KOGEI & KAIT Funnel WS

東京工芸大学×神奈川工科大学
Funnelワークショップ
3日目担当：小林茂（kotobuki [at] yapan.org）
2008 年 11 月 24 日：東京工芸大学

自己紹介
• 1970年愛知県名古屋市生まれ
• 電子楽器メーカー（1993∼2004）
– サウンドデザイナー
– 技術研究所
– ソフトウェアエンジニア
• IAMAS（2004∼）
– フィジカルコンピューティング
– インタラクションデザイン

自己紹介：ツールキット開発の動機
• ハードは気軽にスケッチできない
→ソフトが動いた段階で気がついても遅い
• 実際に動くまでは想像で進めるしかない
→建設的なディスカッションが行われにくい
• デザイナーとエンジニアの共通言語がない
→コミュニケーション上の齟齬が多発する
→インタラクションデザインのプロセスで使える
ツールキットが必要なのでは？

自己紹介：書籍（執筆）
Make日本語版Volume 04
特集「Sketchーハードウェアでスケッチする」
オライリー・ジャパン編（オライリー・ジャパン・2008年）

自己紹介：書籍（執筆）
Make日本語版Volume 05
「Sketch / Prototype―素材として使える電子回路」
オライリー・ジャパン編（オライリー・ジャパン・2008年）

自己紹介：書籍（共著）
＋GAINER
GainerBook Labo＋くるくる研究室（オーム社・2008年）

自己紹介：書籍（監修）
Making Things Talk
Arduinoで作る「会話」するモノたち
Tom Igoe 著・小林茂監訳・水原文翻訳（オライリー・2008年）

Making Things Talkの紹介
扱っているテクノロジー
• Arduino
• Processing / PHP
• Ethernet
• Bluetooth
• IEEE 802.15.4 / ZigBee
• RFID
• 基本的なCV

Making Things Talkの紹介
さまざまなプロジェクト
• モンスキーポン
• ネットワークに接続された猫
• ネットワーク大気清浄度計
• 太陽電池のデータをワイヤレス中継
• デジタルコンパスを使って進路を知る
• ウェブカムを用いた2次元バーコード認識
• RFIDを使ったホームオートメーション

自己紹介：Sketching in Hardware 3
• フィジカルコンピューティングに関する会議
• 2008.7.25∼27の3日間開催
• 参加者は約40名
• 全員が発表
• 濃密な情報交換とコミュニティ作り
• 最後に「Sketching in Hardware」を実践

本日の内容
• FunnelでGainer I/O以外を使うには
• さまざまな無線通信の特徴
• XBee無線モデムの使い方
• FIO（Funnel I/O）の使い方
• FIOを使った制作

Funnelとは？：背景
• Gainerはいわばシンプルなドライバ
→複雑な現実世界を扱うにはもう少し高次の
レベルが必要なのでは？
• 全ての用途をカバーできるツールキットはない
→ツールキットの使い分けは容易ではない
• 有線接続だと体験に制限がでてしまう
→簡単に利用できる無線接続が必要

Funnelとは？：コンセプト
• 単純で透明
• スケッチ∼プロトタイプまで使える
• デザイナーとエンジニアの「共通言語」

Funnelとは？：関連
Sketching User Experiences
Getting the Design Right and the Right Design
Bill Buxton（Morgan Kaufmann Pub・2007年）

Funnelとは？：関連
出典：Bill Buxton, Sketching User Experiences (2008)

Funnelの特徴
• 疑似コード風のコーディング
• 入出力をより簡単に扱うためのフィルタ
– ローパス、ハイパス（Convolution）
– 入力を設定した閾値で分割（SetPoint）
– スケーリング（Scaler）
– オシレータ（Osc）
• 複数のI/Oモジュールに対応

Funnelの構成
USB XBee
Dongle
Gainer
I/O Module
Arduino
(with Firmata)
USB XBee
Dongle
Funnel Server
ActionScript 3 Processing
Max/MSP
etc.
Ruby
AS3 Library
Processing
Library
OSC LibrariesRuby Library
Funnel I/O
Digi International
XBee
Funnel I/O
Digi International
XBee

Arduinoとは？
• Hernando Barrag´anがIDII*1
にいた時に
開発を始めたWiringがベース
• 電子回路をプロトタイピングするための
オープンソースのプラットフォーム
• IDEとArduino I/Oボードから構成される
*1 Interaction Design Institute Ivrea

Wiring
写真：SparkFun Electronics

Arduino Duemilanove

オープンソース・ハードウェアとは？
• ハードウェアのデザインデータがオープン
– 回路図
– 基板レイアウト
• ライセンスに基づいて自由に改変できる

LilyPad Arduino

Arduino Pro Mini

Arduino ProtoShield

Arduino XBee Shield

Arduinoの各部紹介
デジタル入出力 x14
アナログ入力 x6GND+5V
GND

比較：Gainer vs Arduino
Gainer Arduino Duemilanove
入出力ピン 16 20（RX/TXを含む）
A/D 8（8bit） 6（10bit）
PWM 8（8bit） 6（8bit）
ユーザLED 1 0
ユーザLED 1 1（D13兼用）
オープンソース Yes Yes
スタンドアロン No Yes
重点シンプルさ拡張性

