ESP-IDFを使用したBME680センサー付きXIAO ESP32-C3 iBeacon
このチュートリアルでは、Bluetooth Low Energy（BLE）をiBeacon形式で使用して環境データをブロードキャストする低消費電力温度監視システムを構築します。Seeed Studio XIAO ESP32-C3、XIAO拡張ボード、およびGrove BME680環境センサーを使用します。このプロジェクトでは、Espressifの公式開発フレームワークであるESP-IDFを使用して堅牢な組み込みアプリケーションを構築する方法を実演します。
概要
私たちのシステムは以下を行います：
- BME680センサーから温度、湿度、気圧を読み取る
- このデータをBLEアドバタイズメントパケットにパッケージ化する
- 定期的に起動し、測定を行い、データをアドバタイズし、バッテリー電力を節約するためにスリープに戻る
システムフローチャート
このフローチャートは、起動からディープスリープに戻るまでのシステムの主要な動作サイクルを示しています。
ハードウェア要件
| Seeed Studio XIAO ESP32C3 | Seeed Studio Grove Base for XIAO | Grove BME680環境センサー |
|---|---|---|
 |  |  |
- USB Type-C ケーブル
- ESP-IDF がインストールされたコンピュータ
ソフトウェア要件
- ESP-IDF (v5.0 以降)
- Git
- プロジェクト GitHub リポジトリ
ステップ 1: ハードウェアセットアップ
-
BME680 センサーを XIAO 拡張ボードに接続:
- Grove BME680 センサーを XIAO 拡張ボードの I2C ポートの一つに接続します。
- センサーは I2C 経由で通信するため、I2C 対応の Grove ポートであればどれでも動作します。
-
XIAO ESP32-C3 を拡張ボードに取り付け:
- XIAO ESP32-C3 モジュールを拡張ボードに慎重に位置合わせして挿入します。
- ピンが適切に位置合わせされ、モジュールがしっかりと固定されていることを確認してください。
-
コンピュータに接続:
- USB Type-C ケーブルを使用して XIAO 拡張ボードをコンピュータに接続します。
ステップ 2: 開発環境のセットアップ
-
ESP-IDF のインストール: お使いのオペレーティングシステム向けの公式インストール手順に従ってください。
Linux の場合、以下を使用できます:
mkdir -p ~/esp
cd ~/esp
git clone --recursive https://github.com/espressif/esp-idf.git
cd esp-idf
./install.sh
. ./export.sh -
プロジェクトリポジトリをクローンする:
cd ~/Desktop
git clone --recurse-submodules https://github.com/Priyanshu0901/xiao_ibeacon.git
cd xiao_ibeaconcaution--recurse-submodulesフラグは、プロジェクトがGitサブモジュールとして含まれる外部ライブラリに依存しているため重要です。これがないと、コンパイルが失敗します。サブモジュールなしで既にクローンしている場合は、以下を実行してください：
git submodule update --init --recursive
ステップ3: プロジェクト構造とコンポーネントの理解
このプロジェクトは3つの主要なコンポーネントで構成されています：
-
BME680センサーコンポーネント (
sensor_t_a_h):- BME680センサーとの通信を処理
- センサーの初期化、読み取り、データ処理を管理
- 温度、湿度、気圧データを提供
-
BLEビーコンコンポーネント (
ble_beacon):- BLEスタックを設定
- センサーデータを含むBLEアドバタイズメントを作成・送信
- BLEの初期化とクリーンアップを管理
-
電源管理コンポーネント (
power_manager):- ディープスリープ機能を処理
- 電力効率的な動作を管理
- ウェイクアップソースとスリープ時間を制御
コンポーネントの相互作用
この図は、異なるソフトウェアコンポーネントがシステムのハードウェア要素とどのように相互作用するかを示しています。
ステップ4: 設定の理解
ビルドする前に、主要な設定を理解しましょう：
-
メインアプリケーション設定 (
main.c内):ADV_TIME_MS: BLEアドバタイジングの持続時間 (500ms)POLL_INTERVAL_MS: センサーをポーリングする頻度 (150ms)TIMEOUT_MS: センサー読み取りを待つ最大時間 (2000ms)SLEEP_TIME_MS: 測定間のスリープ時間 (~29.3秒)
-
センサー設定 (
components/sensor_t_a_h/Kconfig内):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 -
BLE設定（
