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Python, RaspberryPi, Arduinoで作る消費電力モニタリングシステム
1.
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)
2.
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
3.
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
4.
1. はじめに(仮) 4
5.
ちょっと聞いてくださいよ、 奥さん 5
6.
ハードウェアとか 6
7.
流行ってるらしいじゃないの。 7
8.
フィジカル・コンピューティング とか 8
9.
モノのインターネッツ(IoT) とか 9
10.
オープンソースハードウェア とか 10
11.
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
12.
2. Raspberry PiとArduino
12
13.
まぁ、よくある組み合わせ だと思います。 13
14.
「あ、また?」 「ですよね (^_^;)」
みたいな。 14
15.
どちらか一つくらいは お手元にありますよね!? 15
16.
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
17.
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)
18.
でも、お高いんでしょう? 18
19.
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)
20.
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)
21.
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
22.
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
23.
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); }
24.
でも、お高いんでしょう? 24
25.
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
26.
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
27.
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
28.
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
29.
3. Arduinoとおしゃべりする 29
30.
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
31.
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
32.
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
33.
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()
34.
4. 電力を見える化しよう 34
35.
電力モニタを作る 35
36.
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
37.
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
38.
Raspberry Pi (Raspbian)
構成図 38 Browser Redis Pyramid MySQL Serial port / Client Arduino Sensor WebSocket Subscribe Publish USB - Serial Adapter
39.
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
40.
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
41.
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
42.
42
43.
43
44.
Webアプリ 44
45.
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
46.
デモ 46
47.
5. まとめ 47
48.
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
49.
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
50.
ソースコードとか • Github
https://github.com/kironono/homepower 50
51.
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
52.
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
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