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はすなみうら
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1 観葉植物の気持ち 2017 年 11 月 11 日 AITC シニア会観葉植物チーム吉田依田須能

2 目次 1 章光合成が活発になる環境をしりたい 2 章 CO 2 センサーで光合成を測る 3 章 Webカメラ +OpenCVで葉面積を測る 4 章環境センサーで生育条件を測る 5 章感想と今後について

3 1-1. アイディア観葉植物を一生懸命育てても枯らせてしまうことはありませんか? どうやら植物によって環境の好みがちがうようですそんな植物たちの気持ちが知りたい! と計測する仕組みを考えました乾燥する所はキライ (>_<) 明るくていいねー

4 1-2. 検討した手段植物の元気さと環境データから植物にとって良好な生育条件を見つけます定期 : 光合成の活発さ+ 環境計測土壌水分センサー照度センサー CO2センサー容器通常 : 植物の生長 + 環境計測土壌水分センサー照度センサー Webカメラ RaspberryPi RaspberryPi 容器中のCO2 減衰速度で光合成を計測画像中の葉面積で植物の生長を計測〇章で説明〇章で説明

5 1-3. 光合成の活発さ計測チャンバー法容器 V[m 3 ] CO 2 交換速度 P [µmol/m2 sec] P= C 1 C 2 / t 2 t 1 V/A CO 2 CO 2 濃度呼気導入葉面積 A[m 2 ] C 1 計測値を指数近似 C n t 1 t n 時刻 [sec] 参考 URL:

6 2-1. CO 2 センサー MH-Z19 秋月電子では扱っていない中国のメーカーから直接購入 PayPal が使えたのでちょっと安心配達方法の選択肢がたくさん Fedex: とっても高い中華郵政 : いつ届くか不明佐賀ダイレクトメール : リーズナブルだけどそれ誰? è 届いてみたら佐川急便でした端子は別途購入して半田付け大きさがブレッドボードいっぱいなので本体下のジャンパーで別の列へ 6

7 2-2. 通信方法は 2 つ PWM: デジタル出力に 1004ms 周期の HIGH の長さで ppm を表現 UART( シリアル通信 ) ex. 2*(750ms-2ms)=1496ppm 1ms が 2ppm Rx( シリアル入力 ) を Arduino の Tx(1 番 ) に接続 Tx( シリアル出力 ) を Arduino の Rx(0 番 ) に接続 Request 0xFF を送信 Response 0xFF86HHLL ?? を受信 ppm = HH * LL (?? は check sum) 0ppm を 2ms で表現 7

8 2-3. PWM 通信のコード (Arduino) #define pwmpin 5 int prevval = LOW; long th, tl, h, l, ppm = 0; void setup() { Serial.begin(9600); pinmode(pwmpin,input); Serial.println("ms:PPM"); } void loop() { long tt = millis(); int myval = digitalread(pwmpin); if (myval == HIGH) { if (myval!= prevval) { h = tt; tl = h - l; prevval = myval;} } else if (myval!= prevval) { l = tt; th = l - h; prevval = myval; ppm = 2000 * (th - 2) / (th + tl - 4); Serial.println(String(i) + : + String(ppm)); }} 8

9 2-4. PWM 通信のコード (RasPi) #!/usr/bin/python import RPi.GPIO as GPIO import nme import sys # import serial,os,nme,sys,datenme,csv pwmpin = 24 GPIO.setmode(GPIO.BCM) GPIO.setup(pwmPin, GPIO.IN) preval = GPIO.LOW th = 0 tl = 0 h = 0 l = 0 ppm = 0 snme = nme.nme()*1000 try: while True: i = nme.nme()*1000 myval = GPIO.input(pwmPin) if myval == GPIO.HIGH: if myval!= preval: h = i tl = h - l preval = myval else: if myval!= preval: l = i th = l - h preval = myval ppm = 2000*(th - 2)/(th + tl - 4) print("%s, %s")%(i-snme,ppm) sys.stdout.flush() except Excepnon as e: sys.stderr.write('error occurred: %s'%e) except KeyboardInterrupt as e: sys.stderr.write('nctrl+c pressed ) 9

