Python, RaspberryPi, Arduinoで作る消費電力モニタリングシステム

Python, Raspberry Pi, Arduinoで作る消費電力モニタリングシステム Junichi Kakisako a.k.a. kironono 2014/09/13 (PyCon JP 2014)

自己紹介 • @kironono (きろのの) ✦ http://kironono.com/ • きろ字のなかの人 ✦ $ sudo apt-get install ttf-kiloji • 好きなたべもの ✦ いちご 2

自己紹介 • 普段はWebアプリの受託開発してます • 電子回路は趣味でやってます • 今日しない話 ✦ 回路設計 ✦ 電気特性 ✦ 半田ごての妙技 • これからハードウェア方面にも手をだしてみようかな、という方々の参考になれば幸いです 3

1. はじめに（仮） 4

ちょっと聞いてくださいよ、奥さん 5

ハードウェアとか 6

流行ってるらしいじゃないの。 7

フィジカル・コンピューティングとか 8

モノのインターネッツ（IoT）とか 9

オープンソースハードウェアとか 10

PythonでWeb開発やってきたけど、ハードウェアも手を出したいな。という方に。 11

2. Raspberry PiとArduino 12

まぁ、よくある組み合わせだと思います。 13

「あ、また？」「ですよね (^_^;)」みたいな。 14

どちらか一つくらいはお手元にありますよね!? 15

Raspberry Pi 16 • Raspberry Pi Foundationが教育用として開発 • ARMプロセッサが乗ったカードサイズのコンピュータ • ARM11 700MHz, 256MBのメモリ • HDMI、オーディオ、USB、LAN端子などひと通りのインターフェイス搭載 • ディスプレイ、キーボード、マウス、ネットワークにすぐ繋げられる • GPIO、CSI、DSI等の入出力端子

Raspberry Pi でできること 17 • 普通のLinuxが動く ✦ Raspbian (Debian) ✦ Pidora (Fedora) ✦ Arch Linux • もちろんPythonも動く • PiGRRL（ゲームボーイ） • Automated Home Brewing（ビール醸造） • RAPIRO（組立式ロボット）

でも、お高いんでしょう？ 18

そんなことないんです！ 19 • 現在3モデルが販売中 ✦ Raspberry Pi Model A ✦ Raspberry Pi Model B ✦ Raspberry Pi Model B+ • $25～$35 (3,940円) • ライバル達 ✦ HummingBoard ($45) ✦ BeagleBone Black ($45)

必要な周辺機器 20 • USBケーブル（A-microB） • USB電源 (700mA以上供給できること) • SDカード (4GB以上) • マウス、キーボード • ディスプレイ • シリアルケーブル（あると嬉しい）

Arduino 21 • オープンソースハードウェア • 開発環境、ハードウェア、言語、合わせてArduino • 設計図(Eagleファイル)も公開されているので、自分で作れる • もちろんハードウェアを購入できる • マイコン: ATMega328-P • フラッシュメモリ: 32KB • デジタルIO: 14本 • アナログInput: 6本 • 5Vで駆動

Arduino IDE 22 • クロスプラットフォーム (Java) ✦ Windows ✦ Mac OS ✦ Linux • エディタ、コンパイラー、スケッチ転送、シリアルモニタ • 豊富なサンプル付き

Lチカ (HelloWorld) 23 int led = 13; ! void setup() { pinMode(led, OUTPUT); } ! void loop() { digitalWrite(led, HIGH); delay(1000); digitalWrite(led, LOW); delay(1000); }

でも、お高いんでしょう？ 24

そんなことないんです！ • Arduinoにはファミリーがいっぱいいる ✦ Arduino Uno （3,024円） ✦ Arduino Leonardo（2,916円） • …とは言ったもののあまり安くないような • 自分で作ることができます！( ｰ`дｰ´)ｷﾘｯ 25

Arduino互換回路 26 • いらないものを取っ払って… ✦ 電源安定化回路 ✦ USBシリアル変換 ✦ 拡張用の各種回路 • 必要最小限にする

ワンチップArduinoもどき 27 • ATMega328-P: 250円 • 積層セラミック・コンデンサ: 3×15円 • セラロック: 40円 • 抵抗: 4×1円 • LED: 25円 364円