components/ble_beacon/common.h内）： BLEデバイス名はcommon.hファイルで定義されています：#define DEVICE_NAME "Xiao_TempSensor"
設定パラメータの変更
ESP-IDFのmenuconfigツールの使用
ESP-IDFフレームワークはmenuconfigと呼ばれる強力な設定ツールを提供しており、プロジェクト設定を変更するためのテキストベースのUIを提供します。このツールはLinuxカーネルで使用されているのと同じ設定システムであるKconfigに基づいています。
設定インターフェースを起動するには：
idf.py menuconfig
これにより、設定カテゴリを含むテキストベースのUIが表示されます：
Application Configuration --->
ESP-IDF Components --->
SDK tool configuration --->
Compiler options --->
Component config --->
Bootloader config --->
Serial flasher config --->
menuconfigでのナビゲーション:
↑と↓矢印キーでナビゲートEnterを押してサブメニューに入るEscを押して戻るSpaceを押してオプションを切り替え- ブール値オプションで
Yは「はい」、Nは「いいえ」 ?を押して現在選択されているオプションのヘルプを表示QまたはEscを複数回押して終了し、Yで変更を保存
センサー設定の検索:
Component configにナビゲート- 下にスクロールして
BME68X Configurationを見つける Enterを押してセンサー設定を表示
BLE設定の検索:
Component configにナビゲートBluetoothを見つけて入るNimBLE Optionsを選択- ここで様々なBLEパラメータを設定できます
BME680のI2Cピン設定
BME680センサーのI2Cピンを設定するには:
- menuconfigで次の場所にナビゲート:
Component config→BME68X Configuration I2C SDA GPIOを選択してSDAピンを変更- SDA用のGPIO番号を入力（デフォルトは12ですが、拡張ボード付きのXIAO ESP32-C3では6を使用）
I2C SCL GPIOを選択してSCLピンを変更- SCL用のGPIO番号を入力（デフォルトは13ですが、拡張ボード付きのXIAO ESP32-C3では7を使用）
- センサーが異なるI2Cアドレスを持つ場合は、
BME68X I2C Addressを選択して変更
menuconfigによるBLEパラメータの設定
デバイス名はコードで定義されていますが、他のBLEパラメータはmenuconfigで設定できます:
- 次の場所にナビゲート:
Component config→Bluetooth→NimBLE Options - ここで以下を変更できます:
- 同時接続の最大数
- BLEロール（Central/Peripheral/Observer/Broadcaster）
- セキュリティ設定
- GAPとGATTパラメータ
- BLEスタック用のメモリ割り当て
高度な設定オプション
上級ユーザー向けに、追加の設定オプションが利用可能です:
-
電源管理:
- 次の場所にナビゲート:
Component config→Power Management - 自動ライトスリープの有効/無効
- DFS（動的周波数スケーリング）の設定
- 次の場所にナビゲート:
-
フラッシュ暗号化:
Security featuresにナビゲート- セキュアな展開のためのフラッシュ暗号化オプションを設定
-
パーティションテーブル:
Partition Tableにナビゲート- 異なるアプリケーションニーズに応じてフラッシュパーティショニングを変更
-
ログ出力:
- 次の場所にナビゲート:
Component config→Log output - デバッグログレベルと出力先を設定
- 次の場所にナビゲート:
変更を行った後、Q を押して終了し、Y で変更を保存します。その後、以下のコマンドでプロジェクトを再ビルドします:
idf.py build
BLEデバイス名の変更
BLEデバイス名を変更するには、components/ble_beacon/common.hのDEVICE_NAMEマクロを変更する必要があります：
-
ファイルを開く：
nano components/ble_beacon/common.h -
DEVICE_NAMEの定義を見つけて、希望する名前に変更します：#define DEVICE_NAME "MyCustomSensor" -
ファイルを保存し、プロジェクトをリビルドします。
ステップ 5: プロジェクトのビルドとフラッシュ
-
プロジェクトディレクトリに移動:
cd ~/Desktop/xiao_ibeacon -
プロジェクトを設定する：
idf.py set-target esp32c3
idf.py menuconfigメニューを移動して設定を確認または調整します：
- Component Config → BME680 Sensor Settings
- Component Config → BLE Beacon Settings
- Component Config → Power Management
