CO2センサ

混み具合や換気状態を監視する用途としても昨今、CO2センサが注目されています。

一般的なCO2の検出方式としてはNDIR(Non Dispersive Infrared)方式とMOX(Metal Oxide)方式の2種類があります。精度面ではNDIRの方がMOXよりも優れています。MOXは空気中の有機物を検出することで間接的にCO2を推定するため、直接CO2濃度を光学的に検出するNDIRに比べて精度では劣ります。一方でNDIRは光学機構を備えるため、コストがMOXに比べると高く、大きさも比較的大きくなります。一方、MOXは半導体素子として構成されるため、非常に小さく、コストも安い特徴があります。

今回はMOXのセンサを紹介します。MOXセンサとして有名なセンサは下記の通りです。

・Sensirion製　SGP30

・IDT製　ZMOD4410

・AMS製　CCS811　(生産終了)

AMS製は最近、生産終了のようでメーカのサイトからも情報が消えていました。Arduino等で簡単に使いたい場合はSGP30の方が情報が豊富でおすすめです。ただ、個体差なのか、値のドリフトが大きく少し不満がありました。最近、改良版のファームが発表され、さらに精度が上がったということでIDT製ZMOD4410を試してみました。

残念ながらZMOD4410のレジスタ情報が非公開であり、IDTのサイトからユーザー登録して取得する必要があります。また、CO2換算処理アルゴリズムについても非公開でバイナリファイルとして配布されているため、Arduino IDE等では使用できません。バイナリファイル（libファイルやaファイル）を組み込むことができる開発環境が必須です。今回はSTM32F303KとSW4STM32を使用しました。

試しの基板としてZMOD4410とHS3001を組み合わせた環境センサを作成してみました。温度、湿度、TVOC、CO2等を測定することが可能です。

実際に使用してみたところ、換気直後は400ppm以下(下限400ppmでそれ以下は測定できない)となり、夜部屋を閉め切った寝室では朝方にかけて800ppm以上となり、換気をすると400ppm以下に収まることが確認できました。以前の改良前のZMOD4410 - 1st GenではSGP30同様に値のドリフトが多少気になりましたが、ZMOD4410 - 2st Genでは学習にニューラルネットワークが適用された変換アルゴリズムでドリフトが低減したように感じました。

ZMOD4410はバイナリファイル（libファイルやaファイル）を組み込むことができる開発環境が必要で、データシートも公開されていません。さらに変換アルゴリズムライブラリのコードサイズやメモリ使用量が大きく、敷居が高いセンサです。今後はI2CでArduino等からも簡単に扱うことができるZMOD4410専用の変換基板も開発してみたいと思います。また、ZMOD4410、SGP30、NDIRとの同時計測で比較してみたいと思います。

lwipを用いたFTP Client

イーサネットIFを搭載したSTM32マイコンではCubeMXを用いてイーサネット通信が容易に行うことができます。NucleoボードやDiscoveryボードでは基板上にETHPHYのコントローラICを搭載しているものも多くあり、そのままイーサネット通信の実験を行うことが可能です。

今回はSTM32マイコンを用いてFTPサーバーにデータを格納する方法について紹介します。STM32マイコンがFTPクライアント、サーバーがIIS FTPサーバー@Windows10の環境で実験しました。また、STM32マイコンのイーサネット通信ライブラリとしてlwipを使用し、FTPクライアントはlwftpライブラリを使用しました。lwftpのサンプルコードではそのままでは動かない点や分かりづらい点があったのでそこを踏まえて紹介します。なお、lwftpライブラリはパッシブ通信のFTPクライアントのみサポートしています。

グローバル変数としてセッションを宣言します。

static lwftp_session_t s;

main関数内のメイン処理は下記の通りです。

必要に応じてFTPサーバーのIP、ログインID、ログインパスワードを変更してください。

 // Initialize session data
 memset(&s, 0, sizeof(s));
 IP4_ADDR(&s.server_ip, 192,168,6,3);
 s.server_port = 21;
 s.done_fn = ftp_connect_callback;
 s.user = "ftpuser";
 s.pass = "test";
 s.handle = &s;

