AHT20 + BMP280 — цифровая метеостанция

AHT20 + BMP280 — цифровая метеостанция на I2C

Два независимых датчика на одной шине I2C, на одной плате-модуле:

Каждый датчик — отдельный класс-драйвер, их можно использовать независимо друг от друга в других проектах.

Файлы компонента

Про сборку/прошивку/монитор через PlatformIO CLI — см. корневой README, команды одинаковы для всех компонентов репозитория.

API драйверов

Оба драйвера следуют одному и тому же паттерну:

Aht20Driver aht20(Wire);           // Dependency Injection: шина I2C передаётся в конструктор
Bmp280Driver bmp280(Wire);

aht20.begin(I2C_SDA, I2C_SCL);     // true, если датчик отозвался на шине
bmp280.begin(I2C_SDA, I2C_SCL);

aht20.update();                    // опросить датчик, вернёт true при успехе
const Aht20Driver::Data &d = aht20.getData();   // d.temperatureC, d.humidityPercent

aht20.isAlive();                   // false, если давно не было успешного обмена (обрыв шины/датчика)

Bmp280Driver::Data дополнительно содержит pressurePa (давление в Паскалях, СИ) и altitudeM (оценочная высота, м — по барометрической формуле, требует корректного setSeaLevelPressureHpa()). Разбор физики и формул — в THEORY.md.

Почему два класса, а не один

AHT20 и BMP280 — разные чипы с разными датащитами и разными адресами I2C, которые просто физически напаяны на одну плату. Разделение на Aht20Driver/Bmp280Driver позволяет использовать любой из них отдельно (например, только BMP280 в проекте высотомера) без притаскивания второго. src/main.cpp — единственное место, где они используются вместе.

Теория: как работают AHT20 и BMP280

1. AHT20 — влажность и температура

AHT20 — это две отдельные измерительные схемы под одним корпусом:

• Влажность измеряется ёмкостным сенсором: между двумя электродами находится полимерная плёнка, которая впитывает водяной пар из воздуха. Чем больше влаги впитала плёнка, тем выше её диэлектрическая проницаемость — а значит, выше ёмкость конденсатора, который эта плёнка образует. Электроника чипа измеряет эту ёмкость и переводит её в проценты относительной влажности (%RH — сколько водяного пара в воздухе относительно максимума, который воздух может удержать при этой температуре).
• Температура измеряется отдельным полупроводниковым датчиком внутри того же корпуса.

Оба значения приходят уже откалиброванными с завода — драйверу не нужно ничего компенсировать самому, за это отвечает Adafruit_AHTX0 внутри Aht20Driver::update().

Характеристики (Aosong AHT20 datasheet V1.0, Table 1–2, стр.2):

Время отклика — около 8 секунд на 63% полного отклика для влажности (датчик “думает” не мгновенно, воде нужно время впитаться в плёнку). Именно поэтому в src/main.cpp:7 стенд опрашивает датчики раз в 2 секунды, а не постоянно — более частый опрос не даст более свежих данных.

2. BMP280 — давление, температура, высота

BMP280 меряет давление пьезорезистивным элементом: тонкая кремниевая мембрана прогибается под давлением воздуха, а электроника чипа переводит этот прогиб в цифровое значение через 12 калибровочных коэффициентов, зашитых в чип на заводе (см. BMP280_REGISTER_DIG_* в Adafruit_BMP280 — тот самый смысл фразы “компенсация” в даташите).

Характеристики (Bosch BMP280 datasheet DS001, rev.1.26, Table 2, стр.7):

Важно не путать эти две точности: ±1 гПа — это на сколько показание датчика может отличаться от истинного давления. А ±0.12 гПа — это на сколько может “дрожать” разница между двумя последовательными измерениями одного и того же датчика при постоянном давлении. Для задачи “заметить, что человек поднялся на этаж” важна вторая цифра, а не первая — драйверу не нужна абсолютная точность, важна стабильность.

Расчёт высоты

Чем выше над уровнем моря, тем разреженнее воздух и тем ниже давление. Зависимость приближённо описывается барометрической формулой; в Bmp280Driver::update() (src/Bmp280Driver.cpp) она вызывается через Adafruit_BMP280::readAltitude(seaLevelhPa). Чтобы формула дала верную высоту, ей нужно знать текущее давление на уровне моря (QNH) — это метеорологическая величина, которая меняется день ото дня. Без актуального QNH высота будет посчитана относительно “средней” атмосферы (1013.25 гПа — значение по умолчанию в Bmp280Driver.h:60), и ошибка может достигать десятков метров. Задать реальное QNH можно через setSeaLevelPressureHpa().

