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1 Raspberry Pi で始める電子工作 作成日 :2016 年 11 月 03 日 作成者 : 佐藤春菜 1

2 構成 自己紹介 RaspberryPiとはラズパイで始める電子工作 ~ 開発環境の準備 ~ ラズパイで始める電子工作 ~LEDの点滅 ~ ラズパイで始める電子工作 ~ 人感センサで取得 ~ ラズパイで始める電子工作 ~クリスマス電飾プログラム~ ラズパイで始める電子工作 ~ 実際に動かしてみる~ まとめ引用 参考資料 2

3 自己紹介 名前 : 佐藤春菜入社 :2014 年 6 月言語 :Java ( 大学時代に )C C# 趣味 好きなこと 最近のこと : 美術鑑賞( バロック絵画 最近は印象派もすきです ) 音楽鑑賞( ロキノン クラシックをよく聴きます ) アニメ鑑賞( 今期はSB69が面白いとおもいます ) 日本酒( よくのみます ) いちおう部員 TG 部とか英会話とかもたびたび出没します 帰社率高めです 好きなポケモンはリザードンとニンフィアとジバコイルとルチャブル 最近 Pythonの勉強始めました! 3

4 RaspberryPi とは 4

5 RaspberryPi とは Wikipediaから拾ってきた情報によると RaspberryPi( ラズベリーパイ ) は ARMプロセッサを搭載したシングルボードコンピュータイギリスのラズベリーパイ財団によって開発されている初期モデルは2012 年 2 月 29 日に発売売り上げ台数は累計 800 万台以上 (2016 年 2 月 29 日時点 ) 日本ではラズパイとも呼ばれる ( 以降はラズパイ表記 ) 5

6 RaspberryPi とは 現在までに発売されているモデル一覧 Raspberry Pi 1 Model A 現在販売終了 Raspberry Pi 1 Model A+ Raspberry Pi 1 Model B 現在販売終了 Raspberry Pi 1 Model B+ Raspberry Pi 2 Model B Raspberry Pi 3 Model B Compute Module Raspberry Pi Zero 6

7 RaspberryPi とは 現在までに発売されているモデル一覧 Raspberry Pi 1 Model A 現在販売終了 Raspberry Pi 1 Model A+ Raspberry Pi 1 Model B 現在販売終了 Raspberry Pi 1 Model B+ Raspberry Pi 2 Model B 今回使用するモデル Raspberry Pi 3 Model B 最新版 Compute Module 入手しやすい Raspberry Pi Zero 比較的高性能 7

8 RaspberryPi とは Raspberry Pi 3 Model B のスペック 発売日 2016 年 3 月 価格 35 ドル ( 約 3700 円 ) CPU メモリ USB ポート 4 ネットワーク ストレージ 大きさ 重量 ARM Cortex-A53 4 コア 1.2GHz(64bit) 1GB あり microsd カード mm 56.5 mm 45 g 消費電力 1.4A (7W) 最大 2.5A (12.5W) 図 :Raspberry Pi 3 Model B 8

9 RaspberryPiとは 実物 ＩＣ クレジットカードと同じ 大きさ 9

10 RaspberryPi とは ラズパイで作れるもの 10

11 RaspberryPi とは ラズパイで作れるもの ロボット 11

12 RaspberryPi とは ラズパイで作れるもの ロボット デジタルカメラ 12

13 RaspberryPi とは ラズパイで作れるものロボットデジタルカメラタブレット 13

14 RaspberryPi とは ラズパイで作れるものロボットデジタルカメラタブレットスパコン 14

15 RaspberryPi とは ラズパイで作れるものロボットデジタルカメラタブレットスパコン 作ろうと思えばなんでも 何でも作れちゃう! それがラズパイの魅力 15

16 RaspberryPi とは ということで 本発表の目的 ラズパイを利用した電子工作を発表することにより ラズパイの面白さについて知ってもらう! 16

17 RaspberryPi とは 今回作成するもの 12 月っぽくクリスマスの電飾を作る赤とか青とか緑とか 色ごとにばらけて点滅する人間を感知したら点滅が始まる ( 人感センサー利用 ) 人気がなくなったら点滅を止める 画像はイメージです 17

18 ラズパイで始める電子工作 ~ 開発環境の準備 ~ 18

19 ラズパイで始める電子工作 ~ 開発環境の準備 ~ ラズパイ初期セットアップに必要なものラズパイ本体 Raspberry Pi 3 Model B ラズパイ用ケース ( なくてもいいけどあると良し ) USB 電源アダプタ & マイクロUSBケーブルディスプレイ ( テレビで代用可能 ) HDMIケーブル有線キーボード有線マウス MicroSDカード (8GB 以上推奨 ) 19