-
プロジェクトをビルドします：
idf.py build -
プロジェクトをXIAO ESP32-C3にフラッシュする：
idf.py -p /dev/ttyUSB0 flash注意：あなたのポートは異なる可能性があります（Windows: COM3、COM4など）
-
出力を監視する（オプション）：
idf.py -p /dev/ttyUSB0 monitorCtrl+]を押してモニターを終了します。
ステップ6: iBeaconのテスト
-
スマートフォンにBLEスキャナーアプリをダウンロード:
- iOS: "LightBlue" または "nRF Connect"
- Android: "nRF Connect" または "BLE Scanner"
-
アプリを開いてBLEデバイスをスキャン:
- "Xiao_TempSensor"という名前のデバイスを探す
- デバイスを選択してアドバタイズメントデータを表示
-
アドバタイズメントデータの理解: BLEアドバタイズメントには以下が含まれます:
- 温度（摂氏、100倍スケール）
- 湿度（パーセント）
- 気圧（hPa、10倍スケール）
-
期待される動作:
- デバイスは約30秒ごとに起動
- BME680センサーから読み取り値を取得
- このデータを500ms間ブロードキャスト
- その後、電力節約のためディープスリープに入る
Pythonテストスクリプト
このプロジェクトには、BLEビーコン機能のテストと検証を支援するPythonスクリプトが含まれています。それらを見てみましょう:
Python環境のセットアップ
-
テストスクリプトディレクトリに移動:
cd ~/Desktop/xiao_ibeacon/test_scripts -
セットアップスクリプトを実行して仮想環境を作成・設定します：
# On Linux/macOS
chmod +x setup_venv.sh
./setup_venv.sh
# On Windows
setup_venv.bat -
仮想環境をアクティベートします：
# On Linux/macOS
source venv/bin/activate
# On Windows
venv\Scripts\activate
セットアップスクリプトは必要なパッケージをインストールします：
bleak: BLE通信用colorama: カラーターミナル出力用
BLEスキャナースクリプトの使用
BLEスキャナースクリプト（ble_beacon_scanner.py）はBLEアドバタイズメントをスキャンし、ビーコンからのセンサーデータを表示します。
スキャナーの主な機能：
- "Xiao_TempSensor"という名前のデバイスを検索
- メーカー固有データをデコードして温度、湿度、気圧を抽出
- フォーマットされたターミナルUIで値を表示
- 新しいアドバタイズメントを受信すると継続的に更新
スキャナーを実行するには：
python ble_beacon_scanner.py
スクリプトは最新のセンサー読み取り値を含む、きれいにフォーマットされた出力を表示します：
╔═══════════════════════════════════════════════╗
║ Xiao Temperature Sensor Beacon Scanner ║
╠═══════════════════════════════════════════════╣
║ Last Update: 15:42:27 ║
║ Signal Strength: -63 dBm ║
╠═══════════════════════════════════════════════╣
║ Temperature: 23.45 °C ║
║ Humidity: 48 % ║
║ Pressure: 1013.2 hPa ║
╠═══════════════════════════════════════════════╣
║ Press Ctrl+C to exit ║
╚═══════════════════════════════════════════════╝
スクリプトでデバッグモードを有効にするには、DEBUG_MODE = True を設定します。これにより、BLE アドバタイズメントとデータ解析に関する追加情報が表示されます。
ビーコンデータフォーマット
ビーコンは、BLE アドバタイズメントの制限内に収まるよう、圧縮されたフォーマットでデータを送信します：
- Company ID: 0x02E5 (Espressif Systems)
- 温度: 16ビット符号付き整数、100倍スケール（100で割って°Cを取得）
- 湿度: 8ビット符号なし整数（直接のパーセンテージ値）
- 気圧: 16ビット符号なし整数、10倍スケール（10で割ってhPaを取得）
Python スクリプトはこのフォーマットをデコードし、実際の値を表示します。
テストプロセスのフロー
ステップ 7: 動作原理 - 詳細解説
センサーの初期化と読み取り
BME680 センサーは以下のステップで初期化されます：
- I2C 設定: 適切なピンで I2C 通信を設定（XIAO ESP32-C3 と拡張ボードの場合、SDA/SCL に GPIO6/GPIO7 を使用）
- センサー初期化: 温度、湿度、気圧、ガス測定の設定で BME680 センサーを構成
