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Grove による MCP の拡張

概要​

このドキュメントでは、ESP32-S3 ベースの SenseCAP Watcher 開発ボード上で Grove インターフェースを介して DHT20 温湿度センサーを使用する方法について説明します。

ハードウェアの準備​

SenseCAP Watcher for XiaoZhiGrove - Temperature & Humidity Sensor V2.0 (DHT20)
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Grove インターフェース定義（J5）​

ハードウェア回路図によると、Grove インターフェースは以下のピンを使用します：

Grove ピン機能ESP32-S3 接続
Pin 1SCLGPIO48 (I2C0_SCL)
Pin 2SDAGPIO47 (I2C0_SDA)
Pin 3VCCGROVE_3.3V (3.3V 電源)
Pin 4GNDGND

DHT20 センサー​

  • I2C アドレス：0x38（固定、変更不可）
  • 供給電圧：2.0V - 5.5V（3.3V を使用）
  • 通信プロトコル：I2C（最大 400kHz）
  • 測定範囲：
    • 温度：-40°C ～ +80°C（精度：±0.5°C）
    • 湿度：0% ～ 100% RH（精度：±3% RH）

実行結果​

ファイル構造​

元のコード：​

新しいファイル：​

  • dht20.h

  • dht20.cc

  • 上記の 2 つのファイルを以下の場所に配置してください：

    • ファイルの場所 
      main/boards/sensecap-watcher/
      ├── dht20.h              # DHT20 driver header
      └── dht20.cc             # DHT20 driver implementation

変更されたファイル​

注意

上記のサンプルコードは参考用です。適切な統合と正常なコンパイルを確保するために、特定のセンサーモデル、開発環境、ファームウェアバージョンに応じて変更してください。

  • Grove I2C センサーは I2C バスに直接接続できます。
  • 非 I2C センサーは利用可能な GPIO ピンを介して接続でき、さまざまなセンサータイプの柔軟な統合が可能です。

コア機能（DHT20 センサー）​

1. センサーの初期化​

DHT20 ドライバーは完全な初期化プロセスを実装します：

  • ステップ1. センサーリセット：0xBA リセットコマンドを送信
  • ステップ2. システム設定：レジスタ 0xE1 に [0x08, 0x00] を書き込み
  • ステップ3. キャリブレーション確認：ステータスレジスタのビット[3]をチェックしてセンサーがキャリブレーションされていることを確認
  • ステップ4. 再試行メカニズム：キャリブレーションが失敗した場合、最大 5 回まで再試行
esp_err_t ret = dht20_sensor_->Initialize();
if (ret == ESP_OK) {
    ESP_LOGI(TAG, "DHT20 initialized successfully");
}

2. 温度・湿度の読み取り​

読み取りプロセス：

  • ステップ1. 測定トリガー：コマンド [0xAC, 0x33, 0x00] を送信
  • ステップ2. 測定待機：80ms 遅延
  • ステップ3. 8 バイト読み取り：[ステータス、湿度 High、Middle、Low | 温度 High、Middle、Low、CRC]
  • ステップ4. データ解析：
    • 湿度 = (20 ビット生値) × 100 / 2^20
    • 温度 = (20 ビット生値) × 200 / 2^20 - 50
float temperature, humidity;
esp_err_t ret = dht20_sensor_->ReadTempAndHumidity(temperature, humidity);
if (ret == ESP_OK) {
    printf("Temperature: %.2f°C, Humidity: %.2f%%\n", temperature, humidity);
}

3. I2C 通信プロトコル​

機能コマンド/レジスタデータ
センサーリセット0xBA-
設定レジスタ0xE1[0x08, 0x00]
測定トリガー-[0xAC, 0x33, 0x00]
ステータス読み取り-1 バイト
データ読み取り-7 バイト

4. ステータスバイト定義​

ビット機能値
bit[7]測定ステータス1=測定中、0=アイドル
bit[6:4]予約済み-
bit[3]キャリブレーションステータス1=キャリブレーション済み、0=未キャリブレーション
bit[2:0]予約済み-

5. データ解析アルゴリズム​

// Humidity data (20 bits)
uint32_t humidity_raw = (data[1] << 12) | (data[2] << 4) | (data[3] >> 4);
float humidity = humidity_raw * 100.0f / 1048576.0f;

// Temperature data (20 bits)
uint32_t temperature_raw = ((data[3] & 0x0F) << 16) | (data[4] << 8) | data[5];
float temperature = temperature_raw * 200.0f / 1048576.0f - 50.0f;

コア機能（内部 MCP ツールインターフェース）​

1. 機能説明​

  • ツール名：self.grove.get_temperature_humidity
  • ツール用途：Grove 接続された DHT20 センサーから現在の温度と湿度を読み取る

2. 呼び出し例​

AI は以下のように呼び出すことができます：

result = call_tool("self.grove.get_temperature_humidity", {})

3. 戻り値の形式​

  • 成功時：

    {
        "temperature": 25.32,
        "humidity": 65.47,
        "status": "ok"
    }

