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使用 Node Js 讀取 DHT11 溫溼度感測器

· 6 min read
Ivan Tsai
Backend engineer

前言

剛入門單晶片時,讀取溫度感測器是很多新手第一個實作目標,網路上也有很多 Library 可以直接使用。也因為如此,我一直沒弄清楚單晶片和感測器是如何溝通的,這幾天剛好想使用 Node Js 來接,稱這個機會好好了解通訊原理吧!

基本資訊

會挑選 DHT11 來深入研究是因為他是個很多人在使用的模組,規格書也相對完整許多,很適合新手閱讀 XD,這篇文章會以 這份 規格書來講解。

dht11 design

圖片來自 http://www.micropik.com/PDF/dht11.pdf

DHT11 的 1、4 號角位分別接上 VDD 和接地,2 號腳位是和 MCU 通訊用的雙向傳輸通道,3 號角位是沒有用處的。

資料格式

一次的資料傳輸會有 40bit 的資料,依照順序分別代表:

description of each bit

這個範例代表的是 濕度 00110101 = 53 % 溫度 00011000 = 24 度 C 檢查碼是用來確定傳輸資料正確性的,他應該要等於前面資料相加取後 8bit,例如上面範例 00110101 + 00011000 = 01001101 (符合)

tip

當檢查碼不符合時,我們應該放棄本次傳輸的資料,再要求一次

要求資料

DHT11 沒事不會一直送資料,所以只接受腳位的輸入是沒辦法拿資料的,我們必須傳送一個 起始訊號 給 DHT11,當他接受到訊號時,便會由低功耗模式轉為運作模式,訊號結束後就會回應資料給 MCU,整個傳輸流程如下

trasation flow

最前面的訊號事就是起始訊號,是由 MCU 發出的,將原本的高電位拉低大約 18 ms 後回到高電位,接著把控制權交給 DHT11,使用 RPIO 程式可以這麼寫:

// 輸出模式
rpio.open(pin, rpio.OUTPUT);
先回復成高電位;
rpio.write(pin, rpio.HIGH);
rpio.msleep(500);
// 拉低
rpio.write(pin, rpio.LOW);
// 經過特定時間 (這裡應該要是 18ms,但 JS 實際會有延遲,得時測之後才在修改這個值)
rpio.msleep(2);
// 回復成高電位
rpio.write(pin, rpio.HIGH);
// MCU 轉為輸入模式,接聽 DHT11 的回應
rpio.mode(pin, rpio.INPUT);

到這裡我們就完成起始訊號的發送了,接下來是接受回應訊號和資料的部分,為了避免 JS 延遲,會使用 readBuf 這個方法來取代由 JS 不斷的讀取資料。

const buf = new Buffer(100000);
rpio.readbuf(pin, buf);
tip

Buffer 大小只需要能完整接受接下來的訊號就好

解析回應

Buffer 拿到的結果長這個樣子

whole signal

中間的部分就是資料的回應,由於每次讀取的速度都不太一樣,所以我的 Buffer 取得比較大一些。把中間部分訊號放大來看的話

middle part of signal

前後為起始、結束訊號,中間資料部分每個拉底拉高為一個 bit,低電位的時間都為 50 us,高電位時間 26us 代表 bit 0,70 us 代表 bit 1,如下面這張圖

signal analyst

試著把所有訊號分割來看

signal decode

得到 00101110 = 46 (濕度) 00000000 00011001 = 25 (溫度) 00000000 01000111 = 71 (檢查 46 + 25 = 71) 我們雖然不能確定訊號持續多久,但能利用訊號取樣的長度來做簡單的判斷,當高電位長度大於低電位時為 1 ,反之則為 0。

let last = 1;
let count = 0;
let start = 3; // 略過前三個變化
let data = [];
for (let b of buf) {
if (last === b) {
count++;
} else {
if (start > 0) {
start--;
} else {
data.push({
level: last,
len: count,
});
}
last = b;
count = 0;
}
}
if (data.length > 80) {
let trea = data[0].len;
let hi = "";
for (let i = 0; i < 8; i++) {
hi += data[2 * i + 1].len > trea ? "1" : "0";
}
let hd = "";
for (let i = 8; i < 16; i++) {
hd += data[2 * i + 1].len > trea ? "1" : "0";
}
let ti = "";
for (let i = 16; i < 24; i++) {
ti += data[2 * i + 1].len > trea ? "1" : "0";
}
let td = "";
for (let i = 24; i < 32; i++) {
td += data[2 * i + 1].len > trea ? "1" : "0";
}
let ck = "";
for (let i = 32; i < 40; i++) {
ck += data[2 * i + 1].len > trea ? "1" : "0";
}

const deg = parseInt(ti, 2); // 溫度整數
const hum = parseInt(hi, 2); // 濕度整數
const degdot = parseInt(td, 2); // 溫度小數
const humdot = parseInt(hd, 2); // 濕度小數

const check = parseInt(ck, 2);
if (deg + hum + degdot + humdot === check) {
}
}

到這裡就可以取得 DHT11 的溫溼度囉,有任何問題歡迎聯絡我!

參考資料