在 RT-Thread 中快速使用 CCS811 氣體傳感器

1、CCS811 傳感器

ccs811 軟件包是 CCS811 氣體傳感器的驅動軟件包。CCS811 是一款低功耗數字氣體傳感器，用於檢測室內低水平的揮發性有機化合物和二氧化碳濃度，內部集成微控制器單元 (MCU) 和模數轉換器（ADC），並提供通過標準 I2C 數字接口獲取 CO2 或 TVOC 數據。

CCS811 模塊支持 I2C 接口，IIC 地址可配置爲 0x5A 或 0X5B。

CCS811 支持多種模式：每1秒、10秒、1分鐘、250毫秒測量一次以及休眠模式，這些模式在傳感器測量期間進行了低功耗優化，因此 CCS811 適用於便攜式應用。CCS811 支持濃度報警，當濃度超過用戶設置的閾值時，INT 引腳就會觸發。

注意：該芯片對 IIC 進行了時鐘延展，有些控制器不支持時鐘延展，例如樹莓派。

1.1 技術規格

供電電壓：3.3V~5.5 V
預熱時間：<15s
IIC地址：0x5A 或 0X5B
工作溫度範圍：-40℃~85℃
工作溼度範圍：10%RH~95%RH
eCO2測量範圍：400ppm~8000ppm
TVOC測量範圍：0ppb~1100ppb
產品尺寸：22*31mm

1.2 功能特性

集成 MCU
板載處理
標準數字接口
優化的低功耗模式
IAQ 閾值報警
可編程基線-2.7mm x 4.0mm LGA 封裝
低元件數
成熟的技術平臺

1.3 應用場景

車內空氣質量檢測
室內空氣質量檢測
空氣淨化器
家庭控制器
新風系統

2、使用 ccs811 軟件包

2.1 添加軟件包

爲了在項目中快速集成 CCS811 傳感器進行應用開發，筆者製作了基於 RT-Thread 的 ccs811 軟件包。GitHub 地址： https://github.com/luhuadong/rtt-ccs811。

使用 ccs811 軟件包，需要在 RT-Thread 的包管理器中選擇它，具體路徑如下：

RT-Thread online packages --->
    peripheral libraries and drivers --->
        [*] sensors drivers  --->
            [*] CCS811: Digital Gas Sensor for Monitoring Indoor Air Quality..

打開 Env 工具，執行 pkgs --upgrade 更新 RT-Thread 軟件包索引。更新完成後，在你的 BSP 工程目錄中執行 menuconfig 進行配置，添加 ccs811 軟件包，如下圖所示。

然後讓 RT-Thread 的包管理器自動更新，或者使用 pkgs --update 命令更新包到 BSP 中。

2.2 配置選項

ccs811 軟件包目前提供兩個配置選項：

選擇 I2C 地址（PKG_USING_CCS811_I2C_ADDRESS）
是否使用示例程序（PKG_USING_CCS811_SAMPLE）

用戶可根據 CCS811 實際的硬件連接，選擇 I2C 地址爲 0x5A 或 0x5B。

3 測試

3.1 編譯下載

ccs811 軟件包中提供了測試示例，只需在 menuconfig 配置中勾選 “Enable ccs811 sample” 即可。爲了完成測試，還需要開啓 “Sensor cmd” 功能。

對了，別忘了配置 I2C 總線！ccs811 軟件包的示例默認使用 i2c1，因此需要在 menuconfig 中配置好 I2C1 Bus。

配置完成後即可編譯，下載到開發板中進行下一步實驗。

3.2 初始化示例代碼

因爲 RT-Thread 提供了 Sensor 驅動框架，並且 ccs811 已經接入 Sensor 框架了，因此只需要向下面這樣註冊傳感器設備，即可完成初始化工作。

static int rt_hw_ccs811_port(void)
{
    struct rt_sensor_config cfg;
    
    cfg.intf.type = RT_SENSOR_INTF_I2C;
    cfg.intf.dev_name = CCS811_I2C_BUS_NAME;
    rt_hw_ccs811_init("cs8", &cfg);
    
    return RT_EOK;
}
INIT_COMPONENT_EXPORT(rt_hw_ccs811_port);

實際上，這一步在 sensor_ccs811_sample.c 示例中已經有了。因此，我們不用敲一行代碼！

3.3 使用 sensor 命令

如果一切正常，我們就可以來到 msh 終端。

3.3.1 檢查傳感器是否初始化成功

輸入 list_device 查看 CCS811 傳感器是否已經註冊。如果看到如下信息，說明已經註冊上了，並且傳感器初始化成功。

msh >list_device
device           type         ref count
-------- -------------------- ----------
tvoc_cs8 Sensor Device        0
eco2_cs8 Sensor Device        0

這裏會看到兩個設備 tvoc_cs8 和 eco2_cs8，這是因爲 CCS811 模塊能檢測兩類氣體數據（TVOC 和 CO2），所以在 RT-Thread 中會註冊爲兩個設備。

3.3.2 查看 CCS811 信息

傳感器初始化成功後，我們就可以使用 sensor 命令進行測試了！sensor probe 命令用於探測傳感器設備，命令後面接上設備名稱即可。

msh >sensor probe tvoc_cs8
[4774993] I/sensor.cmd: device id: 0x81!

