Raspiで使ったセンサ/アクチュエータと制御プログラムのまとめ

約１年前に買って放置していたRaspberryPiで遊んだので、使ったセンサ/アクチュエータと制御プログラムをまとめます。

使用したコードはgithubに登録しています。
https://github.com/aratakokubun/RaspiBot.git
実装はpythonと一部shellで書いています。

Raspiでのプログラム概要

Twitterから操作を送信し、外部からセンサ情報を取得・アクチュエータを駆動するプログラを実装しています。
機能は以下の通り

• カメラキャプチャ
• カメラの首振り
• エアコンのON/OFF
• パソコンに設置した超音波測距センサの現在・ログのグラフ取得(基本的には自分とパソコン画面との距離)
• 湿温度センサの現在・ログのグラフ取得

サーボモータ

アクチュエータ概要

• GWS S03T
• 指定した角度に回転する、ごく普通のサーボモータ
• 値段 ¥1200 (秋月購入)
• 5V, GND, 制御端子の３端子

用途

Twitterから角度を指定して指令を送り、搭載したwebカメラの角度を変える

実装

RaspberryPiのピン入出力制御ライブラリのRPi.GPIOを使用しています。
参考文献1のページを参考に実装しました。
以下処理の抜粋

• 初期化

import RPi.GPIO as GPIO
GPIO.setmode(GPIO.BCM)
# サーボのGPIOピン番号を23に設定
SERVO_GPIO = 23
GPIO.setup(SERVO_GPIO, GPIO.OUT)
# 動作周波数は50Hz
HZ = 50
servo = GPIO.PWM(SERVO_GPIO, HZ)
servo.start(0.0)

• 角度を指定して制御

ChangeDutyCycleメソッドで制御するが、動作範囲は2.0 - 12.0で0° - 180°に対応する。

dc = 2.0 + 10.0 * float(angle/180)
servo.ChangeDutyCycle(dc)
# Wait while finishing servo
time.sleep(0.5)

• プログラム終了

GPIOをcleanupしてから終了します。

GPIO.cleanup(SERVO_GPIO)

赤外線LED(送信・受信)

センサ・アクチュエータ概要

受信モジュール

• 赤外線リモコン受信モジュール　ＧＰ１ＵＸＣ４１ＱＳ
• 値段 ? (元から持ってた)
• 5V, GND, 制御端子の３端子で回路は単純

送信モジュール

• 赤外線ＬＥＤ　ＯＳＩ５ＦＵ５１１１
• 値段 ? (元から持ってた)
• GND, 制御端子の2端子

用途

リモコンの信号を取得し、同じ信号を赤外線LEDで送信

実装

Linux用の赤外線モジュール制御のライブラリであるlircを使用しました。
参考文献2のページを参考に実装しました。

• lircでのリモコンの信号取得と発信する信号の設定
  lircの設定方法は参考文献2を参照してください。ここでは割愛します。
  簡単には以下の設定を行います。(全てroot権限が必要)

  1. /etc/lirc/hardware.confの設定を変更する。
  2. /boot/config.txtの設定を変更し、起動時にLIRCを有効にする。
  3. mode2 -d /dev/lirc0(hardware.confに設定した名称)コマンドでlircを起動し、リモコンの信号を赤外線受信モジュールに送信した際にデータが取れることを確認する。
  4. 3のコマンドで取得したデータをデータ送信用のコマンド定義と共に/etc/lirc/lircd.confに追記する。
  5. /etc/init.d/lirc startでlircを起動
  6. irsend SEND_ONCE <コマンド>でデータが送信できることを確認

• 初期化
  初期化用のshellを用意しておき、pythonから初期化時に呼び出します。

sudo /etc/init.d/lirc stop
sudo /etc/init.d/lirc start

from subprocess import call
INIT_CMD = "sudo bash ./src/initLirc.sh"
call(INIT_CMD.strip().split(" "))

