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title = "RaspberryPIで電子工作を始めてみました"
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date = 2021-04-04T13:47:22+09:00
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description = "なかなか外出できないので、おうちでRaspberryPIをいじってみた結果をまとめました。"
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tags = ["電子工作"]
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categories = ["RaspberryPI"]
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author = "kazu634"
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images = ["ogp/2021-04-04-raspberrypi-electronics.webp"]
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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。
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## RaspberryPIとは
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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。
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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。
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## ラズパイと繋げてみます
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[『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)』](https://www.amazon.co.jp/%E3%83%A9%E3%82%BA%E3%83%91%E3%82%A44%E5%AF%BE%E5%BF%9C-Raspberry-Pi%E3%81%A7%E5%AD%A6%E3%81%B6%E9%9B%BB%E5%AD%90%E5%B7%A5%E4%BD%9C-%E4%BD%9C%E3%82%8B%E3%80%81%E5%8B%95%E3%81%8B%E3%81%99%E3%80%81%E3%81%97%E3%81%8F%E3%81%BF%E3%81%8C%E3%82%8F%E3%81%8B%E3%82%8B-%E3%83%96%E3%83%AB%E3%83%BC%E3%83%90%E3%83%83%E3%82%AF%E3%82%B9/dp/4065193397)を参考書籍としてラズパイと繋げていきます。
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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）](https://akizukidenshi.com/catalog/g/gK-15352/)です。このセットを購入しました。
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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。
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#### LEDの点灯
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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:
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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。。
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学んだこと:
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- 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
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- `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
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#### GPIOでLEDを制御してみた
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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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```python
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#!/usr/bin/python3
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import RPi.GPIO as GPIO
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from time import sleep
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GPIO.setmode(GPIO.BCM)
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GPIO.setup(25, GPIO.OUT)
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try:
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while True:
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GPIO.output(25, GPIO.HIGH)
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sleep(0.5)
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GPIO.output(25, GPIO.LOW)
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sleep (0.5)
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except KeyboardInterrupt:
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pass
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GPIO.cleanup()
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```
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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:
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{{< youtube U0vWhKOWksQ >}}
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学んだこと:
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- `GPIO`の制御を`Python`を用いてできることがわかりました
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#### ボタンスイッチでLEDのオン・オフを制御する
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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。
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{{< youtube m8tjJlKoqkk >}}
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学んだこと:
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- 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！
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### 電子機器とのインターフェース
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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。
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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:
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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
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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
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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。
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### A/Dコンバーターを利用する (SPI通信を利用する)
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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。
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#### 半固定抵抗の電圧をA/Dコンバーターで取得する
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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:
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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。
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#### 照度センサーの値をA/Dコンバーター経由で取得する
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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。
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#### 照度センサーの値に応じてLEDを点灯する
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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:
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{{< youtube 8m0BwBY4jEs >}}
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学んだこと:
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- 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。。
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### デジタル値を取得する (I2C通信を利用する)
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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。
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#### 温度センサーの値を取得する
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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。
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学んだこと:
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- 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
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### LEDディスプレイと連動させる
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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:
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実際の動作はこのようになります:
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{{< youtube wL9cgpSBSng >}}
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学んだこと:
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- 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。
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## ここまでの振り返り
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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。
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