  • 失敗時：

    {
        "error": "DHT20 sensor not initialized"
    }

    または

    {
        "error": "Failed to read DHT20: ESP_ERR_TIMEOUT"
    }

4. 変更されたコード部分と説明​

ヘッダーファイルのインクルードを追加​

  • sensecap_watcher.cc の先頭に以下のインクルード文を追加してください：

    #include "dht20.h"
    #include "mcp_server.h"

  • 目的

    • dht20.h — DHT20 センサーのドライバー API を導入し、温度と湿度の読み取りを可能にします。

    • mcp_server.h — 内部 MCP サーバーに関連する API を提供し、MCP ツールの通信と登録を可能にします。

メンバー変数を追加​

  • SensecapWatcher クラスに以下のメンバー変数を追加してください：

    DHT20* dht20_sensor_ = nullptr;

  • 目的

    • dht20_sensor_ — Grove インターフェース経由で接続された DHT20 センサーオブジェクトへのポインタ。 SensecapWatcher インスタンスのライフサイクル全体を通じて温湿度センサーを初期化、保存、アクセスするために使用されます。
    • InitializeDHT20() で割り当てられ、MCP ツールがセンサーデータを読み取るために使用されます。
    • センサーがまだセットアップされていないことを示すために nullptr に初期化され、読み取り前にヌルチェックが実行されます。

DHT20 初期化と MCP ツールを追加​

  • SensecapWatcher クラスに以下のメンバー関数を追加してください：

    void InitializeDHT20() {
        ESP_LOGI(TAG, "Initialize DHT20 sensor on Grove port");

        // Create DHT20 sensor instance
        dht20_sensor_ = new DHT20(i2c_bus_);

        // Initialize and calibrate the sensor
        esp_err_t ret = dht20_sensor_->Initialize();
        if (ret != ESP_OK) {
            ESP_LOGE(TAG, "DHT20 initialization failed: %s", esp_err_to_name(ret));
            delete dht20_sensor_;
            dht20_sensor_ = nullptr;
            return;
        }

        ESP_LOGI(TAG, "DHT20 sensor initialized successfully");

        // Register MCP tool for reading temperature and humidity
        auto& mcp_server = McpServer::GetInstance();
        mcp_server.AddTool("self.grove.get_temperature_humidity",
            "Read temperature and humidity from the Grove-connected DHT20 sensor.\n"
            "Return format: {\"temperature\": value(°C), \"humidity\": value(%), \"status\": \"ok\"}\n"
            "If reading fails, returns an error message.",
            PropertyList(),
            [this](const PropertyList&) -> ReturnValue {
                if (!dht20_sensor_) {
                    return "{\"error\": \"DHT20 sensor not initialized\"}";
                }

                float temperature = 0.0f;
                float humidity = 0.0f;

                esp_err_t ret = dht20_sensor_->ReadTempAndHumidity(temperature, humidity);
                if (ret != ESP_OK) {
                    std::string error_msg = "{\"error\": \"Failed to read DHT20: ";
                    error_msg += esp_err_to_name(ret);
                    error_msg += "\"}";
                    return error_msg;
                }

                // Format response as JSON
                char buffer[128];
                snprintf(buffer, sizeof(buffer),
                        "{\"temperature\": %.2f, \"humidity\": %.2f, \"status\": \"ok\"}",
                        temperature, humidity);
                return std::string(buffer);
            });

        ESP_LOGI(TAG, "DHT20 MCP tool registered: self.grove.get_temperature_humidity");
    }

  • コンストラクタでDHT20初期化呼び出しを追加

    SensecapWatcher() {
        ...
        InitializeCamera();
        InitializeDHT20();  // Initialize Grove DHT20 sensor
    }

  • 目的

    • InitializeDHT20() — Grove インターフェース上のDHT20センサーを初期化し、温度と湿度データへの内部アクセスを可能にするMCPツールを登録します。
    • この関数はDHT20インスタンスを作成し、キャリブレーションを行い、初期化エラーをチェックします。
    • 初期化が成功すると、JSON経由でセンサーデータを読み取るためのMCPツールself.grove.get_temperature_humidityを登録します。
    • ボードの起動時にセンサーが準備完了状態になるよう、SensecapWatcherのコンストラクタで呼び出されます：

トラブルシューティング​

よくある問題​

  1. センサー初期化失敗
  • 考えられる原因：
    • Grove インターフェースが正しく電源供給されていない
    • I2C接続の問題
    • センサーが接続されていない、または損傷している
  • 解決方法 
    uint32_t grove_power = esp_io_expander_get_level(io_exp_handle, BSP_PWR_GROVE);
    ESP_LOGI(TAG, "Grove power status: %d", grove_power);
  1. 読み取りタイムアウト
  • 考えられる原因：
    • センサーがビジー状態
    • I2Cバスの競合
  • 解決方法
    • 読み取り間隔を1秒以上確保する
    • I2C上の他のデバイスを確認する
  1. 無効なデータ
  • 考えられる原因：
    • センサーがキャリブレーションされていない
    • CRCチェックが失敗（現在のバージョンでは未実装）
  • 解決方法：
    • センサーを再初期化する
    • CRCチェック（data[6]）の実装を検討する

参考資料​

メンテナンス​

コードはmain/boards/sensecap-watcher/に存在し、他のボードには影響しません。

技術サポート​

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