3. Почему два датчика уживаются на одной шине I2C

I2C — это шина, где на двух проводах (SDA — данные, SCL — тактовый сигнал) может сидеть много устройств одновременно. Ведущий (ESP32) обращается к конкретному устройству по его адресу — как по номеру квартиры на одной лестничной клетке. Пока адреса разные, устройства не мешают друг другу:

• AHT20 всегда отвечает на 0x38 (адрес зашит в чип, не настраивается — Aosong AHT20 datasheet V1.0, п.7.3, стр.12).
• BMP280 отвечает на 0x76 или 0x77 в зависимости от того, куда на плате подключен вывод SDO (Bosch BMP280 datasheet DS001, rev.1.26, разд. 5.2). На большинстве готовых модулей SDO подтянут к VDD, поэтому используется 0x77 — это же значение стоит по умолчанию в Bmp280Driver.h:21,27.

4. Единицы измерения давления в этом компоненте

Оба датчика Bosch (и библиотека Adafruit) работают в паскалях (Па) — это единица СИ, поэтому Bmp280Driver::Data::pressurePa хранит именно паскали (Bmp280Driver.h:14). В российской школьной традиции атмосферное давление принято мерить в мм рт.ст., поэтому тестовый стенд переводит паскали в мм рт.ст. только для вывода на экран — см. PA_TO_MMHG в src/main.cpp:10. Коэффициент 133.322 — это физическое определение единицы “миллиметр ртутного столба” (вес столбика ртути высотой 1 мм при стандартном g), а не что-то специфичное для датчика.

Схема подключения AHT20 + BMP280

Оба датчика сидят на одной и той же паре проводов SDA/SCL — они различаются не пинами, а адресами I2C (подробнее — THEORY.md, раздел 3). Пины по умолчанию в src/main.cpp: I2C_SDA = 21, I2C_SCL = 22.

1. Схема для ESP32 (I2C)

       ┌─────────────────┐
       │     ESP32       │
       │                 │
       │            3V3  ├───────┬───────┐
       │                 │       │       │
       │            GND  ├───────┼───┐   │
       │                 │       │   │   │
       │          GPIO21 ├───────┼───┼───┤ SDA
       │ (SDA)           │       │   │   │
       │          GPIO22 ├───────┼───┼───┤ SCL
       │ (SCL)           │       │   │   │
       └─────────────────┘       │   │   │
                                 │   │   │
                         ┌───────┴───┴───┴───────┐
                         │    AHT20 + BMP280     │
                         │        Module         │
                         │                       │
                         │  VIN  GND  SCL  SDA   │
                         └───────────────────────┘

2. Параметры подключения

• Питание: 3.3V (VIN модуля обычно имеет стабилизатор, но рекомендуется 3.3V).
• Шина I2C: Требует подтягивающих резисторов (обычно 4.7 кОм - 10 кОм), на большинстве модулей они уже установлены.
• Пины ESP32:
  • SDA: GPIO 21
  • SCL: GPIO 22

3. Рекомендации

• Используйте короткие провода для I2C (до 30-50 см).
• При использовании длинных проводов рекомендуется снизить скорость шины до 100 кГц.

Методический план урока: метеостанция, шина I2C и цена точности

Паспорт урока

Образовательные цели

По итогам урока ученик умеет:

Чего на этом уроке делать НЕ надо. Не разбирать временны́е диаграммы I2C (старт-условие, ACK, тактирование) и не выводить барометрическую формулу. Первое — материал курса схемотехники, второе — физики старших классов. Урок держится на двух открытиях: много устройств на двух проводах и точность бывает разная.

Что должно быть готово заранее

• Модуль подключён и проверен: оба датчика отвечают, значения идут
• Записано текущее QNH (давление на уровне моря) по метеосводке
• Известна высота этажа здания — для проверки эксперимента
• Подготовлен скетч-сканер I2C (или готов вывод begin() обоих драйверов)
• Стакан тёплой воды или влажная тряпка — для демонстрации отклика влажности
• Проверено: SDA и SCL не перепутаны

Полезный реквизит. Влажная тряпка или дыхание на датчик даёт мгновенно видимую реакцию влажности. Это превращает абстрактные проценты в наблюдаемое явление и обычно вызывает больше интереса, чем любые слайды.

Сценарий занятия (45 минут)

Ключевой методический принцип — противоречие в начале. Два датчика, четыре провода, из них два — питание. Ребёнок видит несоответствие раньше, чем услышит слово «шина». Объяснение приходит как разрешение загадки, а не как новая тема.

Блок 1. Завязка (0–6 мин)

Показать модуль, не объясняя.

«Здесь два разных датчика: один меряет влажность, другой давление. Сколько проводов нужно, чтобы подключить два прибора?»

Обычный ответ — четыре или больше. Показать реальное подключение: четыре провода всего, из них два — питание и земля. На данные остаётся два.

