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5.5 KiB
C++
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/**
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* @file SensorDriver.cpp
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* @brief UART 空气质量传感器驱动实现。
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* 使用 ESP-IDF UART 驱动接收传感器主动推送的 9 字节数据帧，
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* 解析 TVOC / CH₂O / CO₂ 三项空气质量指标。
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*/
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#include "SensorDriver.h"
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#include <cstring>
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#include "driver/uart.h"
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#include "esp_log.h"
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static const char *TAG = "SensorDriver";
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/// 使用 UART1（UART0 被 ESP32 系统日志占用）
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static constexpr uart_port_t kUartPort = UART_NUM_1;
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/// UART 接收缓冲区大小（字节），足以容纳多帧数据
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static constexpr int kBufSize = 256;
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/// 传感器数据引脚定义（与硬件接线对应）
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static constexpr int kRxPin = 0; ///< GPIO0 接传感器 B(TXD)
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static constexpr int kTxPin = 1; ///< GPIO1 接传感器 A(RXD)
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SensorDriver::SensorDriver() {}
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SensorDriver::~SensorDriver() {}
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// 初始化 UART1：9600bps, 8N1
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// --------------------------------------------------------------------------
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void SensorDriver::init() {
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ESP_LOGI(TAG, "初始化 UART1 (RX=GPIO%d, TX=GPIO%d, 9600bps)", kRxPin, kTxPin);
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uart_config_t uartConfig = {};
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uartConfig.baud_rate = 9600;
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uartConfig.data_bits = UART_DATA_8_BITS;
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uartConfig.parity = UART_PARITY_DISABLE;
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uartConfig.stop_bits = UART_STOP_BITS_1;
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uartConfig.flow_ctrl = UART_HW_FLOWCTRL_DISABLE;
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uartConfig.source_clk = UART_SCLK_DEFAULT;
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// 安装 UART 驱动并配置引脚
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ESP_ERROR_CHECK(uart_driver_install(kUartPort, kBufSize * 2, 0, 0, nullptr, 0));
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ESP_ERROR_CHECK(uart_param_config(kUartPort, &uartConfig));
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ESP_ERROR_CHECK(uart_set_pin(kUartPort, kTxPin, kRxPin,
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UART_PIN_NO_CHANGE, UART_PIN_NO_CHANGE));
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ESP_LOGI(TAG, "UART1 初始化完成");
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}
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// 高低字节换算为浓度：(high * 256 + low) * 0.001 mg/m³
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float SensorDriver::toConcentration(uint8_t high, uint8_t low) const {
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return static_cast<float>(high * 256 + low) * 0.001f;
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}
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// 从 UART 缓冲区读取一帧数据并解析
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//
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// 读取策略：
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// 1. 先清空 UART 接收缓冲区中的旧数据
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// 2. 等待传感器推送新的一帧数据（短轮询，避免长时间阻塞）
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// 3. 读取实际可用的字节数（而非请求固定大小导致阻塞）
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// 4. 从后向前搜索最新的完整帧 → 校验和 → 解析浓度
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SensorReading SensorDriver::read(int timeoutMs) {
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// 默认返回全 NAN（表示读取失败）
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SensorReading result = { NAN, NAN, NAN };
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// 清空 UART 缓冲区中的旧数据，确保后续读到的是最新帧
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uart_flush_input(kUartPort);
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// 等待传感器新数据到达（轮询方式，每 100ms 检查一次）
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// 传感器通常每 1~2 秒推送一帧，所以最多等 timeoutMs 即可
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int waitedMs = 0;
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size_t available = 0;
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while (waitedMs < timeoutMs) {
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uart_get_buffered_data_len(kUartPort, &available);
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if (available >= static_cast<size_t>(kFrameSize)) {
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// 缓冲区中已有至少一帧数据，可以读取
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break;
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}
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vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(100)); // 短暂休眠，释放 CPU
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waitedMs += 100;
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}
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if (available < static_cast<size_t>(kFrameSize)) {
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ESP_LOGW(TAG, "UART 等待 %dms 超时，未收到足够数据（仅 %d 字节）",
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timeoutMs, static_cast<int>(available));
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return result;
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}
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// 只读取实际可用的字节数（不超过缓冲区上限），避免阻塞
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int toRead = (available > static_cast<size_t>(kBufSize))
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? kBufSize
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: static_cast<int>(available);
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uint8_t buf[kBufSize];
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int len = uart_read_bytes(kUartPort, buf, toRead, pdMS_TO_TICKS(100));
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if (len <= 0) {
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ESP_LOGW(TAG, "UART 读取返回 %d，无有效数据", len);
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return result;
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}
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ESP_LOGI(TAG, "UART 收到 %d 字节", len);
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// 在缓冲区中从后向前搜索最后一个完整帧（取最新数据）
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int frameStart = -1;
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for (int i = len - kFrameSize; i >= 0; i--) {
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if (buf[i] == kHeaderB1 && buf[i + 1] == kHeaderB2) {
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frameStart = i;
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break;
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}
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}
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if (frameStart < 0) {
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ESP_LOGW(TAG, "未找到有效帧头 (0x2C 0xE4)");
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return result;
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}
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// 提取 9 字节帧
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uint8_t *frame = &buf[frameStart];
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// 校验和验证：uint8(B1 + B2 + ... + B8) == B9
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uint8_t checksum = 0;
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for (int i = 0; i < kFrameSize - 1; i++) {
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checksum += frame[i];
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}
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if (checksum != frame[kFrameSize - 1]) {
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ESP_LOGW(TAG, "校验和失败: 计算值=0x%02X, 接收值=0x%02X",
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checksum, frame[kFrameSize - 1]);
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return result;
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}
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// 解析各项浓度值
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// TVOC 和 CH₂O 用 ×0.001 换算为 mg/m³
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result.tvoc = toConcentration(frame[2], frame[3]);
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result.ch2o = toConcentration(frame[4], frame[5]);
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// CO₂ 直接用原始值（高×256+低）作为 ppm，不需要 ×0.001
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result.co2 = static_cast<float>(frame[6] * 256 + frame[7]);
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ESP_LOGI(TAG, "解析成功: TVOC=%.3f mg/m³, CH2O=%.3f mg/m³, CO2=%.0f ppm",
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result.tvoc, result.ch2o, result.co2);
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return result;
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}
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