20 ラズパイで始める電子工作 ~ 開発環境の準備 ~ Amazon で買い揃えた場合の予算 ラズパイ本体 Raspberry Pi 3 Model B 4,585 円 ラズパイ用ケース 780 円 USB 電源アダプタ & マイクロ USB ケーブル 0 円 ( 家にあるやつ ) ディスプレイ ( テレビで代用 ) 0 円 ( 家略 ) HDMI ケーブル 0 円 ( 家略 ) 有線キーボード 0 円 ( 家略 ) 有線マウス 0 円 ( 家略 ) MicroSD カード (16GB) 680 円 20

21 ラズパイで始める電子工作 ~ 開発環境の準備 ~ OS のインストール MicroSD に OS Raspbian( ラズビアン ) をインストールする 公式 HP にアクセスする downloads/ NOOBS( ヌーブス ) を選択する 21

22 ラズパイで始める電子工作 ~ 開発環境の準備 ~ OS のインストール LITE は OS が含まれていないため NOOBS を選択 NOOBSの "download ZIP" を選択 約 1GBあり DLに時間がかかる完了後 MicroSDにコピー 22

23 ラズパイで始める電子工作 開発環境の準備 ラズパイ初期設定 写真の通りに周辺機器を接続 電源ケーブルを 差す USBポートには マウスとキーボードを接続 電源ケーブルを接続すると ラズパイが起動 画面に出てくる指示に従い セットアップする HDMIケーブルを接続 有線環境の場合 LANケーブルを接続 23

24 ラズパイで始める電子工作 ~ 開発環境の準備 ~ ラズパイ初期設定あとは日本語設定に変更したり パスワード変更したり 必要なソフトウェア入れたり パッケージのアップデートしたり ネットで ラズパイセットアップ で検索すればいろいろでてきます 使いやすいようにカスタマイズしましょう! 24

25 ラズパイで始める電子工作 ~ 開発環境の準備 ~ 今回使用する言語 Python ( いまだに発音わかりません ) Python( パイソン ) は 汎用のプログラミング言語コードがシンプルで扱いやすいプログラム実行はインタプリタ方式最新バージョンは3.5(2015 年 9 月 13 日リリース ) Windows Linux/Unix Mac OS Xなどの主要なオペレーティングシステムはもちろん Javaや.NETなどの仮想環境でも動作する 25

26 ラズパイで始める電子工作 ~ 開発環境の準備 ~ Pythonのインストール Windows 以下 URLから適切なものを選択し インストールする Rasbian 標準で Python が入っているため インストール不要 26

27 ラズパイで始める電子工作 ~ 開発環境の準備 ~ 実行形式 Windows で実行する場合 # Python3 で起動 > python ファイル名.py Linux 系 OS で実行する場合 # Python2 で起動 $ python ファイル名.py # Python3 で起動 $ python3 ファイル名.py 27

28 ラズパイで始める電子工作 ~LED の点滅 ~ 28

29 ラズパイで始める電子工作 ~LED の点滅 ~ 初めての電子工作 L チカ をやってみる L チカとは名前の通り LED ライトをチカチカ点滅させること IoT 界における Hello, world! にあたる 29

30 ラズパイで始める電子工作 ~LED の点滅 ~ 材料を揃える LED 抵抗 ブレッドボード ジャンプワイヤ( オスメスケーブル ) 大体 Amazon ほかオンラインショップで買い揃えられる ラズパイ工作向けキット ( 上記全部入り ) も発売されている 30

31 ラズパイで始める電子工作 ~LED の点滅 ~ 秋月電子通商で買い揃えた場合の費用 LED(1 個あたり40 円 ) 抵抗(1 個あたり1 円 ) ブレッドボード(300 円程度 ) ジャンプワイヤ( オスメスケーブル )(1 本あたり20 円 ) 31

32 ラズパイで始める電子工作 ~LED の点滅 ~ LED 長い方が + 短い方が - 色を指定できるフルカラー LED や LED テープなどがある 32

33 ラズパイで始める電子工作 ~LED ライトの点滅 ~ 抵抗 LEDには流していい電力が決まっている ( 抵抗なしで必要以上の電流を流すとLEDは壊れてしまう ) 今回は330Ωのものを使用 GPIOピンの電圧 :3.3V 抵抗に加わる電圧 : ~2.7 = 0.6~0.7V 2mA 流した場合 : 電圧 電流 = 0.6~ = 300~350Ω 33

