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RaspberryPIで電子工作を始めてみました

日本に帰国し、リモートワークが徹底されていることに気がついたため、自宅内でCO2濃度を計測してみたいと思い立って、手を動かしています。そのメモになります。

RaspberryPIとは

RaspberryPIとは、GPIOと呼ばれる入出力端子を持つLinuxボックス…という言い方ができそうです。GPIOというのを経由して、センサーなどの機器とLinuxボックスであるRaspberryPIがやりとりできる仕組みのようです。

お手軽で安価に、センサーなどの電子機器とやりとりして、電子機器の情報をITの世界に持ってこれるというのが、RaspberryPIのすごいところ…というのが今の理解です。

ラズパイと繋げてみます

『ラズパイ4対応 カラー図解 最新 Raspberry Piで学ぶ電子工作 作る、動かす、しくみがわかる! (ブルーバックス)』を参考書籍としてラズパイと繋げていきます。

この書籍のすごいところは、扱われている部品一式もセットで提供されているところです。ラズパイ4対応 Raspberry Piで学ぶ電子工作(書籍+パーツセット)です。このセットを購入しました。

ちなみに、この時点でラズパイは全く触ったことなしでした。。上のパーツセットにはラズパイOSイメージ書き込み済みのSDカードが入っていたので、それを繋げて起動させることができました。ラズパイは起動さえしてしまえば、Linuxが動作するため、すんなり入っていけました。

LEDの点灯

まずは第一歩ということで、ラズパイとブレッドボードを単純に繋げて、LEDを光らせてみました:

https://farm66.staticflickr.com/65535/51058486767_857ab12b88_c.jpg

GPIOと呼ばれる端子から電源を取って、LEDを点灯させています。ただ、これだと乾電池から電流を流しているのと何も変わらなくて、面白みはないですね。。

学んだこと:

  • ラズパイは小さなLinux box + 「GPIO (General Purpose Input/Output)」と呼ばれる電子機器とのインターフェースを備えている
  • GPIOの中には「電源 (3.3 V と 5.0 V)」と「GND」と呼ばれるピンがあって、電源→GNDの方向に繋げると、電流が流れていく

GPIOでLEDを制御してみた

上の例だと、乾電池をラズパイに変えただけです。これだけではつまらないので、ラズパイでLEDの制御をしてみます。ラズパイのGPIOはプログラム的に制御ができるようです。ソースはこちら:

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#!/usr/bin/python3

import RPi.GPIO as GPIO
from time import sleep

GPIO.setmode(GPIO.BCM)
GPIO.setup(25, GPIO.OUT)

try:
        while True:
                GPIO.output(25, GPIO.HIGH)
                sleep(0.5)
                GPIO.output(25, GPIO.LOW)
                sleep (0.5)

except KeyboardInterrupt:
        pass

GPIO.cleanup()

こちらはGPIOの25番目のピンを0.5秒ごとに電源オン (GPIO.HIGH)・オフ (GPIO.LOW)しているイメージのようです。動作させるとこうなります:

学んだこと:

  • GPIOの制御をPythonを用いてできることがわかりました

ボタンスイッチでLEDのオン・オフを制御する

こちらはボタンを押すと、LEDを光らせ、もう一度押すとLEDを消す例です。プログラム的に状態を持たせて制御している感じです。

学んだこと:

  • プログラム的に制御できるのだから、状態をプログラムで持たせて制御することも当然ながらできる!

電子機器とのインターフェース

これまでの例だと、電流を流す流さないだけを制御していました。これからは、電子機器からの情報を取得していきます。

電子機器の情報はどうやら以下の2つのパターンで提供されているみたいです:

  1. 「アナログ」と呼ばれる形式で、ラズパイがそのままだと識別できない
  2. 「デジタル」と呼ばれる形式で、ラズパイがそのまま識別できる

1.の場合には、A/Dコンバーターと呼ばれる電子機器を間に挟むことになるようです。

A/Dコンバーターを利用する (SPI通信を利用する)

A/Dコンバーターというのは、要するに流れてくる電圧を測るもののようで、それをデジタルに変換するようです。A/DコンバーターをSPI通信と呼ばれる方式で利用してみます。

半固定抵抗の電圧をA/Dコンバーターで取得する

最初の例では、「半固定抵抗」というもので、手動で抵抗の値を変えて、流れてくる電圧を変えられるようにして、その値を読み取ります:

https://farm66.staticflickr.com/65535/51058488412_496ab3a90f_c.jpg

青のつまみを回すと、抵抗の値が変わっていき、流れてくる電圧を変更できます。それをA/Dコンバーターが読み取って、ラズパイのコンソールに出力します。

照度センサーの値をA/Dコンバーター経由で取得する

同じようにして、照度センサーの値をA/Dコンバーター経由で取得してみます。

https://farm66.staticflickr.com/65535/51058403726_03e95d6766_c.jpg

照度センサーの値に応じてLEDを点灯する

発展形として、照度センサーの値に応じてLEDを点灯させます:

学んだこと:

  • A/Dコンバーターがデリケートすぎるようで、何個か壊していたようで、書籍通りにやってもうまく動かないことが多々ありました。トライアンドエラーが必要でした。。

デジタル値を取得する (I2C通信を利用する)

ここからはデジタル値を取得していきます。取得する例として、I2C通信で温度センサーから値を取得してみます。

温度センサーの値を取得する

このような形で、温度センサーを取り付けて、ラズパイと繋げました。

https://farm66.staticflickr.com/65535/51057680893_2f634d2f01_c.jpg

学んだこと:

  • A/Dコンバーターが間に挟まらないので、シンプルに値を取得できました

LEDディスプレイと連動させる

上の例で取得した温度センサーの値をLEDディスプレイに表示されます。このようにLEDディスプレイを接続してみました:

https://farm66.staticflickr.com/65535/51057679453_f5343ea29e_c.jpg

実際の動作はこのようになります:

学んだこと:

  • LEDもI2C接続でやりとりすることで表示していることが理解できました。

ここまでの振り返り

CO2センサーをRaspberryPIで値を取得するために、まずはRaspberryPIでセンサーの値を取得する方法まで駆け足で学んでみました。細かな原理原則は理解できていないですが、一通り何をすればいいのか、何を準備しとかなきゃいけないのかを、実際に手を動かす中で理解することができました。