基于CH573的BLE温湿度传感器

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2021年10月23日约 2751 字

在使用ESP32制作一些项目时，经常会想要加入温湿度检测的功能。但在实践中存在一个很严重的问题，即放在机壳内的温湿度传感器会被ESP32散发出的热量影响，导致度数出现温升。本文介绍基于CH573制作的低功耗的温湿度传感器，并使用蓝牙将数据传输到ESP32上。

为了解决将温湿度传感器放到机壳内的温升问题，最直接同时也是效果最好的方案就是将传感器放在机身外，同时传感器使用电池供电。但是这就会引入低功耗与通信的问题，即传感器如何在保证低功耗的前提下，将数据通过无线传输到ESP32上。

ESP32支持三种无线通信协议，它们分别是WiFi、ESP-NOW与BLE。为了能够直接使用ESP32接受数据而不需要添加额外的无线收发芯片，传感器与ESP32通信的协议应该也从这三种协议里面选择。

其中，ESP-NOW协议只有乐鑫的芯片支持，但是乐鑫并没有低功耗芯片，因此排除。Wi-Fi连接、传输等的功耗也都非常大，因此BLE便成了最好的选择。

目前，市面上已经有基于BLE的温湿度传感器了，例如米家温湿度计2等。我也亲自购入了一个，研究了它的实现原理。

https://img.yuanze.wang/posts/ch573-temp-humid-beacon/xiaomi-temp-humid-sensor.jpg — 米家温湿度计2

对于使用BLE发送传感器读数的场景，目前主要有两种做法：

设备开启蓝牙广播，将自身标识为可连接，当有手机或网关连接时，建立GATT连接并传输数据。这种方式比较适合米家温湿度计2这种本身带有屏幕显示读数，蓝牙主要用于传输保存的历史数据的场景。
设备将读数放入蓝牙广播中，进行周期性广播，并将自身标识为不可连接。网关通过不断进行BLE扫描来获取广播包内的传感器数据。这种方式比较适合本身不带屏幕，需要使用其他设备显示读数的场景。

对于一个没有屏幕显示的Beacon来说，第二种做法显然是更合适的。同时，由于不需要进行蓝牙连接，相比第一种做法也能节约下更多的电量。确定了方案后，接下来就是芯片选型了。

CH573是沁恒推出的一款BLE MCU，价格非常便宜，外围电路也非常简单，官方甚至贴心的提供了PCB天线的参考设计，配合内置的匹配电路，只需要复制粘贴天线即可完成简单的射频设计，对没有射频匹配条件的业余玩家来说非常友好。

https://img.yuanze.wang/posts/ch573-temp-humid-beacon/ant-design.png — 沁恒提供的参考天线设计

对于一个BLE Beacon来说，除了传感器和MCU之外，剩下的只需要一个LED灯用于指示状态，一个按键用于切换状态，以及一个开关用于彻底断电。

下面是我制作的PCB实物与渲染图。板子采用2层板设计，板载SHT31温湿度传感器，使用CR2032电池供电。

https://img.yuanze.wang/posts/ch573-temp-humid-beacon/pcb-v2-front.jpg — PCB正面

https://img.yuanze.wang/posts/ch573-temp-humid-beacon/pcb-v2-back.jpg — PCB背面

https://img.yuanze.wang/posts/ch573-temp-humid-beacon/pcb-v2-render.png — PCB渲染图

PCB天线与匹配电路，我直接参考的沁恒官方提供的双层板天线。经测试信号尚可，0dbm的发射功率下，信号穿过一堵墙仍然可以被ESP32接收到。

完成了硬件的开发，接下来就是软件了。软件使用沁恒官方提供的开发包，在MounRiver下开发完成，可以到GitHub仓库ch573-sht3x-beacon中查看。

程序中将任务分为了3个任务，分别是task_broadcaster task_sensor与task_bsp。

task_broadcaster任务处理与蓝牙相关的操作，主要包括初始化蓝牙广播者模式、发送广播数据并处理传感器更新事件。
task_sensor任务负责初始化传感器，并定期触发传感器转换，在传感器转换完成时响应转换完成事件，并向task_broadcaster通知转换已完成。
task_bsp主要负责执行定期射频校准工作。

值得一提的时，蓝牙广播数据在蓝牙启动的时候是无法更新的。因此，在task_broadcaster接收到传感器更新事件时，需要先关闭广播，待广播数据更新完毕后产生更新完成事件后，在事件处理函数内重启开启广播。

BLE的广播数据是最长可以有31字节，在这里我使用了30字节。

static uint8_t advertising_data[30] = {
    2,                                                               //字段长度
    GAP_ADTYPE_FLAGS,                                                //蓝牙属性标志位
    GAP_ADTYPE_FLAGS_BREDR_NOT_SUPPORTED | GAP_ADTYPE_FLAGS_GENERAL, //不支持BR/EDR，General discoverable

    13,
    GAP_ADTYPE_LOCAL_NAME_COMPLETE, //设备名称
    'C', 'H', '5', '7', '3', '-', 'S', 'e', 'n', 's', 'o', 'r',

    12,
    GAP_ADTYPE_MANUFACTURER_SPECIFIC, //厂商自定义数据
    'Y', 'Z', //厂商ID
    0x00, 0x02, 0x00, 0x00, 0x12, 0x00, 0x00, 0x21, 0x00
};