«Два провода на два прибора. Как они не путаются? И что будет, если я добавлю третий датчик — понадобится ещё два провода?»

Ответ «нет, те же два» удивляет и держит внимание весь следующий блок.

Блок 2. Шина и адреса (6–14 мин)

Модель «лестничная клетка»

«Представьте подъезд: одна лестница ведёт ко всем квартирам. Почтальон не строит отдельную лестницу к каждой двери — он поднимается по общей и называет номер квартиры. Отзывается только нужная.»

Записать соответствие:

Находим адреса на практике

Запустить сканер шины. На экране появятся 0x38 и 0x77.

«0x38 — это AHT20, влажность. 0x77 — BMP280, давление. Числа шестнадцатеричные, но сейчас важно не это, а то, что они разные.»

Главный вопрос блока:

«А если поставить два одинаковых датчика влажности? У них же один и тот же адрес.»

Довести до вывода: будет конфликт — как две квартиры с одним номером. Именно поэтому у BMP280 адрес переключаемый (0x76 или 0x77, вывод SDO на плате), а у AHT20 — жёстко зашит, и два таких на одной шине не уживутся.

Это настоящая инженерная проблема, а не учебная условность — материал THEORY.md, раздел 3.

Блок 3. Как они меряют (14–22 мин)

3.1. Базовый уровень (13–14 лет)

Влажность — через впитывание.

Внутри плёнка, которая впитывает воду из воздуха. Чем больше впитала — тем сильнее меняются её электрические свойства. Датчик меряет это изменение.

Сразу демонстрация: подышать на датчик. Влажность подскакивает. Убрать — медленно возвращается.

Давление — через прогиб.

Тонкая кремниевая мембрана прогибается под весом воздуха, как натянутая плёнка на барабане. Чем сильнее давит — тем больше прогиб.

3.2. Углублённый уровень (15–16 лет)

Добавить важное наблюдение из демонстрации:

«Заметили, что влажность растёт быстро, а падает медленно? Почему?»

Довести до времени отклика: около 8 секунд на 63% изменения — воде нужно время впитаться и испариться. Отсюда следствие, которое стоит подчеркнуть:

В коде датчики опрашиваются раз в 2 секунды, а не постоянно. Опрашивать чаще бессмысленно — датчик физически не успевает измениться. Частый опрос даст те же числа, только нагрузит процессор.

Это важный инженерный принцип: частота опроса определяется физикой явления, а не возможностями процессора.

Блок 4. Точность: главный сюжет урока (22–32 мин)

Поставить задачу и дать подумать:

«Можно ли по датчику давления понять, что вы поднялись на один этаж?»

Дать высказаться, затем выложить два числа из даташита (THEORY.md, раздел 2):

Один этаж — примерно 3 метра, это около 0,36 гПа разницы давления.

«Сравните с обеими цифрами. По какой из них этаж заметен?»

Вывод, к которому нужно прийти:

• По абсолютной (±1 гПа) — не заметен, разница тонет в погрешности.
• По относительной (±0,12 гПа) — заметен уверенно, втрое больше дрожания.

Почему это важнее, чем кажется. Датчик может «врать» на 1 гПа постоянно — но врать одинаково. Для задачи «изменилось ли?» систематическая ошибка не мешает: она вычитается сама. Для задачи «сколько именно?» — мешает.

Это одна из самых переносимых идей курса: правильная характеристика прибора зависит от вопроса, который вы задаёте. Стоит проговорить явно.

Если есть второй урок — эксперимент

Спуститься с модулем на этаж ниже, записать давление, подняться, записать снова. Посчитать разницу и сравнить с расчётом. Обычно сходится — и производит сильное впечатление.

Блок 5. Практика по уровням (32–40 мин)

Уровень A (базовый)

1. Записать показания всех четырёх величин (температура ×2, влажность, давление).
2. Подышать на датчик и описать, как меняются показания и как быстро.
3. Объяснить, почему температура выводится дважды и почему значения слегка разные.

Уровень B (средний)

4. Перевести давление из паскалей в мм рт. ст. вручную и сверить с выводом программы. Коэффициент и его смысл — THEORY.md, раздел 4.
5. Измерить время отклика влажности: подышать и засечь, за сколько секунд значение вырастет и вернётся. Сравнить с 8 секундами из даташита.
6. Задать реальное QNH через setSeaLevelPressureHpa() по метеосводке и сравнить вычисленную высоту с фактической высотой школы.

Уровень C (продвинутый)

7. Оценить, можно ли этим датчиком отличить открытое окно от закрытого. Спланировать опыт, провести, сделать вывод.
8. Объяснить письменно, почему два датчика температуры на одной плате показывают разные значения, и какое из них считать верным.
9. Предложить алгоритм «детектор подъёма по лестнице»: какие показания брать, как часто, какой порог выбрать, чтобы не срабатывать на погоду. Подсказка: погода меняет давление медленно, лестница — быстро.