- 読み取りプロセス: 測定を開始し、データの準備完了を待機
- データ処理: 生のセンサー値を人間が読める測定値に変換
BLE アドバタイズメント
BLE 機能は以下のように動作します：
- BLE スタック初期化: ESP32 の BLE スタックを設定
- アドバタイズメント設定: アドバタイズメントパラメータ（間隔、データフォーマット）を構成
- データパッケージング: センサー読み取り値を取得し、メーカー固有データにパッケージ化
- アドバタイズメント開始/停止: アドバタイズメントのタイミングを制御
電源管理
電源管理システムは ESP32-C3 の内蔵スリープ機能を使用します：
- ディープスリープ設定: ESP-IDF のスリープ API（
esp_sleep_enable_timer_wakeup()）を使用してウェイクアップタイマーを構成 - ウェイクアップソース: タイマーを唯一のウェイクアップソースとして設定（システムは指定された時間後にウェイクアップ）
- スリープ開始:
esp_deep_sleep_start()でディープスリープに入る前に、アクティブな周辺機器を安全にシャットダウン - ウェイクアッププロセス: タイマーが満了すると、システムはリセットを実行し、最初からアプリケーションを再開
電源管理コンポーネント（power_manager.c）は、スリープモードを処理するためのシンプルなインターフェースを提供します：
// Initialize power manager
power_manager_init();
// Later, when it's time to sleep:
power_manager_enter_deep_sleep(30000); // Sleep for 30 seconds
デバイスがディープスリープに入ると、消費電力は劇的に低下し（約10-20 μA）、長いバッテリー寿命を実現できます。デバイスは完全にシャットダウンし、タイマーが満了すると再起動するため、保持する必要がある状態はRTCメモリまたは不揮発性ストレージに保存する必要があります。
消費電力プロファイル
電力プロファイリングセットアップ
電力プロファイル
システムには以下の電力プロファイルに示すように、明確な電力使用フェーズがあります：
電力フェーズ：
- スリープフェーズ: ディープスリープモードで約150μA（ESP32-C3 RTCコントローラーアクティブ + bme680スリープ）
- ウェイクアップ & 初期化: 起動とセンサー初期化中に約40mA
- アクティブBLEアドバタイジング: BLE送信中のピーク約16mA
- クリーンアップ & スリープエントリー: スリープエントリー前のリソースクリーンアップ中に約5mA
バッテリー寿命計算：
- ディープスリープ中の平均電流（28秒）: 150μA
- アクティブフェーズ中の平均電流（2秒）: 約40mA
- 実効平均電流: 3.92 mA（1分間で測定）
- 一般的な1500 mAh Li-Ionバッテリーの場合：
- 1500 mAh ÷ 3.92 mA ≈ 382時間 ≈ 15.9日
電力最適化のヒント：
- アドバタイジング時間を短縮して高電流期間を最小化
- 実現可能な最低のアドバタイジング電力を使用
- 未使用の周辺機器を無効化
- センサー読み取りプロセスを最適化
- スリープ時間の延長を検討
ステップ8: プロジェクトのカスタマイズ
プロジェクトの様々な側面をカスタマイズできます：
-
スリープ時間の変更:
main.cのSLEEP_TIME_MSを編集して、読み取り頻度を調整
-
センサー設定の変更:
idf.py menuconfigを使用してセンサーサンプリングレート、フィルターなどを変更
-
BLEパラメーターの調整:
- BLEビーコンコンポーネントでデバイス名やアドバタイジング間隔を変更
-
追加センサーの追加:
- センサーコンポーネントを拡張して他のGroveセンサーを含める
独自センサーの追加
このプロジェクトに異なるセンサーを統合するには、以下の手順に従ってください：
-
新しいセンサーコンポーネントの作成:
# Create component directory structure
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 -
コンポーネントインターフェースの実装:
- 初期化関数を定義
- データ読み取り関数を作成
- 必要な設定をセットアップ
ヘッダーファイルの例（
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); -
ビルドシステムの設定:
CMakeLists.txtの例:idf_component_register(
SRCS "my_new_sensor.c"
INCLUDE_DIRS "include"
REQUIRES driver
) -
メインアプリケーションの更新:
- メインアプリケーションの依存関係にあなたのコンポーネントを追加
- メインアプリケーションフローでセンサーを初期化
- BLEアドバタイズメントデータにセンサーの読み取り値を含める
main.cでの統合例:#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
// ...
