_TIME_MS

构建或刷写失败​

如果您遇到构建或刷写问题：

  1. ESP-IDF 版本：

    • 确保您使用的是 ESP-IDF v5.0 或更新版本
    • 在命令前运行 . $IDF_PATH/export.sh（Linux/macOS）或 %IDF_PATH%\export.bat（Windows）

  2. USB 连接：

    • 验证 USB 连接稳定
    • 尝试在刷写前按下 XIAO 扩展板上的复位按钮

  3. 端口问题：

    • 使用 ls /dev/tty*（Linux/macOS）或设备管理器（Windows）识别正确的端口
    • 使用 -p 标志指定正确的端口

结论​

您现在已经构建了一个功耗高效的环境监测系统，它使用 BLE 广播温度、湿度、压力和空气质量数据。这个项目演示了几个重要概念：

  1. 传感器集成：在 ESP-IDF 中使用 I2C 传感器
  2. BLE 通信：创建和管理 BLE 广播
  3. 电源管理：实现深度睡眠以实现电池高效运行
  4. ESP-IDF 开发：使用 Espressif 官方框架进行 ESP32 开发

整体系统架构​

这个基础可以扩展为创建更复杂的物联网传感器节点、环境监测系统或资产跟踪解决方案。

资源​

✨ 贡献者项目​

技术支持与产品讨论​

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