10 2-5. UART 通信のコード #define RxPin 0 #define TxPin 1 char CAL[9] = {0XFF, 0x01, 0x87, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x78}; char CMD[9] = {0xFF, 0x01, 0x86, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x79}; void setup() { Serial.begin(9600); pinmode(rxpin, INPUT); pinmode(txpin, OUTPUT); Serial.print("Calibrate to 400ppm"); for (int i=0; i<9; i++) { Serial.write(CAL[i]); } Serial.println(""); } void loop() { int c; int ppm; Serial.print("Write CMD"); for (int i=0; i<9; i++) { Serial.write(CMD[i]); } if (Serial.available() > 0) { do { c = Serial.read(); } while ( c!= 0xff); for (int i=0; i<8; i++) { c = Serial.read(); if (i == 1) ppm = c * 256; if (i == 2) ppm += c; Serial.print(" "); Serial.print(String(c,HEX)); } Serial.print(" ppm = "); Serial.println(ppm); delay(1000); } }

11 2-6. CO 2 測定中息を吹き込む! 須能さん MH-Z19 Raspberry PI の電源コード 11

12 2.7 測定結果 ppm この凸凹は何? 室内標準は 160ppmくらい須能さんが息を吹き込むと少しずつ上昇 80 分ほどで 200ppm まで下がったところで時間切れ! 12

13 3-1. 植物の生育計測ラズパイ上の Python-OpenCV プログラムによりカメラ画像から葉面積を求めて CSV 出力しました USB 日時葉面積型式 :RaspberryPi3 model B CPU:1.2GHz 64-bit quad-core ARMv8 メモリ :1GB OS:Raspbian ver.4.9 言語 :Python3,OpenCV3 型式 :Logicool C270 画素数 :120 万画素撮影レート : 最大 30 フレーム / 秒機能 : 自動明るさ調整 13

14 3-2. 葉面積計測処理バックプロジェクション法事前撮影画像参照画像参照画像読込ヒストグラム算出画像キャプチャ局所領域設定撮影画像セル数セル値 OpenCV 関数 : cv2.calcbackproject 抽出画像 No ヒストグラム類似? Yes 局所領域抽出抽出セル数算出 CSV 出力 14

15 3-3. 葉面積計測方法光が安定する夜間に連続計測日付画像全体に対する比率時間抽出セル数画素サイズを測る方眼紙 15

16 3-4. 葉面積計測結果光が安定する夜間に連続計測部屋の消灯若干成長? 遮光カーテンの光漏れ? カーテン開成長していたとしたら一晩で葉面積 8mm 2 に相当 16

17 4-1. 気温湿度センサー DHT11 AMAZONで購入スペック動作電圧 DC 5V 湿度測定範囲 20 90% RH 湿度精度 ±5% RH 温度測定範囲 0 60 温度測定精度 ±2 出力値は構成済で無調整で使用可データピンにプルアップ抵抗が付いており直接GPIOに接続可 17

18 4-2. 接続方法表にまとめました Raspberry Pi3 DHT11 PIN2 (5V) VDD PIN7 (GPIO4) DATA PIN6 (Ground) GND 18

19 4-3. ソースコード 19

20 4-4. 測定結果温度 22 ~23 湿度 17%~18% で計測された 20

21 4-5. 照度センサー Cds セル秋月電子で購入スペックピーク波長 :540nm 最大電圧 :150VDC 最大電力 :100mW 明抵抗 :10k~20kΩ 暗抵抗 :±1MΩ 温度係数 :0.002/ 光の強さに応じて電気抵抗が低下する抵抗器緑色の光に対して高感度 21

22 4-6. 土壌湿度センサー AMAZON で購入スペック動作電圧 :DC3.3~5V コンパレータモジュール (YL-38) と土壌湿度プローブ (YL-96) のセットで使用土壌の抵抗値を測定アナログデジタル出力今回の実験では土壌の湿度が低かったため計測不可 22

3V) PIN6 (Ground) PIN23(SP0 SCLK) PIN21(SPIO MISO) PIN19(SPIO MOSI)

