อ่านอุณหภูมิ ความชื้น ความกดอากาศ จาก BME280 ผ่าน I2C ด้วย ESP32

BME280 เป็นเซนเซอร์ตัวเล็กที่วัดได้สามอย่าง อุณหภูมิ ความชื้นสัมพัทธ์ และความกดอากาศ คุยกับไมโครคอนโทรลเลอร์ผ่าน I2C ที่ใช้สายข้อมูลแค่สองเส้น เป็นเซนเซอร์ตัวแรกที่เหมาะมาก เพราะได้เรียนเรื่องสายสื่อสาร ไลบรารี และปัญหาจริงอย่างความร้อนจากบอร์ดในคราวเดียว

ตัวอย่างใช้ ESP32 DevKit (ESP32-WROOM-32) กับ Arduino IDE 2 และโมดูล BME280 แบบบอร์ดเล็กที่ขายทั่วไป ต่อจากบทที่แล้วที่เรื่อง GPIO

I2C ทำงานยังไง

I2C ใช้สายสองเส้น SDA ส่งข้อมูล และ SCL ส่งจังหวะ (clock) ESP32 เป็นฝ่ายควบคุม อุปกรณ์ทุกตัวต่อขนานกันบนสายคู่เดียว แต่ละตัวมีหมายเลขประจำตัวเรียกว่า address ESP32 เรียกหา address ไหน ตัวนั้นตอบ

สาย I2C ต้องมี ตัวต้านทาน pull-up ดึงสายขึ้นไปที่ไฟเลี้ยง เพราะอุปกรณ์ทำได้แค่ดึงสายลง โมดูลสำเร็จรูปส่วนใหญ่มี pull-up ติดมาบนบอร์ดแล้ว ปกติจึงไม่ต้องเพิ่ม

ต่อสาย

ขาโมดูล BME280	ต่อกับ ESP32
VIN (หรือ VCC)	3V3
GND	GND
SCL	GPIO22
SDA	GPIO21

GPIO21 และ GPIO22 เป็นขา I2C ค่าเริ่มต้นของ ESP32 รุ่นดั้งเดิมใน Arduino core ถ้าใช้ ESP32-S3 หรือ C3 ขาค่าเริ่มต้นต่างออกไป ให้ดู pinout ของบอร์ดนั้น

เรื่องไฟเลี้ยง: โมดูลบางแบบมีตัวควบคุมแรงดันในตัว รับ 5 V ได้ แต่บางแบบไม่มี ป้อน 5 V แล้วเซนเซอร์เสียได้ ตัวชิป BME280 ทำงานที่ไม่เกิน 3.6 V ต่อที่ 3V3 ปลอดภัยกับทั้งสองแบบ ถ้าไม่แน่ใจให้ใช้ 3V3

ขั้นแรก: หา address ด้วย I2C scanner

ก่อนเขียนโค้ดอ่านค่า ให้ตรวจก่อนว่าสายถูก และเซนเซอร์อยู่ address อะไร โค้ดนี้เรียกทุก address แล้วพิมพ์ตัวที่ตอบ

#include <Wire.h>

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  Wire.begin(21, 22);  // SDA, SCL
  for (uint8_t addr = 1; addr < 127; addr++) {
    Wire.beginTransmission(addr);
    if (Wire.endTransmission() == 0) {
      Serial.printf("found device at 0x%02X\n", addr);
    }
  }
  Serial.println("scan done");
}

void loop() {}

เปิด Serial Monitor ที่ 115200 baud ควรเจอ 0x76 หรือ 0x77 ซึ่งขึ้นกับว่าขา SDO ของชิปต่อลงกราวด์ (0x76) หรือต่อไฟ (0x77) โมดูลทั่วไปจำนวนมากตั้งไว้ที่ 0x76 ถ้าไม่เจออะไรเลย ปัญหาอยู่ที่สาย ไม่ใช่โค้ด

อ่านค่าด้วยไลบรารี Adafruit

ใน Arduino IDE เปิด Library Manager ค้นหา Adafruit BME280 Library แล้วติดตั้ง ยอมรับให้ติดตั้งไลบรารีที่ต้องใช้ร่วม (Adafruit Unified Sensor และ Adafruit BusIO) ด้วย

#include <Wire.h>
#include <Adafruit_Sensor.h>
#include <Adafruit_BME280.h>

Adafruit_BME280 bme;

