測定の流れ
今回の温湿度センサーモジュールでは、温湿度を測定するモードとして、単発測定するモードと、自動で周期的に連続して測定するモードがあります。単発測定モードでは、単発測定用コマンドを送信し、測定が完了した後に、データを読み出すといった流れになります。連続測定モードでは、測定開始コマンドで周期的な測定が開始されます。そして、測定値読み出しコマンドを送信してデータの受信、最後に連続測定停止コマンドを送信します。なお各コマンドは、2バイトのデータとなります。
SHT31温湿度センサーモジュール制御クラス
センサーモジュール制御クラスのデータメンバとコンストラクタは、以下のようになります。
// SHT31温湿度センサーモジュール制御クラス
public class Sht31
{
// 温度
public float Temp { get; private set; }
// 相対湿度
public float Rhum { get; private set; }
// 受信データバッファ
private readonly byte[] Buff = new byte[6];
// I2Cファイルディスクリプタ
private int I2cfd { get; }
public Sht31(int fd) => I2cfd = fd;
}
I2C通信のファイルディスクリプタ、温度、湿度のプロパティ、受信データ用のバイト配列を定義しています。
コマンドを送信するメソッドは、次のように定義しました。
// 単発測定
public void OneshotCmd()
{
WiringPi.I2CWriteReg8(I2cfd, 0x2C, 0x06); // 単発測定コマンド
Read(); // データ受信
}
// 連続測定開始
public void StartCmd()
{
WiringPi.I2CWriteReg8(I2cfd, 0x22, 0x36); // 2回/秒周期で測定
}
// 連続測定値読み出し
public void ReadCmd()
{
WiringPi.I2CWriteReg8(I2cfd, 0xE0, 0x00); // 測定値取り込みコマンド
Read(); // データ受信
}
// 連続測定停止
public void StopCmd()
{
WiringPi.I2CWriteReg8(I2cfd, 0x30, 0x93); // 連続測定停止コマンド
}
連続測定を開始するコマンドでは、測定頻度を指定することができます。今回は、1秒に2回の頻度で連続測定する設定にしました（1秒あたり、0.5、1、2、4、10回の設定が可能）。
OneshotCmdメソッドでは、温湿度測定コマンド送信後、データ読み出しを行います。
データ受信
単発測定用コマンド、または連続測定値読み出しコマンドを送信すると、センサーモジュールからは測定データ（温度・湿度それぞれ2バイト）とチェックサムデータ（それぞれ1バイトCRC）の計6バイトが送られてきます。
データを受信するメソッドは、次のように定義しました。
// データ受信
private void Read()
{
int cnt = WiringPi.Read(I2cfd, Buff, Buff.Length); // データ受信（6バイト）
if (Buff.Length < cnt) return; // 6バイト未満なら終了（1）
if (Checksum(Buff[0], Buff[1]) == Buff[2]) // CRC確認
{
float rawt = (Buff[0] << 8) | Buff[1]; // 温度データ取り出し（2）
Temp = -45 + rawt * 175 / 65535; // 温度に変換（3）
}
if (Checksum(Buff[3], Buff[4]) == Buff[5]) // CRC確認
{
float rawrh = (Buff[3] << 8) | Buff[4]; // 湿度データ取り出し
Rhum = 100 * rawrh / 65535; // 湿度に変換
}
}
最初に、WiringPi.Readメソッドを使ってデータを受信します。6バイト分受信できなかったら、そこで終了にしています（1）。
センサーモジュールから送られてくるデータ6バイトは、次の順になります。
- 温度測定値（MSB）→ 温度測定値（LSB）→ CRCチェックサム（温度）→湿度測定値（MSB）→ 湿度測定値（LSB）→ CRCチェックサム（湿度）
各測定値のデータ長は、16ビットです。そのためMSB（最上位バイト）の値を8ビットシフトして、LSB（最下位バイト）に加算しています（2）。また測定データは、正の整数値に変換されていますので、正しい値に復元しています（3）。
CRC
各測定値の後には、チェックサム（CRC）データ1バイトが続きます。
このチェックサムデータは、測定値の誤り検出のための符号で、CRCとは、巡回冗長検査（Cyclic Redundancy Check）の略です。CRCでは、データを特定の定数（生成多項式）で割り算し、その余りをデータ確認用の符号として用います。送信側は、この符号を検査データとして付加し、受信側では、同じようにデータを計算して、符号が合致するかどうかを確認します。合致しない場合は、通信上で何らかのデータの破損があったことになります。
CRCのアルゴリズムは、いくつかあります。今回のセンサーモジュールでは、「CRC-8-Dallas/Maxim」と呼ばれる多項式を利用する仕様で、気温、湿度それぞれの16ビットデータから8ビットの値を算出します。
CRCを計算するクラスを、次のように静的クラスとして定義しました。
// CRC-8計算クラス
public static class CRC8
{
static readonly byte[] table = new byte[256]; // Lookup Table
const byte poly = 0x31; // x8 + x5 + x4 + 1
static CRC8()
{
// Lookup Tableの計算（1）
for (int i = 0; i < table.Length; i++)
{
int temp = i;
for (int j = 0; j < 8; j++)
{
if ((temp & 0x80) != 0)
{
temp = (temp << 1) ^ poly;
}
else
{
temp <<= 1;
}
}
table[i] = (byte)temp;
}
}
// CRCチェックサムの計算
public static byte Checksum(params byte[] bytes)
{
byte crc = 0xFF; // 初期値
foreach (byte b in bytes)
{
crc = table[crc ^ b];
}
return crc;
}
}
あらかじめコンストラクタで、1バイト分（0～255の値に対応）の計算結果をテーブルにすることで、都度の計算を省略しています（1）。
Checksumメソッドでは、CRCを計算したいデータ1バイトごとに引数に指定します。例えば、0xBE、0xEFというデータなら、次のようになります。
Console.WriteLine(CRC8.Checksum(0xBE, 0xEF).ToString("X")); // 出力値：92
Sht31クラスのReadメソッドでは、CRCをチェックして、合致しない場合は、気温・湿度を更新しないようにしています。
