平成26年度熊本高専Arduino講座 第2週 XBeeを用いた遠隔放射線量計測
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熊本高等専門学校が行ったH26年度社会人講座のArduinoによる実用講座 第2週で利用されたスライド資料です。電子工作入門者向けに、XBeeという無線デバイスを用いた観測データの無線伝送をテーマとしました。講義担当はAC科の森下です。 第1週の復習を兼ねて、Ardinoの基本やC/C++の基本に関しても解説しています。足りない情報もあるかと思いますが、ご了承下さい。
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平成26年度熊本高専Arduino講座 第2週 XBeeを用いた遠隔放射線量計測
- 1. XBeeを用いた無線による 遠隔放射線量計測 H26熊本高専社会人講座 Arduinoによるマイコン実用講座第2回 2014-09-13 Katsuhiro Morishita（森下功啓） 1
- 2. Index • 講師紹介 • テーマ説明 • 電子回路の基礎 • 無線通信 • 放射線量の計測 • 参考情報 2
- 3. 講義スケジュールと諸注意 • 講義時間：9:00〜16:50 • 昼食：11:50〜13:00 • 休憩インターバル：50分講義, 10分休憩 • ICTセンターでは飲食禁止です 3 質問は随時！！
- 4. 講師紹介 • 2006年八代高専機械電気工学科卒 • 2008年八代高専専攻科修了 • 2010年熊本大学情報電子工学専攻修了（修士） • 2013年熊本大学情報電子工学専攻修了（博士） – 1年間、民間経験, 5ヶ月間、熊大で研究補助 • 専門：GPS/GNSS、いろいろ計測 • 得意技：電子工作, プログラミング • 好きなこと：登山、釣り、作ること4
- 5. これまでの代表作品（予定含む） • 自動走行ロボ • 全身反応測定器 • 温度場計測デバイス • 野生動物追跡システム • 無線制御式LED制御デバイス • 遠隔雨水タンク監視・排水システム • 車椅子利用者負荷量計測デバイス 5
- 6. 逆自己紹介 • 自慢の一品 • これから何を作りますか？ • 興味のあること • 今日、身につけたいこと • プログラミングの経験 • 第1回に関する質問があればどうぞ 6
- 7. 本日のテーマ 7
- 8. 到達目標 • 無線デバイスを用いてシリアル通信ができる • 無線でセンサデータの通知ができる • 放射線の種類を説明できる • 放射線量の計測ができる • 部品の資料を調べられる • 最新のライブラリを入手できる 8
- 9. 観測データの処理は各自の課題 • データの継続的収集 • データのデータベース登録 • サーバ立ち上げ • 機械学習 • ノイズ除去 • 処理の自動化 • etc. 9 リクエストはなかったし・・・ 今日は扱いません
- 10. データフレーム設計も各自の課題 • 通信に慣れてくると必要性を感じるはず • 通信速度、誤り検出、パケットロス、再送処理、 データ転送形式、、、考慮すべきことは多い 今日は扱いません 10
- 11. 電子工作の基礎 11
- 12. 基本ワード 12 ワード意味 AD変換電圧を計測して、デジタル情 報とすること シリアル通信1本の電線で1 bitずつデータ を伝送する通信方式 ブロードキャスト接続された全ノードを対象と してデータを送信する行為 ユニキャスト特定のノードに対してデータ を送信する行為
- 14. マイコンとプログラムの関係 • マイコンはCPU、RAM、ROM、他を内蔵 • ROMといっても、書き換えが可能 • プログラムはROMに書き込まれる • マイコンは起動後にROMの先頭から実行 • 命令を1つずつCPUに入力しながら処理 • 命令は0と1（LowとHigh）で人間には分かり辛い 14
- 15. コンパイル • 計算機の理解できる書式に変更 15
- 16. ブートローダによるプログラム書き込み • ブートローダ – プログラム書き込み器を省略できる – マイコンに予め書き込んでおく • ブートローダの動作 – 電源ON直後に起動 – 起動後一定時間、特定の信号入力を待つ – 書き込み信号を検出するとプログラムを受信 – 自身とは重ならない部分に受信したコードを書き込む *ブートローダがなくても書き込みは可能ですが、専用のハードウェアが必要です16
- 17. Arduino IDEとProcessing IDE • 似ているのは見た目だけ • 言語はC++とjava 17
- 18. Arduino IDEの入手先 • http://arduino.cc/en/Main/Software 18