Ответы на вопросы, которые прозвучат

«Почему температура с двух датчиков разная?» Они в разных корпусах, греются по-разному, и каждый имеет свою погрешность (±0,3 °C у AHT20, до ±1 °C у BMP280). Разница в полградуса — норма. Более точным для воздуха считается AHT20.

«Датчик показывает 750 мм, а по радио говорят 745. Кто врёт?» Никто. Метеослужба приводит давление к уровню моря (QNH), а датчик меряет здесь, на вашей высоте. Разница и есть ваша высота над морем.

«Влажность 40% — это много или мало?» Относительная влажность показывает долю от максимума, который воздух держит при этой температуре. Тёплый воздух держит больше. Поэтому 40% летом и зимой — разное количество воды. Комфортным для человека считается 40–60%.

«Можно повесить десять датчиков на эти два провода?» Да, пока адреса разные и провода не слишком длинные. У I2C есть предел по ёмкости линии — на длинных проводах связь рассыпается. Для стола это не проблема.

«Зачем в коде isAlive(), если датчик вот он?» Провод может отойти во время работы. Без проверки программа продолжит показывать последние прочитанные значения, и никто не заметит, что они устарели. Молчаливый отказ хуже явного.

Итог урока: что записать в журнал

1. На шине I2C много устройств живут на двух проводах, различаясь адресами.
2. Частота опроса определяется физикой датчика, а не желанием программиста.
3. Абсолютная точность и относительная — разные вещи; какая важнее, решает задача.

Проверка понимания (экспресс, 2 минуты)

Типичные затруднения

Домашнее задание

Обязательная часть: записать показания домашнего термометра или гигрометра утром и вечером. Объяснить, почему влажность в квартире зимой обычно ниже, чем летом.

Уровень A: найти, какое давление считается нормальным для вашего города, и сравнить с показаниями датчика на уроке.

Уровень B: выяснить, на какой высоте над уровнем моря находится ваш город, и посчитать, какое давление там должно быть по барометрической формуле. Сравнить с измеренным.

Уровень C: прочитать раздел 2 THEORY.md и письменно объяснить, почему для альпиниста важна абсолютная точность, а для шагомера-высотомера в телефоне — относительная.

Связь с курсом

Урок вводит шину I2C, на которой дальше работает большинство датчиков курса. Стоит проговорить: с этого момента подключение нового датчика почти не требует новых проводов — только новый адрес.

Чек-лист педагога перед уроком

• Оба датчика отвечают, адреса 0x38 и 0x77 видны сканером
• Текущее QNH записано на доске
• Высота этажа и высота школы над уровнем моря известны
• Влажная тряпка или стакан воды под рукой
• Расчёт «этаж = 0,36 гПа» подготовлен заранее
• Карточки заданий A / B / C распечатаны

Презентация: AHT20 + BMP280 — метеостанция на I2C

Слайд 1: Цель проекта

Собрать компактный модуль для измерения параметров воздуха: температуры, влажности, атмосферного давления и оценочной высоты над уровнем моря — двумя независимыми цифровыми датчиками на одной шине I2C.

Слайд 2: Используемые компоненты

• ESP32 — читает оба датчика по I2C и выводит показания в Serial.
• AHT20 — цифровой датчик влажности и температуры (Aosong).
• BMP280 — цифровой датчик давления и температуры (Bosch Sensortec).

Слайд 3: Один физический модуль — два независимых датчика

1. Экономия пинов: оба датчика используют одни и те же 2 линии (SDA/SCL), различаются только адресом на шине (0x38 и 0x76/0x77).
2. Независимость: каждый датчик — отдельный класс-драйвер (Aht20Driver, Bmp280Driver), который можно взять и использовать в другом проекте без второго.
3. Два источника температуры: оба чипа измеряют температуру независимо — расхождение между ними полезно как быстрая проверка на неисправность одного из датчиков.

Слайд 4: Программная архитектура

• Один класс-драйвер на чип, с общим для репозитория API: begin() / update() / getData() / isAlive().
• isAlive() — вотчдог связи: если датчик перестал отвечать (обрыв провода, отвалившийся модуль), это сразу видно в диагностике, а не тихо зависает в старых данных.
• src/main.cpp — тестовый стенд: опрашивает оба датчика раз в 2 секунды и печатает показания и статус связи в Serial.

Слайд 5: Результаты

• Стабильное чтение обоих датчиков на одной шине I2C.
• Расчёт высоты по барометрической формуле (с оговоркой про давление на уровне моря — см. THEORY.md).
• Собирается под esp32dev и esp32s3; esp32c6 упирается в известный баг Arduino-ядра с макросом Serial/USBSerial, см. COMPONENT_STANDARD.md.