34 ラズパイで始める電子工作 ~LED ライトの点滅 ~ ブレッドボード はんだづけせずに電子回路組みを試すことができる基盤 34

35 ラズパイで始める電子工作 ~LED ライトの点滅 ~ ジャンプワイヤ ラズパイとブレッドボードを 接続するのに必要 35

36 ラズパイで始める電子工作 ~LED ライトの点滅 ~ 電子回路を組むラズパイのピンはそれぞれ役割が異なる 1 番 17 番は3.3Vの電源 2 番 4 番は5Vの電源黒丸はGND( 接地 ) ピン番号表記 GPIO ピンから回路に電源を とり 最後は GND に戻す GPIO 表記 36

37 ラズパイで始める電子工作 ~LED ライトの点滅 ~ 電子回路を組む ただ単純に光らせるだけなら 電源から供給 + 極 - 極 抵抗 LED 接続 1 番のピンから 3.3V の電源をとる 抵抗 LED が直列になるように接続する 最後に GND に電流を逃がす ように接続 37

38 ラズパイで始める電子工作 ~LED ライトの点滅 ~ 電子回路を組む 目的は L ピカではなく L チカ! GPIO2 電圧流す + 極 - 極 抵抗 LED 接続 GPIO2 から出力を制御 抵抗 LED が直列になるように接続する 最後に GND に電流を逃がす ように接続 38

39 ラズパイで始める電子工作 ~LED ライトの点滅 ~ 電子回路を組む ブレッドボード 抵抗 :c1-c4 LED:e4(+)-e5(-) 抵抗 LED 電気の流れる向き ブレッドボードとラズパイ ジャンパーワイヤ ( 赤 ): a1-ピン番号 3(GPIO 2) ジャンパーワイヤ ( 黒 ): a5-ピン番号 6(GND) 39

40 ラズパイで始める電子工作 ~LED ライトの点滅 ~ L チカサンプルプログラム (demo1.py) 40

41 ラズパイで始める電子工作 ~LED ライトの点滅 ~ L チカサンプルプログラム (demo1.py) 一部抜粋 # GPIO 番号指定 GPIO.setmode(GPIO.BCM) # GPIO2 出力指定 GPIO.setup(2, GPIO.OUT) # 1 # 2 1GPIO 番号指定モードの設定を行うボードピン番号で指定する場合は以下の通り記述 GPIO.setmode(GPIO.BOARD) 2GPIO の入出力の設定を行う引数 1 にピン番号 (GPIO 番号 ) 引数 2 に入出力の設定今回は出力指定 41

42 ラズパイで始める電子工作 ~LED ライトの点滅 ~ L チカサンプルプログラム (demo1.py) 一部抜粋 try: while True: GPIO.output(2, GPIO.HIGH) # 3 sleep(1) GPIO.output(2, GPIO.LOW) # 4 sleep(1) except KeyboardInterrupt: # 5 pass GPIO.cleanup() # 6 34ピンの電圧を指定 HIGH(3.3V) LEDを光らせる LOW(0V) LEDを光らせない 5 ユーザが割り込みキー (Ctrl+c とか ) を押下したときに発生 pass は処理を行わない 6GPIO 設定をリセット 42

43 ラズパイで始める電子工作 ~LED ライトの点滅 ~ 実行結果 43

44 ラズパイで始める電子工作 ~ 人感センサで取得 ~ 44

45 ラズパイで始める電子工作 ~ 人感センサで取得 ~ 人感センサ焦電型赤外線センサモジュール今回使用するのは以下スペック 最大検知距離:3~5m 検知角度:100 度 45

46 ラズパイで始める電子工作 ~ 人感センサで取得 ~ 電子回路を組む ブレッドボードとピン番号の紐づけ c8- ピン番号 6(GND) c9- ピン番号 12 番 (GPIO18) c10- ピン番号 4 番 (5v の電源 ) 人感センサレンズのついていないほうが a 側 46

47 ラズパイで始める電子工作 ~ 人感センサで取得 ~ 人感センササンプルプログラム (demo2.py) 47

48 ラズパイで始める電子工作 ~ 人感センサで取得 ~ 人感センササンプルプログラム (demo2.py) 一部抜粋 try: while True: if GPIO.input(18)==1: log() sleep(1) except KeyboardInterrupt: pass # 1 1 ピンの電圧状態を読み取る 48

