树莓派学习2-读取I2C设备数据

1. 本章学习目标

掌握SHT45温湿度传感器的硬件接线方法
理解SHT45特有的"命令式"通信机制
使用两种不同的Python方式读取SHT45的温度和湿度数据
掌握原始数据的解析和换算方法

2. SHT45传感器简介

SHT45是瑞士Sensirion公司出品的一款高精度数字温湿度传感器，属于SHT4x系列中的旗舰型号。其主要特性如下：

参数	规格
温度精度	±0.1 °C（0~75 °C）
湿度精度	±1.0% RH（25~75% RH）
供电电压	1.08 V ~ 3.6 V
I2C地址	0x44
工作温度范围	-40°C ~ 125°C
平均电流	0.4 μA

💡 小知识：SHT45基于"电容式湿度传感+带隙温度传感"的双核心技术，内部集成了信号处理电路，可将物理量直接转换为数字信号通过I2C接口输出-。SHT40、SHT41、SHT45三款传感器的接线方式和代码完全通用，本教程可直接用于SHT40和SHT41。

3. 硬件接线

3.1 引脚连接对照表

将SHT45模块与树莓派进行连接，请按照下表操作：

SHT45模块引脚	树莓派GPIO	物理引脚号
VCC	3.3V	引脚1
GND	GND	引脚6
SDA	GPIO2	引脚3
SCL	GPIO3	引脚5

3.2 接线注意事项

电源选择 ：SHT45的供电电压范围为1.08V至3.6V，请连接至树莓派的3.3V引脚，切勿连接5V引脚，以免损坏传感器。
线路检查：完成接线后，请再次确认SDA接GPIO2、SCL接GPIO3，GND和VCC不要接反。
上拉电阻：树莓派的GPIO引脚内部已集成I2C上拉电阻，一般情况下无需外接上拉电阻。

4. 启用树莓派I2C接口

在进行Python编程之前，需要确保树莓派的I2C接口已正确启用，如未启用才考我树莓派学习笔记1。

4.1 安装I2C工具和Python库

重启后，打开终端，安装所需的工具和库：

python 复制代码

# 更新软件包列表
sudo apt update

# 安装I2C工具和Python SMBus库
sudo apt install i2c-tools python3-smbus -y

📖 说明：i2c-tools提供了i2cdetect、i2cget等命令行调试工具；python3-smbus则提供了Python中操作I2C的底层接口-53。

4.2 验证设备识别

安装完成后，执行以下命令扫描I2C总线上的设备：

复制代码

sudo i2cdetect -y 1

复制代码

结果如图：

⚠️ 注意：SHT4x系列的I2C地址出厂时固定为0x44，无法更改-。如果扫描不到该地址，请重新检查接线。

5. 理解SHT45的通信方式

在编写Python代码之前，需要先理解SHT45独特的通信机制。这与传统的寄存器型I2C设备有很大不同。

5.1 SHT45没有寄存器地址

SHT45与传统的I2C设备（如EEPROM、PCF8591等）不同，它没有寄存器地址的概念。SHT45的通信是通过发送"命令码（Command Code）"来完成的，不同的命令码对应不同的操作-。

5.2 常用命令码

SHT45支持以下测量命令码-：

命令码（十六进制）	功能说明	等待时间
0xFD	高精度测量（推荐）	约10 ms
0xF6	中精度测量	约5 ms
0xE0	低精度测量	约2 ms

5.3 I2C通信时序

读取SHT45数据的完整通信流程如下：

复制代码

步骤1: 主机发送START信号
步骤2: 主机发送设备地址0x44 + 写标志位（0x88）
步骤3: 主机发送命令码（如0xFD）
步骤4: 主机发送STOP信号
步骤5: 等待传感器完成测量（10~20毫秒）
步骤6: 主机发送START信号
步骤7: 主机发送设备地址0x44 + 读标志位（0x89）
步骤8: 从机返回6字节数据（温湿度各2字节+CRC各1字节）
步骤9: 主机发送STOP信号