- 19. Arduino IDEのボタン 19 コンパイル＆書き込み （プログラムの転送） コンパイルテストシリアルモニタ起動 ＊Mac版のスクリーンショットです
- 20. Arduino IDEのメニュー サンプルコード等ライブラリの利用等 マイコンの選択通信ポートの選択 ＊Mac版のスクリーンショットです20
- 21. C言語の基本構造 #include<stdio.h> #define IO_NUM 6 int io_status = 0; void sub(int value1, int value2) { return vaule1 - value2; } int main(void) { int fuga = sub(100, 50); return 0; } 21 #incude #define グローバル変数 様々な関数 main関数
- 22. Arduinoのプログラム構造 #incude #define 右では略 グローバル変数 様々な関数 setup関数 loop関数 22 NEW NEW *Arduinoはコンパイルの直前にタイマー処理とmain関数を自動的に貼り付けて いる。main関数の中身は、{(void)setup();while(1){(boid)loop();}}
- 23. setup関数の役割 • setup()は起動直後に1度だけ実行 • ハードウェアの基本的な設定を記述すると楽 23 図Srialポートを使って9600 bpsでのシリアル通信を 行う準備を実施するコード
- 24. loop関数の役割 • loop()は無限に実行する内容を記述 24 図無限にAD変換値をシリアル出力するコード
- 25. Arduinoの開発言語はC++ • オブジェクト指向に対応 • クラスを利用できます 25 class TimeOut { private: long timeout_time; public: // set timeout time width void set_timeout(long timeout) { this->timeout_time = millis() + timeout; } // timeout check, true: timeout boolean is_timeout() { if(millis() > this->timeout_time) return true; else return false; } // constructer TimeOut() { this->timeout_time = 0l; } }; クラスの例
- 26. クラスを利用するメリット • アクセス制御 – デバッグし易い – プログラム設計上、考慮項目数が減る • コードの相互依存性を減らせる – 脱スパゲッティコード！ • 複数人でのプログラム開発 – 役割分担の明確化 • コードの再利用性が上がる 26
- 27. コードを理解させない技 • ファイル間をまたがるグローバル変数 • 無関係な関数を１つのファイルに格納 • 1つの関数が長い • インデントしない • 名前で中身が推察されない変数名 27
- 28. 分かりやすいコード • ファイル間で変数を共有しない – データ引き渡し用の関数を用意 • データに紐付いた関数を集めてクラス化 • 関数はせいぜいモニタ1.5画面分と短く • インデントする • 変数名でデータが推察できる 28
- 29. 演算子の優先度 29 “*” == “/” > “+” == “-” 例：int a = 100 * 20 + 40 aには何が代入される？ *同位の演算子は左にあるものが優先 **丸括弧（）で囲われた中を最優先で処理
- 30. Arduinoでエラーが出たら • エラーメッセージを読む • 理解不可能な場合 – メッセージをコピーして、ネットで検索 – ””で括るのを忘れずに 図エラーの例30
- 31. 電波を使った無線通信 31
- 32. 電波==電磁波 • 電磁波 – 電界と磁界の相互作用で伝搬する波 – 電気を帯びた粒子と相互作用 – 周波数で伝搬特性が大きく変わる • 水中は無理 32 *図はWikipediaより引用
- 33. 通信方式と特徴 通信規格スループットネットワーク対応消費電力 メーカー独自NA NA NA 3G 製品次第× 高 Wi-Fi 大対応製品が必要高 Wi-Sun 未知数30ホップ対応未知数 Bluetooth 3.x 大× 中 Bluetooth 4.x 極小× 極小 ZigBee 小 メッシュ対応 ホップ数は10程度 小 33 *3G, Wi-Fiはインターネットへの接続性が高い
- 34. ZigBee • センサネットワークを念頭に規格化された近 距離無線通信規格 • ベース規格はIEEE802.15.4 34
- 35. 目的に合わせて、無線器を選択 • 通信距離 • 必要なスループット – 通信速度 – 平均通信データ量 – バースト通信データ量 • 消費電力 35
