Bluetoothで気温などの環境データをモニタリング！ .NET nanoFrameworkとESP32でIoTプログラミング

.NET nanoFrameworkとESP32でIoTプログラミング 第6回

　.NET nanoFrameworkは、組み込みデバイス向けの.NET実装です。.NET nanoFrameworkを用いれば、ハードウェア的な制約のあるマイコンボードでも、C#でのプログラミングが可能になります。この連載では、.NET nanoFrameworkと、ESP32マイコンモジュール（ESP32-WROVERなど）を使い、C#によるIoTプログラミングを解説します。

対象読者

　IoTに興味があり、C#と電子工作の基本的な知識がある方を対象とします。C#や電子工作のごく初歩的な説明は割愛していますので、「C#ではじめるラズパイIoTプログラミング」の記事なども併せて参照してください。

はじめに

　今回の記事から、BluetoothやWi-Fiを利用して環境データをモニタリングするプログラムを作成します。本記事では環境センサーであるBME680で計測した値を、Bluetooth Low Energyを使って送信するところまでを解説します。

BluetoothやWi-Fiを利用した環境データモニタリング

環境センサーBME680

　まずは、環境センサーのBME680を使います。BME680はBOSCH社が開発した環境センサーで、温度、（相対）湿度、気圧に加えて、アルコールなどのガスを測定できることが特徴です。

　BME680のガスセンサーは、金属酸化物半導体（MOS）を利用しています。センサーの金属酸化物半導体に特定のガスが接触すると、半導体の抵抗値が変化します。この抵抗の変化を測定することで、ガスの存在や濃度を検知します。こういったガスセンサーは、空気清浄機やエアコン、アルコールチェッカーなどで用いられています。

　BME680を搭載したセンサーモジュールは、Amazonなどで入手可能です。今回は、秋月電子通商で販売されている「BME680使用 温湿度・気圧・ガスセンサーモジュールキット」を利用しました。

BME680使用 温湿度・気圧・ガスセンサーモジュールキット

　このセンサーモジュールには、三端子レギュレーターが組み込まれており、電源として2.5～6Vの範囲で利用できます。そのため、ESP32の電源に直接接続して利用可能です。

　モジュールの端子は4つだけです。電源以外は、I2C用のSCL、SDAとなっています。モジュールの出荷設定時のI2Cアドレスは、0x77です。今回は設定変更せず、そのまま利用します。アドレス変更などの詳細は、販売ページで公開されているマニュアルを参照してください。

配線とソース

　ESP32は、I2C接続でも任意のGPIO端子で利用可能です。前回同様、GPIO18、19を利用します。GPIO18とセンサーモジュールのSDA、GPIO19にはSCLを接続します。

　また.NET nanoFrameworkには、BME680に対応したクラスが用意されていますので、前回の距離計センサーの制御と同じようなコードで測定できます。

　最初にNuGetパッケージマネージャで、次のパッケージをインストールしておきます。

• nanoFramework.Hardware.Esp32
• nanoFramework.Iot.Device.Bmxx80

　センサーの値を取得して、1秒ごとにデバッグ表示するコードは、次のようになります。

［リスト1］Program.csの一部

public static void Main()
{
    // I2C接続に用いるGPIOの設定（1）
    Configuration.SetPinFunction(18, DeviceFunction.I2C1_DATA);
    Configuration.SetPinFunction(19, DeviceFunction.I2C1_CLOCK);

    // I2C通信のアドレス設定（2）
    var connectionSettings =
        new I2cConnectionSettings(1, 0x77);

    // I2C通信オブジェクトの生成（3）
    using var i2c = I2cDevice.Create(connectionSettings);

    // BME680オブジェクトの生成（4）
    var bme680 = new Bme680(i2c);

    // デフォルトの設定にリセット（5）
    bme680.Reset();

    while (true)
    {
        // 即時測定（6）
        var value = bme680.Read();

        // 有効値のときのみ（7）
        if (0<value.GasResistance.Value)
        {
            Console.WriteLine($"ガス: {value.GasResistance.Kiloohms:F2}KΩ");
        }
        Console.WriteLine($"気温: {value.Temperature.DegreesCelsius:F1}℃");
        Console.WriteLine($"気圧: {value.Pressure.Hectopascals:F1}hPa");
        Console.WriteLine($"湿度: {value.Humidity.Percent:F1}%");
        Console.WriteLine("");

        Thread.Sleep(1000);
    }
}

　I2C接続の設定手順は、前回同様です。I2C接続に用いるGPIOの設定後（1）、設定オブジェクトを生成して（2）、通信オブジェクトを生成します（3）。

　Bme680クラスのコンストラクタで、通信オブジェクトを指定して初期化します（4）。次に設定をいったんリセットして（5）、測定します（6）。すると1秒ごとに、次のように表示されます。

ガス: 303.22KΩ
気温: 30.1℃
気圧: 1014.5hPa
湿度: 41.0%

　なお、ガスの抵抗値は、正常に測定できない場合があるので（値が0）、その場合は、表示しないようにしています（7）。

　観測値の精度ですが、気温は手持ちの気温計と比べると1～2℃高めの値になるようです。湿度はやや低めの値になりました。（海面）気圧は、気象庁のアメダスと近しい値になっていました。

　ガス（抵抗）の値は、起動後しばらくは変動が激しく、10分ほど経ったところで部屋の中では300～400KΩ台の値になりました。消毒用アルコールやお酒、飲酒後の息などを吹きかけてみたところ、すぐに抵抗値が下がり100K以下になったので、簡易なアルコールチェッカーとして使えるかもしれません。