同時 sensor probe 命令還會選中該傳感器設備，之後可以使用 sensor info 或 sensor read 等命令對該設備進行操作。

比如查看設備信息：

msh >sensor info
vendor    :AMS
model     :ccs811
unit      :ppb
range_max :32768
range_min :0
period_min:250ms
fifo_max  :1

3.3.3 讀取 TVOC 數據

執行 sensor read 即可讀取 TVOC 的值。

msh >sensor read
[4794468] I/sensor.cmd: num:  0, tvoc:  184 ppb, timestamp:4794468
[4794586] I/sensor.cmd: num:  1, tvoc:  184 ppb, timestamp:4794586
[4794704] I/sensor.cmd: num:  2, tvoc:  184 ppb, timestamp:4794704
[4794822] I/sensor.cmd: num:  3, tvoc:  184 ppb, timestamp:4794822
[4794940] I/sensor.cmd: num:  4, tvoc:  184 ppb, timestamp:4794940

3.3.4 讀取 CO2 數據

由於前面選中的是 tvoc_cs8 設備，爲了讀取 CO2 的值，我們需要先執行 sensor probe eco2_cs8 切換設備，再執行 sensor read 讀取傳感數據。

msh >sensor read
[4957632] I/sensor.cmd: num:  0, eco2:  871 ppm, timestamp:4957632
[4957850] I/sensor.cmd: num:  1, eco2:  865 ppm, timestamp:4957850
[4957968] I/sensor.cmd: num:  2, eco2:  865 ppm, timestamp:4957968
[4958086] I/sensor.cmd: num:  3, eco2:  871 ppm, timestamp:4958086
[4958303] I/sensor.cmd: num:  4, eco2:  871 ppm, timestamp:4958303

3.4 使用自定義接口測試

ccs811 爲我們提供了兩種接口，一種是自定義的接口，另一種是對接 RT-Thread Sensor 框架的接口。在 ccs811 軟件包的示例代碼中還提供了一個 cat_ccs811 示例，其使用的就是自定義接口，測試結果如下。

msh >cat_ccs811
[20] TVOC: 0 ppb, eCO2: 0 ppm
[19] TVOC: 9 ppb, eCO2: 465 ppm
[18] TVOC: 11 ppb, eCO2: 475 ppm
[17] TVOC: 11 ppb, eCO2: 475 ppm
[16] TVOC: 11 ppb, eCO2: 477 ppm
==> baseline: 0x8484
...

4、API 說明

4.1 自定義接口

創建和刪除對象

要操作傳感器模塊，首先需要創建一個傳感器對象。

ccs811_device_t ccs811_create(const char *i2c_bus_name);

調用這個函數時，會從動態堆內存中分配一個 ccs811_device_t 句柄，並按給定參數初始化。

參數	描述
i2c_bus_name	設備掛載的 IIC 總線名稱
返回	——
ccs811_device_t	創建成功，返回傳感器對象句柄
RT_NULL	創建失敗

對於使用 ccs811_create() 創建出來的對象，當不需要使用，或者運行出錯時，請使用下面的函數接口將其刪除，避免內存泄漏。

void ccs811_delete(ccs811_device_t dev);

參數	描述
ccs811_device_t	要刪除的傳感器對象句柄
返回	——
無

初始化對象

如果需要使用靜態內存分配，則可調用 ccs811_init() 函數。

rt_err_t ccs811_init(struct ccs811_device *dev, const char *i2c_bus_name);

使用該函數前需要先創建 ccs811_device 結構體。

參數	描述
dev	傳感器對象結構體
i2c_bus_name	設備掛載的 IIC 總線名稱
返回	——
RT_EOK	初始化成功
-RT_ERROR	初始化失敗

測量數據

測量 eTVOC 和 eCO2 濃度值，並將數據保存在傳感器對象中。

rt_bool_t ccs811_measure(ccs811_device_t dev);

參數	描述
dev	傳感器對象句柄
返回	——
RT_TRUE	讀取成功
RT_FALSE	讀取失敗

由於 CCS811 傳感器支持多種模式和測量週期，爲成功獲取數據，建議在調用 ccs811_measure() 前使用 ccs811_check_ready() 函數檢查傳感器是否準備好了。

讀取 baseline

rt_uint16_t ccs811_get_baseline(ccs811_device_t dev);

參數	描述
dev	傳感器對象句柄
返回	——
16位的基線值	讀取成功
0	讀取失敗

設置 baseline

rt_bool_t ccs811_set_baseline(ccs811_device_t dev, rt_uint16_t baseline);

參數	描述
dev	傳感器對象句柄
baseline	16位的 baseline 設置值
返回	——
RT_TRUE	設置成功
RT_FALSE	設置失敗

設置環境數據

rt_bool_t ccs811_set_envdata(ccs811_device_t dev, float temperature, float humidity);