• エアコン制御
  

from subprocess import call
ON_CMD = "sudo irsend SEND_ONCE aircon cooler_on"
OFF_CMD = "sudo irsend SEND_ONCE aircon cooler_on"

call(ON_CMD.strip().split(" "))
call(OFF_CMD.strip().split(" "))

• プログラム終了
  

sudo /etc/init.d/lirc stop

from subprocess import call
STOP_CMD = "sudo bash ./src/stopLirc.sh"
call(STOP_CMD.strip().split(" "))

測距センサ

センサ概要

• HC-SR04
• 超音の反射時間を利用して非接触で測距するセンサモジュール
• 2-180cmまで測距可能
• 値段 ¥400 (秋月購入)
• 5V, GND, ECHO, TRIGGERの4端子

用途

パソコンに設置し、自分がパソコンに向き合ってる時の距離を測定

実装

こちらもRaspberryPiのピン入出力制御ライブラリのRPi.GPIOを使用しています。

• 初期化

import RPi.GPIO as GPIO
GPIO.setmode(GPIO.BCM)
# TRIGGERのGPIOを17, ECHOのGPIOを27に設定
TRIG_GPIO = 17
ECHO_GPIO = 27
# TRIGGERは出力ピン、ECHOは入力ピンに設定
GPIO.setup(TRIG_GPIO, GPIO.OUT)
GPIO.setup(ECHO_GPIO, GPIO.IN)
# TRIGGERを0Vに設定
GPIO.output(TRIG_GPIO, GPIO.LOW)

• 測定

GPIO.output(TRIG_GPIO, True)
time.sleep(0.00001)
GPIO.output(TRIG_GPIO, False)

while GPIO.input(ECHO_GPIO) == 0:
  signaloff = time.time()
while GPIO.input(ECHO_GPIO) == 1:
  signalon = time.time()
return (signalon - signal off) * 17000

• プログラム終了

GPIOをcleanupしてから終了します。

GPIO.cleanup(TRIG_GPIO)
GPIO.cleanup(ECHO_GPIO)

湿温度センサ

センサ概要

• DHT11
• 温度を1度単位・湿度を1%単位で計測可能
• 温度精度±2度・湿度精度±5%と精度は微妙
• 取得に失敗することもあり、動作も不安定
• 値段 ¥490 (amazon購入)
• 5V, GND, 入出力の4端子

用途

部屋の湿温度の現在値とログを取得

実装

RaspberryPiからDHT11の温度／湿度を取得する為のプログラムがgithubに公開されていたので、これを利用
https://github.com/adafruit/Adafruit_Python_DHT

• 初期化

import Adafruit_DHT
# DHTのGPIOを18番に設定
DHT_GPIO = 18
# センサを指定
sensor = Adafruit_DHT.DHT11

• 測定 1回だと失敗する可能性があるので、3回リトライしています。

MAX_TRIAL = 3
for _ in range(self.MAX_TRIAL):
  humidity, temperature =  Adafruit_DHT.read_retry(sensor, DHT_GPIO)
  if humidity is None and temperature is None:
    continue
  return [humidity, temperature]

• プログラム終了

特に終了時に処理をする必要はなさそうです。

その他

• Twitterでのコマンド送受信
  TwitterStreamingAPIを使用し、特定のメッセージを監視しています。

• 各センサの終了時の処理
  atexitパッケージで終了処理のハンドラを登録していますが、クラスのdelメソッドでもいい気がします・・・

参考文献

1. RaspberryPiでのサーボ制御
   http://windvoice.hatenablog.jp/entry/2015/05/04/180110
2. Raspberry Pi 2 でエアコン操作（赤外線リモコン編）
   http://kaiware007.hatenablog.jp/entry/2015/08/28/020356
3. Raspberry Piに超音波距離計”HC-SR04”つけてみた
   http://arkouji.cocolog-nifty.com/blog/2014/05/raspberry-pihc-.html
4. 温湿度センサDHT11をRaspberryPiに接続しグラフ表示
   http://blog.bnikka.com/raspberrypi/dht11-raspberrypi.html