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  Wire.begin(21, 22);           // SDA, SCL
  if (!bme.begin(0x76)) {       // ถ้าไม่เจอ ลอง 0x77
    Serial.println("BME280 not found: check wiring and address");
    while (true) delay(1000);
  }
}

void loop() {
  float t = bme.readTemperature();          // °C
  float h = bme.readHumidity();             // %RH
  float p = bme.readPressure() / 100.0F;    // Pa -> hPa
  Serial.printf("T=%.2f C  H=%.1f %%  P=%.1f hPa\n", t, h, p);
  delay(2000);
}

readPressure() คืนค่าเป็น pascal หารด้วย 100 ได้ hPa ซึ่งเป็นหน่วยที่พยากรณ์อากาศใช้ ความกดอากาศมาตรฐานที่ระดับน้ำทะเลคือ 1013.25 hPa ค่าที่อ่านได้จริงเปลี่ยนตามความสูงของพื้นที่และสภาพอากาศ

scanner เจอ แต่ไลบรารีบอกว่าไม่เจอ

อาการนี้เจอบ่อยมาก สาเหตุอันดับหนึ่งคือ ชิปบนโมดูลเป็น BMP280 ไม่ใช่ BME280 สองตัวนี้ใช้ address เดียวกัน ขาเหมือนกัน และบางร้านขายปนกัน แต่ BMP280 ไม่มีเซนเซอร์ความชื้น

ไลบรารีอ่านรหัสประจำชิป (chip ID) ก่อนเริ่ม BME280 คือ 0x60 ส่วน BMP280 คือ 0x58 ถ้าไม่ใช่ 0x60 ฟังก์ชัน begin() จะคืนค่า false ดูด้วยตาก็พอแยกได้ ชิป BME280 เป็นสี่เหลี่ยมจัตุรัสราว 2.5 × 2.5 mm ส่วน BMP280 เป็นสี่เหลี่ยมผืนผ้าราว 2.0 × 2.5 mm ถ้าได้ BMP280 มา ใช้ไลบรารี Adafruit BMP280 แทน อ่านได้แค่อุณหภูมิกับความกด

ทำไมอุณหภูมิสูงเกินจริง

BME280 แม่นพอสำหรับงานทั่วไป แต่มันวัดอุณหภูมิ ตรงที่มันอยู่ ถ้าวางชิด ESP32 ซึ่งอุ่นขึ้นตอนทำงาน โดยเฉพาะตอนเปิด Wi-Fi ค่าที่อ่านได้จะสูงกว่าอากาศในห้อง และเพราะความชื้นสัมพัทธ์ขึ้นกับอุณหภูมิ ค่าความชื้นก็จะต่ำกว่าจริงตามไปด้วย

เซนเซอร์อุณหภูมิวัดความร้อนรอบตัวมัน รวมถึงความร้อนจากบอร์ดที่มันติดอยู่

วิธีแก้ที่ได้ผล

• ต่อเซนเซอร์ด้วยสายแยกออกห่างจากบอร์ดหลัก
• ถ้าใส่กล่อง ให้เซนเซอร์อยู่ในช่องที่มีรูระบาย แยกจากส่วนของ ESP32
• อ่านค่าห่างขึ้น หรือให้ ESP32 เข้า deep sleep ระหว่างรอบ บอร์ดจะอุ่นน้อยลง

ข้อผิดพลาดที่เจอบ่อย

อาการ	สาเหตุที่พบบ่อย	แก้
scanner ไม่เจออะไรเลย	สลับ SDA กับ SCL หรือลืมต่อ GND	ตรวจสายทีละเส้น
เจอ 0x77 แต่โค้ดใช้ 0x76	address ไม่ตรง	เปลี่ยนเป็น bme.begin(0x77)
scanner เจอ แต่ begin() ล้ม	เป็น BMP280	ใช้ไลบรารี BMP280
อ่านได้บ้าง พลาดบ้าง	สายยาวเกินหรือเสียบหลวม	ใช้สายสั้นลง เสียบให้แน่น
อุณหภูมิสูงกว่าห้องหลายองศา	ความร้อนจากบอร์ด	แยกเซนเซอร์ออกห่าง

บทถัดไปจะออกแบบกล่องพิมพ์ 3 มิติให้บอร์ดนี้ พร้อมช่องระบายที่แยกเซนเซอร์ออกจากความร้อนของ ESP32