49 ラズパイで始める電子工作 ~ クリスマス電飾プログラム ~ 49

50 ラズパイで始める電子工作 ~ クリスマス電飾プログラム ~ 準備したものラズパイセット LED( 赤 5 青 5 緑 5) 人感センサ抵抗 (330Ω 3) ブレッドボードジャンプワイヤ ( たくさん ) はんだづけセットクリスマスツリー 50

51 ラズパイで始める電子工作 ~ クリスマス電飾プログラム ~ 費用内訳 ラズパイセット 6,000 円程度 LED( 赤 5 青 5 緑 5) 300 円程度 人感センサ 500 円程度 抵抗 (330Ω 3) 3 円程度 ブレッドボード 300 円程度 ジャンプワイヤ ( たくさん ) 500 円くらい? はんだづけセット 3,000 円程度 クリスマスツリー 1,000 円程度 51

52 ラズパイで始める電子工作 ~ クリスマス電飾プログラム ~ 電子回路を組む前に LEDをたくさん光らせたいが GPIOには限りがあるため赤 緑 青の3パターンで光るタイミングが異なるように実装順番は赤 緑 青上記よりつなぎ方は並列 直列だと電圧を多く必要とするはんだづけでうまくやる ちなみに シフトレジスタを用いれば 個別に LED の点滅を制御できるらしいです ( 今回は不使用 ) 52

53 ラズパイで始める電子工作 ~ クリスマス電飾プログラム ~ 電子回路を組む ピン番号の紐づけ( 電飾赤 ) a15-ピン番号 36(GPIO16) a19- 適当なGND ピン番号の紐づけ( 電飾緑 ) a20-ピン番号 38(GPIO20) a24- 適当なGND ピン番号の紐づけ( 電飾青 ) a25-ピン番号 40(GPIO21) a29- 適当なGND 53

54 ラズパイで始める電子工作 ~ クリスマス電飾プログラム ~ 電飾用サンプルプログラム (demo3.py) 54

55 ラズパイで始める電子工作 ~ 実際に動かしてみる ~ 55

56 ラズパイで始める電子工作 ~ 実際に動かしてみる ~ 実行結果 56

57 ラズパイで始める電子工作 ~ 実際に動かしてみる ~ 所感 なんか想像したのと違う 57

58 ラズパイで始める電子工作 ~ 実際に動かしてみる ~ 原因 色が少ないからしょぼい ( ω `) 58

59 ラズパイで始める電子工作 ~ 実際に動かしてみる ~ ということで買ってしまったフルカラー LED( ここからは番外編 ) 1 つの LED で 3 原色を発光する 色を混ぜることでフルカラーを 表現可能 一個 50 円程度 59

60 ラズパイで始める電子工作 ~ 実際に動かしてみる ~ ということで買ってしまったフルカラー LED( ここからは番外編 ) 左 1: 緑の出力左 2: 青の出力右 2:- 極 ( カソード ) 右 1: 赤の出力 60

61 ラズパイで始める電子工作 ~ クリスマス電飾プログラム ~ 電飾用サンプルプログラム (demo4.py) 61

62 ラズパイで始める電子工作 ~ クリスマス電飾プログラム ~ 電飾用サンプルプログラム (demo4.py) 一部抜粋 # パターン 1 の GPIO 番号 red_pin1 = 5 green_pin1 = 6 blue_pin1 = 12 # パターン 2 の GPIO 番号 red_pin2 = 13 green_pin2 = 19 blue_pin2 = 26 # パターン 2 の GPIO 番号 red_pin3 = 16 green_pin3 = 20 blue_pin3 = 21 # 出力指定 GPIO.setmode(GPIO.BCM) GPIO.setup(red_pin1, GPIO.OUT) GPIO.setup(green_pin1, GPIO.OUT) GPIO.setup(blue_pin1, GPIO.OUT) GPIO.setup(red_pin2, GPIO.OUT) GPIO.setup(green_pin2, GPIO.OUT) GPIO.setup(blue_pin2, GPIO.OUT) GPIO.setup(red_pin3, GPIO.OUT) GPIO.setup(green_pin3, GPIO.OUT) GPIO.setup(blue_pin3, GPIO.OUT) 62