💡 提示：步骤3发送命令码时，需要注意SHT45没有寄存器地址，因此不能使用write_byte_data()这类带寄存器地址的函数，而应使用write_byte()函数直接发送命令码。

6. 方法一：使用smbus2库手动读取

6.1 安装smbus2库

python 复制代码

sudo apt install python3-smbus2

6.2 完整代码实现

创建Python脚本文件read_sht45.py，输入以下代码：

python 复制代码

#!/usr/bin/env python3
# -*- coding: utf-8 -*-

import smbus2
import time

# 配置常量
I2C_BUS = 1                    # 树莓派I2C总线编号
SHT45_ADDRESS = 0x44           # SHT45的I2C设备地址

# SHT45命令码定义
CMD_MEASURE_HIGH_PRECISION = 0xFD   # 高精度测量
CMD_MEASURE_MEDIUM_PRECISION = 0xF6 # 中精度测量
CMD_MEASURE_LOW_PRECISION = 0xE0    # 低精度测量

def crc8(data):
    """
    计算SHT45使用的CRC-8校验值
    多项式: x^8 + x^5 + x^4 + 1 (0x31)
    初始值: 0xFF
    """
    crc = 0xFF
    for byte in data:
        crc ^= byte
        for _ in range(8):
            if crc & 0x80:
                crc = (crc << 1) ^ 0x31
            else:
                crc <<= 1
        crc &= 0xFF
    return crc

def read_sht45_data(bus, cmd=CMD_MEASURE_HIGH_PRECISION):
    """
    从SHT45读取温湿度数据
    
    参数:
        bus: smbus2总线对象
        cmd: 测量命令码（可选高/中/低精度）
    
    返回:
        (温度, 湿度) 元组，失败时返回(None, None)
    """
    try:
        # 步骤1: 发送测量命令（注意：SHT45没有寄存器地址，直接发送命令码）
        bus.write_byte(SHT45_ADDRESS, cmd)
        
        # 步骤2: 等待传感器完成测量
        # 根据不同的命令码等待不同时间
        if cmd == CMD_MEASURE_HIGH_PRECISION:
            time.sleep(0.015)      # 高精度约15ms
        elif cmd == CMD_MEASURE_MEDIUM_PRECISION:
            time.sleep(0.007)      # 中精度约7ms
        else:
            time.sleep(0.003)      # 低精度约3ms
        
        # 步骤3: 读取6字节数据（温度2字节+CRC1字节+湿度2字节+CRC1字节）
        # 注意：SHT45没有寄存器地址，所以第二个参数使用0x00作为占位符
        data = bus.read_i2c_block_data(SHT45_ADDRESS, 0x00, 6)
        
        # 数据格式: data[0]=温度高8位, data[1]=温度低8位, data[2]=温度CRC
        #          data[3]=湿度高8位, data[4]=湿度低8位, data[5]=湿度CRC
        
        # 验证温度数据的CRC校验
        temp_crc = crc8(data[0:2])
        if temp_crc != data[2]:
            print("温度数据CRC校验失败")
            return None, None
        
        # 验证湿度数据的CRC校验
        hum_crc = crc8(data[3:5])
        if hum_crc != data[5]:
            print("湿度数据CRC校验失败")
            return None, None
        
        # 解析原始数值
        temp_raw = (data[0] << 8) | data[1]
        humidity_raw = (data[3] << 8) | data[4]
        
        # 转换为实际物理值
        # 温度转换公式: T = -45 + 175 * (temp_raw / 65535)
        temperature = -45.0 + 175.0 * (temp_raw / 65535.0)
        # 湿度转换公式: RH = -6 + 125 * (humidity_raw / 65535)
        humidity = -6.0 + 125.0 * (humidity_raw / 65535.0)
        