參數	描述
dev	傳感器對象句柄
temperature	當前環境的溫度值
humidity	當前環境的溼度值
返回	——
RT_TRUE	設置成功
RT_FALSE	設置失敗

在測量過程中定期設置環境溫度和溼度值，有利於獲取更準確的數據。

設置測量週期

rt_bool_t  ccs811_set_measure_cycle(ccs811_device_t dev, ccs811_cycle_t cycle);

參數	描述
dev	傳感器對象句柄
cycle	測量週期
返回	——
RT_TRUE	設置成功
RT_FALSE	設置失敗

測量週期包括 250ms、1s、10s 和 60s，具體可配置項如下：

typedef enum
{
    CCS811_CLOSED,
    CCS811_CYCLE_1S,
    CCS811_CYCLE_10S,
    CCS811_CYCLE_60S,
    CCS811_CYCLE_250MS

} ccs811_cycle_t;

設置工作模式

rt_bool_t ccs811_set_measure_mode(ccs811_device_t dev, 
                                  rt_uint8_t thresh, 
                                  rt_uint8_t interrupt, 
                                  ccs811_mode_t mode);

參數	描述
dev	傳感器對象句柄
thresh	0：不檢測閾值，1：檢測閾值
interrupt	0：不使能中斷，1：使能中斷
mode	工作模式（就是設置測量週期）
返回	——
RT_TRUE	設置成功
RT_FALSE	設置失敗

工作模式可選項如下：

typedef enum
{
    CCS811_MODE_0,
    CCS811_MODE_1,
    CCS811_MODE_2,
    CCS811_MODE_3,
    CCS811_MODE_4

} ccs811_mode_t;

讀取工作模式

rt_uint8_t ccs811_get_measure_mode(ccs811_device_t dev);

參數	描述
dev	傳感器對象句柄
返回	——
MEAS_MODE 寄存器值	讀取成功
0xFF	讀取失敗

設置報警閾值

rt_bool_t ccs811_set_thresholds(ccs811_device_t dev, 
                                rt_uint16_t low_to_med, 
                                rt_uint16_t med_to_high);

參數	描述
dev	傳感器對象句柄
low_to_med	低範圍到中範圍的閾值，默認爲 1500ppm
med_to_high	中範圍到高範圍的閾值，默認爲 2500ppm
返回	——
RT_TRUE	設置成功
RT_FALSE	設置失敗

注意：閾值設置只針對 CO₂ 氣體濃度。

4.2 Sensor 接口

ccs811 軟件包已對接 sensor 驅動框架，操作傳感器模塊之前，只需調用下面接口註冊傳感器設備即可。

rt_err_t rt_hw_ccs811_init(const char *name, struct rt_sensor_config *cfg);

參數	描述
name	傳感器設備名稱
cfg	sensor 配置信息
返回	——
RT_EOK	創建成功
-RT_ERROR	創建失敗

5、注意事項

爲傳感器對象提供靜態創建和動態創建兩種方式，如果使用動態創建，請記得在使用完畢釋放對應的內存空間。
由於 CCS811 模塊包含一個 TVOC 傳感器和一個 eCO2 傳感器，因此在 sensor 框架中會註冊兩個設備，內部提供1位 FIFO 緩存進行同步，緩存空間在調用 rt_device_open 函數時創建，因此 read 之前務必確保兩個設備都開啓成功。
由於使用 I2C 接口進行操作，因此註冊時需指定具體的 I2C 總線名稱，對應的句柄存放在 user_data 中。
CCS811 傳感器需要預熱，預熱時間小於15秒，此前的數據一直是 eTVOC 爲 0，eCO2 爲 400。
數據手冊建議在第一次使用傳感器時，先運行48小時。
CCS811 傳感器會自動校準基線，但是這個過程非常緩慢。數據手冊對基線校準的建議：在運行傳感器的第一週，建議每24小時保存一個新的基線，運行1周後，可以每1-28天保存一次。
如需使用中斷功能，請將傳感器的 INT 引腳連接到主控板相應的中斷引腳。

在 RT-Thread 中快速使用 CCS811 氣體傳感器

1、CCS811 傳感器

1.1 技術規格

1.2 功能特性

1.3 應用場景

2、使用 ccs811 軟件包

2.1 添加軟件包

2.2 配置選項

3 測試

3.1 編譯下載

3.2 初始化示例代碼

3.3 使用 sensor 命令

3.3.1 檢查傳感器是否初始化成功

3.3.2 查看 CCS811 信息

3.3.3 讀取 TVOC 數據

3.3.4 讀取 CO2 數據

3.4 使用自定義接口測試

4、API 說明

4.1 自定義接口

創建和刪除對象

初始化對象

測量數據

讀取 baseline

設置 baseline

設置環境數據

設置測量週期

設置工作模式

讀取工作模式

設置報警閾值

4.2 Sensor 接口

5、注意事項

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