63 ラズパイで始める電子工作 ~ クリスマス電飾プログラム ~ 電飾用サンプルプログラム (demo4.py) 一部抜粋 # PWM の指定 red1 = GPIO.PWM(red_pin1, 50) # 1 green1 = GPIO.PWM(green_pin1, 50) blue1 = GPIO.PWM(blue_pin1, 50) red2 = GPIO.PWM(red_pin2, 50) green2 = GPIO.PWM(green_pin2, 50) blue2 = GPIO.PWM(blue_pin2, 50) red3 = GPIO.PWM(red_pin3, 50) green3 = GPIO.PWM(green_pin3, 50) blue3 = GPIO.PWM(blue_pin3, 50) 1 パルス幅変調の処理 (Pulse Width Modulated) 引数 2 でデューティ比を指定する電気のオンとオフの時間の割合を半分に指定 疑似アナログ制御ラズパイの GPIO はデジタル出力のため値は 0 と 1(ON/OFF) のどちらか 1 周期の中で ON にしている時間と OFF にしている時間の比率 ( デューティ比 ) を使うことで 0~100% の値を扱うことができるようになる 色相 明暗の調整が可能 63

64 ラズパイで始める電子工作 ~ クリスマス電飾プログラム ~ 電飾用サンプルプログラム (demo4.py) 一部抜粋 # 初期の色調設定 red1.start(100) # 2 green1.start(0) blue1.start(0) red2.start(0) green2.start(100) blue2.start(0) red3.start(0) green3.start(100) blue3.start(0) 2 初期の色設定パターン 1: 赤パターン 2: 緑パターン 3: 青 sleep(t) 64

65 ラズパイで始める電子工作 ~ クリスマス電飾プログラム ~ 電飾用サンプルプログラム (demo4.py) 一部抜粋 try: while True: # 1: 緑 2: 青 3: 紫 # 3 change_led_color(red1, green1, blue1, 0, 100, 0) change_led_color(red2, green2, blue2, 0, 0, 100) change_led_color(red3, green3, blue3, 50, 0, 50) sleep(t) # 色調変化 change_led_color(red, green, blue, v1, v2, v3): red.changedutycycle(v1) # 4 green.changedutycycle(v2) blue.changedutycycle(v3) 3 初期の色設定から変化させるパターン 1: 赤 緑パターン 2: 緑 青パターン 3: 青 紫 4ChangeDutyCycle でデューティ比を変更 65

66 ラズパイで始める電子工作 ~ クリスマス電飾プログラム ~ RGB を指定して作れる色 ( ざっくり ) 備考 : RGB 指定をするとこのような結果が得られる ( はず ) 66

67 ラズパイで始める電子工作 ~ 実際に動かしてみる ~ 実行結果 67

68 ラズパイで始める電子工作 ~ 実際に動かしてみる ~ 所感 想像したよりもしょぼい出来の良いものになった! Python の勉強も電子工作も楽しかった!( 小並感 ) いろいろ買い揃えるとお金がかかる & こだわりすぎると終わらない 人感センサーの認識がやや甘い?( 設定はいろいろできるみたい ) Kinect みたいに骨格認識やカメラからフェイストラッキング したほうが認識精度高そうで良いかも あんまり Python が有効活用できていない 68

69 まとめ 今後の展望 69

70 まとめ 今後の展望 まとめ 小型で安価なマイコン ラズパイはアイディア次第で 様々な電子工作が楽しめる 初心者向けにキットが発売されていたり ネットの海には サンプルソースがごろごろ転がっているので敷居は低い ボーナスも出るし 冬期休暇にラズパイの電子工作にチャレンジしてみませんか? 70

71 まとめ 今後の展望 今後の展望 ( 挑戦してみたいこと ) 来年のクリスマスも機会があれば再チャレンジしたい ( 音声出力とか フルカラー LED テープとか ) せっかく Python の勉強を始めたので 今度は機械学習について理解を深めたい また発表する機会があれば 音声認識 音声出力 表情認識に関する成果物を発表したい! 71

72 引用 参考資料 72

73 引用 参考資料 Raspberry Pi 公式サイト Python 公式サイト Raspberry Pi - Wikipedia Python - Wikipedia IT 女子のラズベリーパイ入門奮闘記 73

74 引用 参考資料 悪魔のロボットも作れる? ロボット制御ができる ラズベリーパイ とは 導入編 第 20 回 LEDに接続する抵抗値を計算する第 26 回 Raspberry PiのGPIOを制御する (Python 編 ) Raspberry Pi に焦電型赤外線 ( 人感 ) センサーを接続してみた (Python) Raspberry Pi Wiring Pi でクリスマスツリーを作ってみた 準備編 (c 言語 ) 小型 PC ラズベリー パイ で自作した神作品 10 選の猛者たちが天才過ぎる! 74

75 以上 ご清聴ありがとうございました! 75