} -
BLE広告データの拡張:
- BLEビーコンコンポーネントを更新して、センサーデータを広告に含める
- 新しい測定値に適切なデータタイプIDを割り当てる
-
設定の更新:
components/my_new_sensor/Kconfigにセンサー用のKconfigオプションを追加- これにより、ユーザーはmenuconfigを通じてセンサーを設定できるようになります
この構造化されたアプローチに従うことで、プロジェクトのモジュラーアーキテクチャを維持しながら、追加のセンサーをシームレスに統合できます。
トラブルシューティング
重要なヒント
通常動作中のシリアル出力なし
最適な電力効率のため、デバイスは通常動作中にシリアルポートを通じてデバッグ情報を出力しません。デバイスがディープスリープモードの時、LEDも点滅しません。これは消費電力を最小限に抑えるための意図的な設計です。
デバイスの再フラッシュ
デバイスを再フラッシュするには：
- フラッシュプロセスを開始する際にXIAOボードのリセットボタンを押す
- フラッシュコマンドのタイミングを短いアクティブ期間（デバイスがディープスリープでない時）に合わせる
- または、リセットボタンを押し続け、フラッシュコマンドを開始し、フラッシュが始まったらリセットボタンを離す
開発用のデバッグ出力の再有効化
独自のモジュールを開発したりデバッグしたりする際は、シリアル出力を再有効化できます：
idf.py menuconfigを実行Component config→Log outputに移動- デフォルトのログレベルを
INFOまたはDEBUGに設定 - ログ出力先を
UART0として設定 - バッテリー寿命を保持するため、デプロイ前に詳細ログを再度無効にすることを忘れずに
センサーが検出されない
センサー検出に問題が発生した場合：
-
接続の確認:
- Groveケーブルがセンサーと拡張ボードの両方に正しく接続されていることを確認
- I2C Groveポートを使用していることを確認
-
I2Cアドレスの問題:
- BME680のデフォルトI2Cアドレスは0x76です。一部のモジュールでは0x77を使用する場合があります
- 必要に応じて設定でI2Cアドレスを編集
-
電源の問題:
- XIAOが十分な電力を得ていることを確認
- 異なるUSBケーブルまたはポートを試す
BLEが広告しない
BLE広告が検出されない場合：
-
BLEスキャナーアプリの確認:
- 異なるBLEスキャナーアプリを試す
- 携帯電話でBluetoothが有効になっていることを確認
-
デバッグ出力の監視:
idf.py monitorを使用してエラーメッセージを確認
-
広告時間:
- デフォルト設定では500msしか広告しません。見逃した場合は、
main.cのADV_TIME_MSを増やす
- デフォルト設定では500msしか広告しません。見逃した場合は、
ビルドまたはフラッシュの失敗
ビルドまたはフラッシュの問題が発生した場合：
-
ESP-IDFバージョン:
- ESP-IDF v5.0以降を使用していることを確認
- コマンド前に
. $IDF_PATH/export.sh（Linux/macOS）または%IDF_PATH%\export.bat（Windows）を実行
-
USB接続:
- USB接続が安定していることを確認
- フラッシュ前にXIAO拡張ボードのリセットボタンを押してみる
-
ポートの問題:
ls /dev/tty*（Linux/macOS）またはデバイスマネージャー（Windows）で正しいポートを特定- 正しいポートで
-pフラグを使用
まとめ
これで、BLEを使用して温度、湿度、気圧、空気質データを放送する電力効率の高い環境監視システムを構築しました。このプロジェクトは、いくつかの重要な概念を実証しています：
- センサー統合: ESP-IDFでのI2Cセンサーの操作
- BLE通信: BLE広告の作成と管理
- 電力管理: バッテリー効率の良い動作のためのディープスリープの実装
- ESP-IDF開発: ESP32用のEspressif公式フレームワークの使用
全体的なシステムアーキテクチャ
この基盤は、より複雑なIoTセンサーノード、環境監視システム、または資産追跡ソリューションを作成するために拡張できます。
リソース
✨ コントリビュータープロジェクト
- このプロジェクトは Seeed Studio コントリビュータープロジェクト によってサポートされています。
- Priyanshu Roy 氏の献身的な努力に特別な感謝を捧げます。あなたの作品は展示されます。
技術サポート & 製品ディスカッション
私たちの製品をお選びいただき、ありがとうございます！私たちは、お客様の製品体験が可能な限りスムーズになるよう、さまざまなサポートを提供しています。異なる好みやニーズに対応するため、複数のコミュニケーションチャンネルを提供しています。