 // Start the connection state machine
 error = lwftp_connect(&s);
 if ( error != LWFTP_RESULT_INPROGRESS ) {
  printf("lwftp_connect failed (%d)", error);
 }
 else{
  printf("FTP END \n\r");
 }

 while(1);

main関数の外のグローバル関数として下記のコールバック関数を宣言します。

//FTP通信完了に呼び出される

static void ftp_retr_callback(void *arg, int result)
{
 lwftp_session_t *s = (lwftp_session_t*)arg;

 if ( result != LWFTP_RESULT_OK ){
  LOG_ERROR("retr failed (%d)", result);
  return lwftp_close(s);
 }
 lwftp_close(s);
}

//未使用、FTPサーバからデータ受信で使用

static uint data_sink(void *arg, const char* ptr, uint len)
{
 static const uint mylen = 10;
 static char * const myconfig = (char*)0x20000000;
 static uint offset = 0;

 if (ptr) {
 len = min( len, mylen-offset );
 memcpy( myconfig+offset, ptr, len );
 offset += len;
 }
 return len;
}

static void ftp_stor_callback(void *arg, int result)
{
 lwftp_session_t *s = (lwftp_session_t*)arg;
 err_t error;

 if(s->control_state==LWFTP_DATAEND && result == LWFTP_RESULT_OK ){
  s->control_state=LWFTP_DATAEND;
  return lwftp_close(s);
 }

 if ( result != LWFTP_RESULT_OK && result != LWFTP_RESULT_INPROGRESS && result != LWFTP_RESULT_LOGGED ) {
  LOG_ERROR("stor failed (%d)", result);
  return lwftp_close(s);
 }

 if(s->control_state==LWFTP_CLOSED && result == LWFTP_RESULT_OK)return;

 if(result == LWFTP_RESULT_INPROGRESS)return;
 s->data_sink = data_sink;
 s->done_fn = ftp_retr_callback;
 s->remote_path = "new";
 error = lwftp_retrieve(s);
 if ( result != LWFTP_RESULT_OK && error != LWFTP_RESULT_INPROGRESS && result != LWFTP_RESULT_LOGGED ) {
 LOG_ERROR("lwftp_retrieve failed (%d)", error);
 }
}

//データ元の関数、今回はTEST_DATA:abcdefgの文字列を格納する

char test_data[]={"TEST_DATA:abcdefg"};

static uint data_source(void *arg, const char** pptr, uint maxlen)
{
 static const uint mylen = sizeof(test_data);;
 static const char * const mydata = (char*)&test_data;
 static uint offset = 0;
 uint len = 0;

 if (pptr) {
  len = mylen - offset;
  if ( len > maxlen ) len = maxlen;
  *pptr = mydata + offset;
 }

else {
 offset += maxlen;
 if ( offset > mylen ) offset = mylen;
 }
 return len;
}

//FTP通信接続成功で呼び出される

//logfile.txtというファイル名でFTPサーバーに格納する

static void ftp_connect_callback(void *arg, int result)
{
 lwftp_session_t *s = (lwftp_session_t*)arg;
 err_t error;

 if( result == LWFTP_RESULT_INPROGRESS ){
  return;
 }

 if ( result != LWFTP_RESULT_LOGGED ) {
  LOG_ERROR("login failed (%d)", result);
  return lwftp_close(s);
 }

 s->data_source = data_source;
 s->done_fn = ftp_stor_callback;
 s->remote_path = "logfile.txt";
 error = lwftp_store(s);
 if ( error != LWFTP_RESULT_INPROGRESS ) {
  LOG_ERROR("lwftp_store failed (%d)", error);
 }
}

lwipはコールバック関数で接続や受信などのイベント発生毎に関数が呼び出される構造となっており、lwftpについても同様にイベント毎に関数が実行されます。サンプルコードでは各コールバック関数内のcontrol_state状態に応じた分岐処理がうまくいかず、FTPサーバーに格納できませんでした。Wiresharkで動作を確認しながら、control_stateの分岐条件を追加することでFTPサーバーにデータを格納できるようになりました。lwftpを用いてちょっとしたデータロガーとして応用できそうです。

iCE40HX8K RISC-V導入

今更な感じもしますが、命令セットアーキテクチャ (ISA)がオープンとなっている RISC-Vを試食してみました。ターゲットはiCE40-HX8Kを用いて、こちらのサイトの手順を参考に試食してみました。