23 4-7. 接続方法アナログ出力なので A/D コンバータ MCP3208 を介して Raspberry Pi3 の GPIO に接続する表にまとめました Raspberry Pi3 PIN1 (3.3V) PIN1 (3.3V) PIN6 (Ground) PIN23(SP0 SCLK) PIN21(SPIO MISO) PIN19(SPIO MOSI) PIN17(SPIO CE1) PIN6(Ground) MCP3208 VDD VREF AGND CLK DOUT DIN CS DGND * 土壌湿度センサーも同様の接続方式 23

24 4-8. ソースコード 24

25 4-9. 測定結果土壌湿度と照度を交互に計測した照度は 222~224 で計測された 25

26 4-10. 測定時の回路構成土壌湿度プローブ気温湿度センサー照度センサーコンパレータモジュール 26

27 5-1. 感想 ( 須能 ) 分かったこと日当たりが良すぎるより少し暗い方が CO 2 交換速度が速いなど植物の環境の好みが測れました難しかったところ RaspberryPi での Python と OpenCV の環境構築お世話になりました! OpenCV での葉領域の抽出処理葉の色が複雑なため二値化処理ではダメでした定周期撮影でのキャプチャ失敗 [ 未解決 ] Sleep が長いほど成功率が大きく低下します隘路事項光合成葉面積に対して良好な環境条件を分析します 27

28 5-1. 感想 ( 須能 ) センサが統合できてよかったです! 計測中 28

29 5-2. 感想その他 ( 吉田 ) やっぱりセンサーは難しい! 理論的に思ったような数値が全然出ない Raspberry Pi 3 ではシリアル通信に成功せずなんとか頑張りたいけど手がかりが Raspberry Pi を LAN ケーブルで Mac に直結してキーボードとディスプレイを持ち歩かないで済む方法を確立しました ( 付録参照 )

30 5-3. 感想 ( 依田 ) 講習からテーマを決めた製作まで約 1 年間 IoT に取り組むことが出来て良かったですありがとうございました Raspberry Pi 使用してセンサーの制御を行いましたが特にアナログ入力に苦戦しました今後もモーター制御や Web カメラといった機器の制御に挑戦していきたいと思います 30

31 Raspberry Pi をディスプレイもキーボードも無しで使う 2017 年 10 月 AITC シニア会観葉植物チーム吉田

32 課題意識 Raspberry PI を操作するには HDMI 接続可能なディスプレイと USB キーボードが必要 Mac から ssh でログインすれば使えるが接続する IP アドレスを知る必要がある自宅等であれば一度接続しておけばあとは起動すればいつも同じ IP アドレスにたいてい接続するので良いが公共の場では無線 LAN 設定から始めなければならない

33 解決策 Mac と LAN ケーブルで直結必要条件 Mac の LAN アダプタ ( 昔の MacPro には付属してた ) LAN ケーブル Raspberry Pi 3 で実証済効果 Raspberry Pi 側に新たな無線 LAN 設定が不要 Mac のみインターネット接続すればいいディスプレイとキーボードを持ち歩かないで良い課題 :Windows ではうまくいかないことが多いらしい

34 手順 Mac のアップルメニューシステム環境設定共有インターネット共有にチェックを入れる Mac と Raspberry Pi を LAN ケーブルで直結 Raspberry Pi を起動 Mac のターミナルを開き arp a grep 192 で ? が出現するの待つ (? は普通は 2) 出現したら ssh pi@ ? pi のパスワード入力 ( デフォルトは raspberry)

35 名前でアクセス IP アドレスではなく名前でアクセス kanou できるようにする方法 Raspberry Pi に avahi-daemon を設定する sudo apt-get install avahi-daemon sudo insserv avahi-daemon sudo apt-get install avahi-autoipd すると次回からは raspberrypi.local でアクセス可能 ssh 35

36 Raspberry Pi の GUI を使う Raspberry Pi に nghtvnc を設定 sudo apt-get update sudo apt-get upgrade sudo apt-get install nghtvncserver ssh でログインした後に nghtvncserver を起動 nghtvncserver 初回起動時のみパスワードを入力 Mac の Finder から移動サーバへ接続 vnc://raspberrypi.local:5901 と入力して接続パスワードを入力 36

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