- 36. この講座では、XBeeを利用 • シリーズ1（S1）を利用 図左：2009年購入品右：2011年頃の購入品36
- 37. XBEE 37
- 38. XBee • Digi-International社が開発 • オフィシャルサイト – 日本語：http://www.digi-intl.co.jp/products/wireless-wired-embedded-solutions/ zigbee-rf-modules/zigbee-mesh-module/index.html – 英語（より詳細）：http://www.digi.com/products/wireless-wired-embedded-solutions/ zigbee-rf-modules/zigbee-mesh-module/ • IEEE802.15.4規格を利用 38
- 39. XBeeのポートマップ 39
- 40. 日本で利用可能なXBeeの種類 • アンテナタイプ – ウィップ、PCB、ダイポール（DP） @2014-09-12 通信規格周波数（@2014-09 日本） Wi-Fi 2.4 GHz 40 IEEE802.15.4ベース /DigiMesh (S1) 2.4 GHz いつか920MHZがでるらしい ZigBee (S2) 2.4 GHz いつか920MHZがでるらしい *無線機は、電波を出すために国の認可を受けている必要があります。
- 41. XBeeとマイコン間の通信速度 • 最大、57,600 bps（単位はbaudと書くことも） • 連続でさばけるスループットは38,400 bps 41
- 42. XBeeの電源電圧 • シリーズによって異なるが、概ね3.3 Vで動作 • 5 V以上や、0 V以下を印加すると破壊する 42
- 43. API通信モード API通信モードでは以下を実現できる • データの到達判定 • 受信時の電界強度取得 • ホップ数の調整 • ブロードキャスト/ユニキャストの選択 • 送信者の判別 43 header length address others 送りたいデータcheck sum APIデータフレームのイメージ（正確にはちょっと違う）
- 44. APIモードの使い分け • API OFF: – 有線のシリアルを無線に置き換えるだけ – バイナリデータも送れる† – 文字化けに弱い • API通信モード（with escapeモードがおススメ） – 半端に文字が化けることがほぼ無い – 受信電界強度（RSSI）や送り主が分かる 44 †：”+++”は送らないこと。ATコマンドモードに入ってしまう。
- 45. XBeeを使うために必要なもの • XBee-PC接続デバイス • XCTU（ソフトウェア） 45
- 46. XCTU • XBeeの設定，モニタリング用ツール • Windows/MacOSで動作 • 入手先@2014-09-13 – http://www.digi.com/products/wireless-wired-embedded- solutions/zigbee-rf-modules/xctu 46
- 47. 最低限のXBeeに必要な設定 XCTUを使って以下の項目を設定 • ファームウェア† • チャンネル（周波数選択）† • PAN ID† • APIモード利用の有無 • 通信速度（ボーレート, baudrate, bit-rate）‡ †：設定が一致したXBee同士で通信可能 ‡：有線で接続されたArduinoと同じ値に設定のこと 47
- 48. この演習での設定 • ファームウェア：802.15.4 • チャンネル：D • PAN ID：2221 • APIモード： OFF（透過モード） 48
- 49. 課題1 • XCTUをインストール • XCTUを使ってXBeeを設定 49
- 50. 課題2 • パソコン同士で、XBeeを使ってチャット 50
- 51. 課題3 Arduinoを使って、 • 自分の名前（ローマ字）をブロードキャスト • 演者PCモニタに表示されたら成功 51
- 52. 課題4 • 照度を計測して、ブロードキャスト • 演者PCモニタに表示されたら成功 52
- 53. 課題5 Arduinoを使って、 • “Hi, [your name]!”に返事する – [your name]: 森下なら、”morishita” – 返事文はなんでもOK 53
- 54. 放射線量の計測 54
- 55. 放射線とは？ 55 ？ *γ線、β線、α線、その他電離作用のある粒子や電磁波
- 56. 計測方法 センサの例 • 光電子増倍管 • 結晶＋フォトダイオード 56
- 57. 今日利用するデバイス • エステー社製エアカウンター – http://www.st-c.co.jp/air-counter/ • ガンマ線に対応 57 これです