        # 湿度限制在0~100%范围内
        humidity = max(0.0, min(100.0, humidity))
        
        return temperature, humidity
        
    except Exception as e:
        print(f"读取数据失败: {e}")
        return None, None

def main():
    # 初始化I2C总线
    bus = smbus2.SMBus(I2C_BUS)
    print(f"SHT45温湿度传感器已初始化（地址: 0x{SHT45_ADDRESS:02X}）")
    print("开始读取数据...")
    print("-" * 40)
    
    try:
        while True:
            # 读取温湿度数据
            temp, hum = read_sht45_data(bus, CMD_MEASURE_HIGH_PRECISION)
            
            if temp is not None and hum is not None:
                print(f"温度: {temp:.2f} °C | 相对湿度: {hum:.1f} %RH")
            else:
                print("读取数据失败，请检查传感器连接")
            
            # 每隔1秒读取一次
            time.sleep(1)
            
    except KeyboardInterrupt:
        print("\n程序已停止")
    finally:
        bus.close()

if __name__ == "__main__":
    main()

6.3 代码逐行解析

导入模块

python 复制代码

import smbus2   # 提供I2C通信功能
import time     # 提供延时功能

定义常量

python 复制代码

I2C_BUS = 1                    # 树莓派I2C总线编号
SHT45_ADDRESS = 0x44           # SHT45的I2C设备地址
CMD_MEASURE_HIGH_PRECISION = 0xFD   # 高精度测量命令

💡 注意：SHT45的命令码是直接通过I2C总线发送的，不需要像传统I2C设备那样指定寄存器地址-。

🔒 CRC-8校验函数

python 复制代码

def crc8(data):
    crc = 0xFF
    for byte in data:
        crc ^= byte
        for _ in range(8):
            if crc & 0x80:
                crc = (crc << 1) ^ 0x31
            else:
                crc <<= 1
        crc &= 0xFF
    return crc

SHT45返回的6字节数据中包含两个CRC校验字节，分别校验温度数据和湿度数据的完整性。CRC多项式为x^8 + x^5 + x^4 + 1（0x31），初始值为0xFF。在数据解析时验证CRC可以确保通信过程中没有发生错误。

📖 数据读取与解析

python 复制代码

# 步骤1: 发送测量命令
bus.write_byte(SHT45_ADDRESS, cmd)

# 步骤2: 等待测量完成
time.sleep(0.015)

# 步骤3: 读取6字节数据
data = bus.read_i2c_block_data(SHT45_ADDRESS, 0x00, 6)

⚠️ 关键点 ：read_i2c_block_data()的第二个参数是寄存器地址，由于SHT45没有寄存器，我们使用0x00作为占位符。实际通信时，该函数会先发送设备地址+写标志（准备读取），然后发送一个寄存器地址字节（0x00），最后再重新发送设备地址+读标志来读取数据。对于SHT45，中间的0x00字节会被传感器忽略。

📐 数据转换公式

python 复制代码

# 温度转换: T = -45 + 175 * (原始值 / 65535)
temperature = -45.0 + 175.0 * (temp_raw / 65535.0)

# 湿度转换: RH = -6 + 125 * (原始值 / 65535)
humidity = -6.0 + 125.0 * (humidity_raw / 65535.0)

这是SHT4x系列传感器的标准转换公式，其中65535是16位无符号整数的最大值。

6.4 运行代码

在终端中执行：

python 复制代码

python3 read_sht45.py

预期输出示例：

复制代码

SHT45温湿度传感器已初始化（地址: 0x44）
开始读取数据...
----------------------------------------
温度: 24.56 °C | 相对湿度: 45.2 %RH
温度: 24.58 °C | 相对湿度: 45.3 %RH
温度: 24.55 °C | 相对湿度: 45.1 %RH
...

