配布用Raspberry pi+arduino+scratchでフィジカルコンピューティング体験！
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2015年7月17日に開催された「Raspberry Pi+Arduino+Scratchでフィジカルコンピューティング体験！ ～豆ナイトｘミニQConの夕べ～」の資料です。 http://www.mamezou.com/event/mn_20150717.html
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- 1. パート2 「わくどきワークショップ」 阿部和広 青山学院大学・津田塾大学 非常勤講師 Raspberry Pi+Arduino+Scratchで フィジカルコンピューティング体験！
- 2. 今日やること • 背景 • Raspberry Piに触ってみる • 用語について • Arduinoに触ってみる • LEDを点滅させる(LEDチカチカ=Lチカ) • Scratchでネコを歩かせる • ScratchでLチカ • スイッチを作ってみる • ゲームのコントローラーを作って遊ぶ • ボリュームを作ってみる • 全部はできないかも
- 4. Raspberry Piについて • イギリスのケンブリッジ大学のエベン・アプトンさんたちが 開発 – 4年間で500万台が出荷されています • とても小さい(カードサイズ) • とても安い(2,620円～4,800円) • スマートフォンやタブレットと同じしくみ • 10年前のパソコンと同じくらいの性能 – ARMv6 もしくは v7, 1～4 コア，700～900MHz – RAM 256MB～1GB • いろいろなものをつなげられる(GPIO)
- 5. Raspberry Piの各部の名前 Raspberry Pi Model B
- 6. Raspberry Piの特徴 • 地デジのテレビやアナログテレビにつながる – 映像出力はHDMIとコンポジット • キーボードやマウスはパソコン用のもの – USB接続でそれぞれ1000円以下 • SDカードに記憶する – ハードディスクの代わり。8GBで1000円以下 • 電源はスマートフォンやタブレット用 – USB充電器も1000円以下 • ネットにもつながる – 有線LANは普通の100BASE-T(RJ45)
- 8. Raspberry Piのソフトウェア • ソフトウェアは無料 – OSはLinux (DebianベースのRaspbian)など – ウィンドウシステム(X11, LXDE)はWindowsそっくり • アプリケーションがたくさんある – Webブラウザー (Midori, Epiphany) – オフィススイート (LibreOffice) – グラフィックスソフト (GIMP, Inkscape) – ゲーム (Minecraft Pi) など • 自分でプログラムを書くためのソフトもたくさん – C, Python, Ruby, Java, JavaScript, ドリトル, Arduino – Scratch, Squeak Etoys
- 10. Raspberry Piを組み立てよう ※ 今回はVGAアダプター経由で ディスプレイに接続 ※ 今回は使用 しない 組み立てる部品一式
- 14. 用語について
- 16. アナログ・デジタル • アナログ – 連続値 – 例) 1.43 V, 4.61 V • デジタル – 離散値 – 例) LOW, HIGH • 0から5 Vの間のどこかに閾値 – 0から3.3 Vの場合も
- 17. アナログ入力・デジタルI/O • アナログ入力 – 入力のアナログ値を測定する • 返り値は、0 V～5 Vを0～1023で表したものなど • デジタルI/O – I (Input; 入力) • 入力のデジタル値を測定する – 返り値は、LOW, HIGHなど – O (Output; 出力) • 指定された値により出力する – LOWだと0 V, HIGHだと5Vなど • PWM (Pulse Width Modelation; パルス幅変調) – オンオフを高速で繰り返すことで擬似的にアナログ出力する – 512だと2.5 Vなど
- 19. プルダウン・プルアップ • 入力ピンになにも接続しないと、値が不安定になる • プルダウン – 入力ピンを抵抗を通して、GNDにつなぐ – 通常はLOW, 入力ピンをGNDにつなぐとHIGH • プルアップ – 入力ピンを抵抗を通して、電源につなぐ – 通常はHIGH, 入力ピンをGNDにつなぐとLOW
- 20. Arduinoに触ってみる
- 21. Arduinoとは • Arduino(アルドゥイーノ)は、AVRマイコン、入出力 ポートを備えた基板、C++風のArduino言語とそ れの統合開発環境から構成されるシステム。 Arduino LCC および Arduino SRL が設計・製造 を行い、登録商標を持っている。 – https://ja.wikipedia.org/wiki/Arduino • Arduino LCC – https://www.arduino.cc/ • Arduino SRL – http://www.arduino.org/ • オープンソースハードウェア
- 22. Arduino UNO R3 • マイコンチップ:ATmega328P • 動作電圧:5V • 入力電圧（推奨）:7～12V （DCジャックもしくはVIN端子から 入力） • デジタルI/Oピン:14本（うち6本はPWM出力可能） • アナログ入力ピン:6本（デジタルI/Oピンとしても利用可能） • DC出力電流:1つのI/Oピン当り20mA程度、I/Oピン全部の合計 100mAまで （1ピンあたり40mA以上流すと壊れます） • DC出力電流:3.3V出力ピン 50mA • Flashメモリ:32KB （うち0.5KBをブートローダーで使用） • SRAM:2KB • EEPROM:1KB • クロックスピード:16MHz – https://www.switch-science.com/catalog/789/
- 23. 重要な端子 • USBコネクタ（Bタイプ） – パソコンにつないでシリアル通信と電源供給 • DCジャック（7～12V） – 電源供給 （消費電力の大きなデバイスを使うときなど） • デジタルI/Oピン – 14本（うち6本はPWM出力可能） • アナログ入力ピン – 6本（デジタルI/Oピンとしても利用可能）