- 58. 電気的接続 エアカウンター ポート名 ライン色（配布した 機材にのみ有効） 接続する Arduinoポート名 備考 VBAT 白D6 3.0 – 5.0 V印加OK GND 黒GND Tx 紫D8 Rx 灰D9 要：抵抗による分圧 SW 青D7 2 kOhmを介すこと 58 図抵抗の配置 330Ω 200Ω 330Ω Arduino UNO エアカウンター 3.3V Rx D9 D7 SW 2kΩ
- 59. スケッチ • 放射線量を計測し、シリアル出力します • 入手先 – https://github.com/KatsuhiroMorishita/AirCounte rControler_for_Arduino 59
- 60. 課題1 • 最新のソースコードを入手 • プログラムを書き込んで、動作チェック • 実行したら何か表示されましたか？ 60
- 61. 課題2 • 放射線量の計測値を無線で飛ばしましょう • 森下のモニタに表示されればOK • データには自身の名前を添付しましょう – 例：「morishita: 0.07 uSv」 61
- 62. 参考文献 62
- 63. Googleで検索 • キーワードは大事 • 日本語で資料がなければ英語で検索 • 英語のサイトを見つけたら、自動翻訳 63
- 64. 参考サイト • Arduino公式 • Arduino日本語解説 • ソフトウェア共同開発サイトGitHub • 個人ブログ 64
- 65. 参考図書 • Arduinoをはじめよう • Prototyping Lab • Arduinoで計る、測る、量る • ZigBee開発ハンドブック • 超お手軽無線モジュールXBee • XBeeでつくるワイヤレスセンサネットワーク 65
- 66. 本講義の資料など • GitHubやSlideShareへアップロード • 本講義オフィシャルサイトにまとめます 66
- 67. まとめ 67
- 68. まとめ • 無線通信デバイスを使いました • 放射線の計測も行いました 68
- 70. 本講義を手伝ってくれた村山先生、湯 治先生、ティーチングアシスタントの学 生諸君、本当に有難うございました。 70 人´∀｀).☆.。.:*ありがとぉ
- 72. Arduinoの説明 http://www.teu.ac.jp/press/2012.html?id=128 72 • マイコンボード（基板）の一種 • イタリア生まれ • 芸術大学の学生用に開発 • オープンソース，オープンハードウェア • 世界中の人がソースコードを提供 • 様々な種類 – UNO, mega, DUE, TRE, etc. • 同じ命令体系 • 様々なセンサーを簡単に接続
- 73. Arduinoとパソコンの接続と COMポート確認for Windows • 目的 – Arduinoへのプログラムの書き込み，通信 • 手順 – ArduinoをUSBで接続 • ドライバのインストールが必要な場合は、Arduino IDEのディレクト リ中にある「drivers」フォルダを指定してドライバをインストール – シリアル通信のために、COMポートを確認 • 「コンピュータ」のプロパティからデバイスマネージャ • デバイスマネージャの中にCOMxはあるか？ – xはローマ数字 – Arduino IDEを立ち上げて、 • マイコンボードの種類をセット • COM番号をセット • シリアルモニタを起動 • 通信速度をArduinoに合わせる 73 *Arduino DUEはWindowsでのみシリアル通信可能です
- 74. Arduinoとパソコンの接続と COMポート確認for Mac • 目的 – Arduinoへのプログラムの書き込み，通信 • 手順 – ArduinoをUSBで接続 – シリアル通信のために、シリアル通信ポートを確認 • terminal立ち上げ • “cd /dev” を実行 • “ls” を実行 • 表示された中から、Arduinoっぽいのを探す • USBケーブルを切断してもう一度確認すると消えている名前がある。 それがArduinoとの通信に利用しているシリアルポート – Arduino IDEを立ち上げて、 • マイコンボードの種類をセット • シリアルポートをセット • シリアルモニタを立ち上げ • 通信速度をArduinoに合わせる 74 *Arduino DUEはWindowsでのみシリアル通信可能です
- 75. mbedもある • https://mbed.org/ 75
- 76. 公開講座への要望募集 以下は森下個人の感じていることです • 学校運営交付金が徐々に減少している • 地域貢献活動予算も縮小は避けられない • 社会人講座の参加料も上るかも？ • どんどん、開催講座の内容を要望しよう 76