手順についてはサイトに詳細に書かれているため省略しますが、hx8kdemoを実装した際のビルド結果を下記に記します。

=== hx8kdemo ===

Number of wires: 4536
Number of wire bits: 9050
Number of public wires: 4536
Number of public wire bits: 9050
Number of memories: 0
Number of memory bits: 0
Number of processes: 0
Number of cells: 7053
SB_CARRY 961
SB_DFF 175
SB_DFFE 651
SB_DFFESR 538
SB_DFFESS 58
SB_DFFNSR 4
SB_DFFSR 216
SB_DFFSS 6
SB_IO 4
SB_LUT4 4434
SB_RAM40_4K 6

サンプルコードでは約7000セル、LUTは約4500個の使用率でした。

iCE40-HX8KのUart機能を使用してTeratermから動作確認ができました。picorv32/picosoc内のfirmware.cがデモのソースコードとなっています。

ファームのみのビルドする場合は下記のコマンドでビルドできます。

make hx8kdemo_fw.elf

ファームのみの書き込みする場合は下記のコマンドで書き込みできます。

sudo make hx8kprog_fw

iCE40-HX8Kで試食する前にMACHXO3でRISC-Vの実装を検討しましたが、そのままではRAM容量やクロックが確保できず諦めていました。海外等では工夫してMACHXO3でRISC-Vを実装した例がありましたが、コードが公開されていませんでした。最近、MACHXO3の新シリーズのMACHXO3DでLatticeが公式にRISC-VのIP Coreを公開されました。3.3Vで駆動可能なMACHXO3はiCE40-HX8Kよりも魅力が大きいため、今後、MACHXO3Dの評価ボードで試食してみたいと思います。

ライブラリ追加方法

今回はEclipseベースの開発環境(SW4STM32、STM32CubeIDEなど)でリンカライブラリ(*.lib)ファイルや静的ライブラリ(*.a)ファイル等のライブラリを追加する方法について紹介します。

すべてのコードが公開されている場合はリンカライブラリ(*.lib)ファイルや静的ライブラリ(*.a)ファイル等を読み込む必要はありませんが、コードが公開されていない場合にメーカ等からリンカライブラリ(*.lib)ファイルや静的ライブラリ(*.a)ファイル等のみ提供される場合があります。このような場合にライブラリを追加してリンカ生成時にユーザー側のコード内の関数と結合させてバイナリファイルを生成します。

�@ライブラリ配置

　今回はプロジェクトフォルダの直下にライブラリファイルを置きます。

�Aライブラリ追加設定

　プロジェクトファイルのプロパティを開き(Alt+Enter)、「C/C++Build」の「Settings」、「Tool Settings」「MCU GCC Linker」内のLibrariesから追加します。

　まず、「Library search path」の設定を下記のように設定し、プロジェクトフォルダ直下を見に行く設定にします。

"${workspace_loc:/${ProjName}}"

　また、追加したライブラリを「Libraries」に追加します。ここでポイントは*.aファイルの場合はライブラリ名の前に「:」を追加する点して拡張子を合わせたフルネームで追加します。一方、*.libファイルの場合は「:」を除いて、ファイル名のみを追加します。

:***.a　　←*.aファイルの場合

***          ←*.libファイルの場合

�Bヘッダファイル追加

　ライブラリファイル内の関数を定義しているヘッダファイルを必要に応じて追加します。プロジェクトフォルダ内のIncフォルダに追加します。

�Cその他

　ライブラリファイルが特定のArmコアに依存している場合、下記のようなビルドエラーが発生する場合があります。下記のエラーの場合はライブラリファイルがFPUなしのMPUをターゲットにしているため、FPU有のMPUでビルドしようとして発生するエラーです。このような場合はライブラリをFPU対応に書き換えることは難しいため、FPUなしとしてビルドします。

/bin/ld.exe: error: *.elf uses VFP register arguments *.o does not

/bin/ld.exe: failed to merge target specific data of file *.o

　プロジェクトファイルのプロパティを開き(Alt+Enter)、「C/C++Build」の「Settings」、「MPU Settings」内の「Floating-point ABI」を「hard」から「soft」に切り替えます。

メーカからすべてのコードや情報が公開されている状態が理想的ですが、様々な制約で公開されていない場合はこのような方法で組み込むことができます。