Arduinoできないこと • Python 動かない • メモリをたくさん使う処理 • 高負荷な処理（画像処理とか） 28

3. Arduinoとおしゃべりする 29

シリアル通信 30 • ここではRS-232C • 簡素なものは、TX, RX, GND があればよい

Firmata • Firmata (ふぁるまーた) ✦ Arduinoに書き込む • python-firmata (Pythonライブラリ) • これを使えば、自分で書くコードはPythonで完結できる • が、基本的な操作（例えば入出力ピンのON/OFF）しかできない • もちろん拡張することは可能だが、それだとPython以外を書くことになる 31

pySerial • Pythonからシリアル通信をおこなうためのモジュール • PyPIから取得可能 • ファイル操作ライクなAPIで操作可能 read, write, readline 32

pySerial 33 import serial ! # シリアルポートを開く s = serial.Serial(‘/dev/ttyusbserial’, 19200) ! # シリアルポートから改行まで読み込み line = s.readline() ! # シリアルポートに書き込み s.write(“hello”) ! # シリアルポートを閉じる s.close()

4. 電力を見える化しよう 34

電力モニタを作る 35

使うもの • 電流センサー ✦ 流れている電流を測る • Arduino (自作Arduino互換) ✦ センサーを制御する • Raspberry Pi (Model: B) ✦ Arduinoと通信する ✦ Webアプリケーションをサーブする ✦ データを蓄積する • USB接続の無線アダプタ ✦ Raspberry Piを無線LANに接続する 36

電流センサ 37 • クランプ型の電流センサ CTL-10-CLS • 最大80Aまで測定可能 • センサを貫通する電流の大きさに合わせて、出力電圧が変化

Raspberry Pi (Raspbian) 構成図 38 Browser Redis Pyramid MySQL Serial port / Client Arduino Sensor WebSocket Subscribe Publish USB - Serial Adapter

制作手順 • センサーの値を読む回路を考える • ブレッドボードに実装する • Arduinoのスケッチを書いて、Arduinoに書き込む • シリアル通信できる端末でテスト • ユニバーサル基板に実装する • シリアル通信するPythonコードを書く • Webアプリを書く • テスト • Raspberry Pi にデプロイ • テストハードウェアソフトウェア 39

Arduino側の処理 • センサーの電圧をA/D変換 -> 電流がわかる • 検出した電流から電力を計算 • 1秒間 (W = ジュール毎秒毎秒) の平均をとる • シリアルポートを通してRaspberry Piに送信 40

Raspberry Pi側の処理 • Arduino連携部分 ✦ シリアルポートを開いて、データが到着するのを待つ ✦ 電力値を受け取ったら、RedisのPubSubにPublish ✦ MySQLにも書き込む • Webサーバー部分 ✦ WebSocketのsubscribe待ち受け ✦ RedisのPubSubをSubscribe、データを受け取ったら、WebSocketに emit ✦ Pyramid + gevent_socketio 41

Webアプリ 44

分電盤に設置してみる 45 • クランプで挟むだけなので、既存の設備を切断したりする必要はない • 第二種電気工事士の資格は持ってます

デモ 46

5. まとめ 47

まとめ • 入門に適しているツール群 ✦ Python ✦ Arduino ✦ Raspberry Pi • 現実世界とインタラクションを始めるためのツールが出揃っている 48

まとめ • オープンソースハードウェアの普及 • プロトタイピング環境の充実 49

ソースコードとか • Github https://github.com/kironono/homepower 50

書籍とか • Raspberry Piクックブック (Make:PROJECTS) オライリージャパン - Simon Monk • Arduinoをはじめよう (Make:PROJECTS) オライリージャパン - Massimo Banzi • Arduinoをはじめようキットスイッチサイエンス 51

パーツとか • スイッチサイエンス http://www.switch-science.com/ • 秋月電子通商 http://akizukidenshi.com/ • マルツパーツ館 http://www.marutsu.co.jp/ 52

Python, RaspberryPi, Arduinoで作る消費電力モニタリングシステム

by Junichi Kakisako , Working at TriAx Corporation （トライアックス株式会社）

on Sep 13, 2014

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