广播包主要分为3部分：

第一部分是蓝牙属性标志位，总共置位了GAP_ADTYPE_FLAGS_BREDR_NOT_SUPPORTED与GAP_ADTYPE_FLAGS_GENERAL两个标志位，分别代表该设备不支持经典蓝牙与处于普通可发现模式。
第二部分是设备名称，也就是手机App显示的设备名称，这里设置为CH573-Sensor。
第三部分是厂商自定义数据，其中包含了温湿度与电池电压信息，具体如下：

字节	1-2	3	4	5-6	7	8-9	10	11
数据	0x59, 0x5a	0x00	0x02	100倍温度数值	0x12	100倍湿度数值	0x21	100倍(电池电压-1V)
说明	厂商ID，‘Y’ ‘Z’	高4位为协议类型，低4位为协议版本	高4位为数据类型，低4位为数据长度	小端int16_t，Temp*100	高4位为数据类型，低4位为数据长度	小端uint16_t	高4位为数据类型，低4位为数据长度	uint8_t

对于ESP32，只需要不断进行BLE扫描，并对扫描得到的每个广播数据通过设备名与厂商ID进行过滤，即可得到广播包内的传感器数据。下面是蓝牙的初始化部分：

nvs_flash_init();
esp_bt_controller_config_t bt_cfg = BT_CONTROLLER_INIT_CONFIG_DEFAULT();
esp_bt_controller_init(&bt_cfg);
esp_bt_controller_enable(ESP_BT_MODE_BLE); //配置为BLE模式
esp_bluedroid_init();
esp_bluedroid_enable(); //开启蓝牙
esp_ble_gap_register_callback(esp_gap_cb); //注册回调函数

由于Beacon的广播频率为2s，因此将扫描频率设置为3s，来保证能够搜到蓝牙广播包。初始化完毕后，只需要在主循环中不断循环扫描，并在回调函数中处理搜索结果即可：

while(1) {
    esp_ble_gap_start_scanning(3) //扫描2秒
    vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(5000));
}

const char *device_name_filter = "CH573-Sensor";
const char vendor_id[2] = {'Y', 'Z'};

/**
 * @brief 在蓝牙广播包中寻找特定字段
 * 
 * @param adv_data 广播数据
 * @param adv_data_len 广播数据长度
 * @param type 要查找的字段标识
 * @return uint8_t* 字段起始位置，包括长度与类型
 */
uint8_t *ble_adv_get_data(uint8_t *adv_data, uint8_t adv_data_len, uint8_t type)
{
    uint8_t *ptr = adv_data;
    uint8_t len = adv_data_len;

    while(len) {
        if(ptr[1] != type) { //第2个字节是字段类型
            len -= (ptr[0]+1); //第1个字节是字段长度
            ptr += ptr[0]+1; //不是要寻找的字段类型，移动到下一个字段
        } else { //是要寻找的字段
            return ptr;
        }
    }

    return NULL;
}

void ble_adv_scan_handler(struct ble_scan_result_evt_param *scan_rst)
{
    if(scan_rst->adv_data_len == 0) { //忽略没有广播内容的设备
        return;
    }

    uint8_t *adv_manufacturer_defined_data = 
        ble_adv_get_data(scan_rst->ble_adv, scan_rst->adv_data_len, 0xFF); //查找厂家自定义信息

    if(adv_manufacturer_defined_data == NULL) {
        return;
    }

    /* 检查厂商ID */
    if(adv_manufacturer_defined_data[2] == vendor_id[0] && adv_manufacturer_defined_data[3] == vendor_id[1]) {
        /* 是传感器设备 */
        int16_t temp = adv_manufacturer_defined_data[6] | adv_manufacturer_defined_data[7]<<8;
        int16_t humid = adv_manufacturer_defined_data[9] | adv_manufacturer_defined_data[10]<<8;
        uint8_t voltage = adv_manufacturer_defined_data[12];
        printf(MACSTR": rssi:%d, temp:%.1fC, humid:%.1f%%, batt:%.2fV\n", MAC2STR(scan_rst->bda),
            scan_rst->rssi, (float)temp/100, (float)humid/100, (float)voltage/100+2.0f); //打印设备信息与温湿度信息
    }
}

static void esp_gap_cb(esp_gap_ble_cb_event_t event, esp_ble_gap_cb_param_t *param)
{
    esp_err_t err;

    switch (event) {
    case ESP_GAP_BLE_SCAN_RESULT_EVT: //扫描结果事件，每一个扫描到的设备均会触发一次该函数
        if ((err = param->scan_start_cmpl.status) == ESP_BT_STATUS_SUCCESS) {
            // printf(MACSTR": rssi:%d, \n", MAC2STR(param->scan_rst.bda), param->scan_rst.rssi); //打印设备信息
            ble_adv_scan_handler(&param->scan_rst);
        }
        break;

    case ESP_GAP_BLE_SCAN_START_COMPLETE_EVT: //开始扫描完成事件
        if ((err = param->scan_start_cmpl.status) == ESP_BT_STATUS_SUCCESS) {
            ESP_LOGI(TAG, "start scanning...");
        } else {
            ESP_LOGE(TAG, "error while starting scanning, error code %s", esp_err_to_name(err));
        }
        break;

    default:
        ESP_LOGW(TAG, "unhandled bt event #%d", event);
        break;
    }
}