- 24. Arduino IDE
- 25. 今回使うのは、中国製 Arduino UNO R3 互換機
- 26. 本家との違い • マイコンチップ – ATmega328P → ATmega328P-AU – DIPから表面実装に – 取り外し、交換が困難 • USBシリアル変換器 – ATmega16U2 → CH340 – CH340のドライバが必要(Windows, Mac, Linux) • 「CH340 ドライバ」で検索 • http://www.wch.cn/download/CH341SER_ZIP.html • Raspbianにはデフォルトでインストール済 • 本日お持ち帰りいただけるのはArduino互換機本 体とUSBケーブル(Bタイプ)
- 29. ジャンパーワイヤー • Arduinoやブレッドボードの配線に使う • ピンがある方がオス、ソケットの方がメス – 今回はオス-オスとメス-メスを使う – オス-メスにしたいときは、オス-オスとメス-メスをつなぐ
- 30. LED • LED(発光ダイオード) – 豆電球と違って、極性がある • 逆につなぐと光らない – 大電流を流すと壊れる 足が長い 足が短い
- 31. 抵抗 • LEDに流れる電流を制限するため、LEDと直列につなぐ – 今回は1KΩを使用 • カラーコードは、 茶黒赤金 – ブレッドボードに 差すときはリード 線をコの字に曲げ て使う – 極性なし
- 33. デジタル13番ピンGNDピン
- 37. サンプルスケッチ「Blink」を開く ※ プログラム = スケッチ
- 39. コンパイルと書き込み
- 40. Scratchでネコを歩かせる
- 41. Scratchって？ • 米マサチューセッツ工科大学(MIT)メディアラボのミッチェ ル・レズニックさんたちが開発 • ものづくりを楽しみながら学べる • ビジュアルプログラミング言語 – マウス操作で命令のブロックを組み立てる – エラーが起こらない • いろいろなパソコンで動く – Windows, Mac OS X, Linux • 作品をネットに共有して、みんなで見られる
- 43. 仙台市立 荒町小学校
- 45. 学年 科目 単元 1年生 市民科 パソコンをつかおう(パソコンの基本操作) 2年生 算数科 かけ算(1) 3年生 理科 風やゴムのはたらき 4年生 国語科 言葉から風景を想像しよう～短歌をデジタル画で味わおう～ 5年生 音楽科 音楽づくり 6年生 市民科 自分たちの学校, プレゼンテーション力をつける 品川区立京陽小学校 全校児童にRaspberry Piを配布 総合ではなく教科の授業でScratchを活用 教科の学習とScratch
- 46. 第2 各分野の目標及び内容 2 内容 D 情報に関する技術 （3） プログラムによる計測・制御に ついて，次の事項を指導する。 ア コンピュータを利用した計測・制 御の基本的な仕組みを知ること。 イ 情報処理の手順を考え，簡単なプ ログラムが作成できること。 中学校学習指導要領 第2章 各教科 第8節 技術・家庭 http://www.mext.go.jp/a_menu/shotou/new-cs/youryou/chu/gika.htm ものづくり教育とScratch
- 47. 計測・制御との親和性 • センサー入力とモーター出力のための仕組みを備える – センサーボード • スライダー, 音, 光, ボタン, 抵抗x4 – LEGO WeDo • 傾き, 距離, モーター • 外部機器接続のためのインタフェース – ユーザーの拡張により、任意の機器を接続可能 – Kinect, Wiiリモコン, Arduino, Mindstorms – Raspberry PiのGPIO(汎用入出力)
- 50. 上板橋第二中学校 技術・家庭科でRaspberry Pi, Scratch, Arduinoを活用
- 51. スクラッチの起動方法 • デスクトップのネコのアイコンをダブルクリック – 初回の起動にはしばらくかかる – 何度もダブルクリックすると、複数起動してしまうので、そ の場合は右上の「x」をクリックして閉じる
- 54. ScratchでLチカ
- 55. ラズベリーパイのGPIO • GPIO(General Purpose Input Output) – 汎用入出力端子 • 電源: 3.3V 50mA: 1, 17 5V 300mA: 2, 4 • 入力: 3, 5, 7, 8, 10, 19, 21, 22, 23, 24, 26 – Scratch GPIOでは、すべての入力ピンは最初プルダウンされてい る(プルダウン抵抗あり) • 出力: 11, 12, 13, 15, 16, 18 – 電圧は0～3.3Vの間で可変(PWM) – 電流は最大で16mA
- 57. Scratch GPIOの使い方 • GPIOを制御するために、専用のスクラッチ「Scratch GPIO」を使う • Scratch GPIOを起動するには、デスクトップの 「Scratch GPIO4」のアイコンをダブルクリックする – 「Scratch GPIO4plus」は使わない – 「遠隔センサ接続が有効になりました」のダイアログは 「OK」で閉じる
- 58. LEDを点滅させる例題 • 「ファイル」メニューから、「開く…」を選び、「blink11」を 選んで「OK」ボタンをクリックする。すると例題が開く • 緑の旗をクリックすると LEDが1秒点灯、2秒消灯 を繰り返す • 「pin11highを送る」で 11番ピンが3.3V(HIGH)になる • 「pin11lowを送る」で 11番ピンが0V(LOW)になる • 秒数の数字をクリックして キーボードから数値を入力 できる(入力後Enterキー)
- 59. スイッチを作ってみる
- 60. 段ボールスイッチをつくろう！ • 約10cm x 20cmに切った段ボールを二つに折り曲げ、 その支点の近くに、少し離した2本アルミテープを貼り ます • それぞれのアルミテープにワニ口クリップをつけます • この開閉により、スイッチをオンオフできます • カスタネットのように握っても良いし、椅子に置いても 良いです • このスイッチをユーザーインターフェースとして、いろい ろな応用ができます