按Ctrl + C可停止程序。

7. 方法二：使用Adafruit CircuitPython库（推荐）

如果你希望代码更简洁，可以使用Adafruit官方提供的CircuitPython库，它将底层细节封装得更加完善。

7.1 安装Adafruit库

python 复制代码

# 安装Adafruit Blinka（CircuitPython的Linux兼容层）
sudo pip3 install adafruit-blinka

# 安装SHT4x传感器库
sudo pip3 install adafruit-circuitpython-sht4x

7.2 简洁版代码

创建脚本read_sht45_simple.py：

python 复制代码

#!/usr/bin/env python3
# -*- coding: utf-8 -*-

import time
import board
import adafruit_sht4x

# 初始化I2C总线
i2c = board.I2C()  # 自动使用board.SCL和board.SDA

# 初始化SHT45传感器
sht = adafruit_sht4x.SHT4x(i2c)
print("SHT45传感器已初始化")

# 可选：设置测量模式
# sht.mode = adafruit_sht4x.Mode.NO_HEAT_HIGH   # 高精度模式（默认）

while True:
    # 读取温湿度数据
    temperature, relative_humidity = sht.measurements
    
    print(f"温度: {temperature:.2f} °C")
    print(f"相对湿度: {relative_humidity:.1f} %RH")
    print("")
    
    time.sleep(1)

7.3 两种方法的对比

特性	smbus2手动实现	Adafruit库
代码复杂度	较高（需手动处理CRC和转换）	极低（仅3行核心代码）
可控性	完全可控，适合学习底层原理	底层细节已封装
CRC校验	需要手动实现	库内部已处理
适用场景	教学演示、深度定制	项目开发、快速原型

💡 建议：如果你是初学者或希望快速完成项目开发，推荐使用方法二（Adafruit库）；如果你是希望深入学习I2C通信原理，建议仔细研究第一种方法的实现细节。

8. 故障排查指南

8.1 扫描不到0x44地址

故障现象	可能原因	解决方法
`i2cdetect`输出全是`--`	I2C未启用	执行`sudo raspi-config`重新启用I2C
扫描不到0x44	接线错误	检查SDA/SCL是否接反或接触不良
扫描不到0x44	供电问题	确认SHT45连接的是3.3V引脚，不是5V
扫描到其他地址	地址冲突	SHT45地址固定为0x44，若有冲突需更换设备

8.2 读取数据时返回错误

错误信息	可能原因	解决方法
`[Errno 121] Remote I/O error`	通信超时	检查接线，增加等待时间
`CRC校验失败`	数据传输错误	检查是否有电磁干扰，缩短连线长度
温度值异常（如-45°C）	未正确发送测量命令	确认使用的是`write_byte()`而非`write_byte_data()`
湿度值为负数	数据解析错误	检查转换公式中的除数和乘数是否正确

8.3 数据读取不稳定的解决方法

增加等待时间 ：将time.sleep(0.015)适当增加至20~30毫秒
检查电源稳定性：使用树莓派自带的3.3V供电，避免与其他大功率设备共用
降低I2C速率 ：某些SHT45模块对时钟频率敏感，可在/boot/config.txt中添加dtparam=i2c_arm_baudrate=100000将速率降至100kHz

9. 本章小结

本章围绕SHT45温湿度传感器，详细介绍了树莓派通过I2C接口读取温湿度数据的完整流程。主要知识点包括：

SHT45硬件接线：VCC→3.3V、GND→GND、SDA→GPIO2、SCL→GPIO3
I2C接口启用 ：通过raspi-config配置和i2c-tools验证
SHT45通信机制：命令码式通信（无寄存器地址），先发命令再读数据
Python编程方法：
- 底层手动实现：使用smbus2库，掌握CRC校验和数据转换
- 高层库实现：使用Adafruit CircuitPython库，快速上手
数据转换公式：温度T = -45 + 175×(原始值/65535)，湿度RH = -6 + 125×(原始值/65535)

如欲继续学习，可参考本书后续章节关于将温湿度数据写入数据库、搭建Web监控界面或结合机器学习进行环境预测等内容。