Arduinoを用いるメリットは？
• シンプルに記述できる
• 非プログラマでも取り組みやすい
• 多くの利用例が公開されている
• 登場する「おまじない」が少ない

比較：ArduinoでのLED点滅
コード例 1 Arduino言語でのLED点滅
int ledPin = 13;
void setup() {
pinMode(ledPin, OUTPUT);
}
void loop() {
digitalWrite(ledPin, HIGH);
delay(1000);
digitalWrite(ledPin, LOW);
delay(1000);
}

比較：通常のC言語でのLED点滅
コード例 2 通常のC言語でのLED点滅の例
#include <avr/io.h>
#include <avr/pgmspace.h>
#include <avr/delay.h>
#define CLK_CALIB_DATA (FLASHEND - 3)
void init() {
uint8_t osccal_data = pgm_read_byte(CLK_CALIB_DATA);
if (osccal_data != 0xff) OSCCAL = osccal_data;
DDRB = 0xff;
DDRD = 0xff;
return;
}

比較：通常のC言語でのLED点滅
コード例 3 通常のC言語でのLED点滅の例（続き）
void delay_ms(uint16_t t) {
while (t--) _delay_ms(1);
}
int main(void) {
init();
for (; ;) {
PORTB = 0xff;
delay_ms(500);
PORTB = 0x00;
delay_ms(500);
}
return 0;
}

Arduinoを用いるデメリットは？
• C/C++ベースなのでサイズが大きくなりがち
• 実行速度の面で不利な場合もある
• デバッガは利用できない

ArduinoとPCをつなぐ方法
• 有線
– シリアル
– USB
– Ethernet
• 無線
– Bluetooth
– IEEE 802.15.4 / ZigBee
どのようにデータをやり取りするかについて
取り決め（＝プロトコル）が必要

プロトコル：Firmata
http://www.arduino.cc/playground/Interfacing/Firmata
• Hans-Christoph Steinerが提案
• MIDIを参考にしたプロトコル
• Arduino 0012から標準に

Firmataに対応したPC側のライブラリ
• Pd (aka Pure Data)
• Processing
• Funnel
• Linux C++
• C++/openFrameworks

FunnelでArduinoを使うには
コード例 4 FunnelでArduinoを使う例
import processing.funnel.*;
Arduino arduino;
void setup() {
Configuration config = Arduino.FIRMATA;
config.setDigitalPinMode(13, Arduino.OUT);
arduino = new Arduino(this,config);
}
void draw() {
if (mousePressed) {
arduino.digitalPin(ledPin).value = 1.0;
...

FunnelでXBeeを使うには
コード例 5 FunnelでXBeeを使う例
XBee xbee;
void setup() {
int ids[] = {1};
xbee = new XBee(this, ids);
}
void draw() {
float value = xbee.iomodule(1).port(0).value;
...

FunnelでFIOを使うには
コード例 6 FunnelでFIOを使う例
Fio fio;
void setup() {
int[] ids = {1};
Configuration config = Fio.FIRMATA;
config.setDigitalPinMode(12, Fio.IN);
fio = new Fio(this, ids, config);
}
void draw() {
if (fio.iomodule(1).digitalPin(12).value == 0) {
background(200);
...

FIO: Funnel I/O Module v1.3
• LilyPad v1.6がベース
• 3.3V動作
• Arduino互換機（動作速度は8MHz）
• XBee無線モデム（802.15.4またはZigBee）
• 充電器内蔵
• シールドでさまざまな機能を拡張

FIO：使用例（スタンポロン）

FIO：現状について
• FIO v1.0をベースに実際に使用して検証
• Nathan Seidle*2
と共同で改良
• 12月上旬頃SparkFun Electronicsから発売
*2 SparkFun ElectronicsのCEO

さまざまな無線通信の方式とその特徴
Wi-Fi Bluetooth 802.15.4 / ZigBee
IEEE規格 802.11b 802.15.1 802.15.4
通信距離約100m 約10m 約30m
最大通信速度 11Mbps 1Mbps 250kbps
接続ノード数 32 7 65535
電池寿命数時間数日数年
ネットワーク構成スター型スター型スター型・メッシュ型など
主な用途無線LAN 携帯電話セキュリティ機器
表1 代表的な2.4GHz帯無線通信方式の比較

Point to Point
Point to Multi
Star
802.15.4 Coordinator
802.15.4 End Device
IEEE 802.15.4で可能な構成

IEEE 802.15.4デバイスの種類
• コーディネータ（1個）
• エンド・デバイス（複数）

Mesh
Coordinator
End Device
Router
ZigBeeで可能となるクラスタツリー／メッシュ構成

ZigBeeデバイスの種類
• コーディネータ（1個）
• ルータ（複数）
• エンド・デバイス（複数）

XBeeの特長
• IEEE 802.15.4とZigBeeの2つのモデル*3
– XBee 802.15.4
– XBee ZB ZigBee PRO
• 比較的低価格（国内モデルで約3500円）
• 日本国内でも利用できるよう認証取得済み
• 利用方法を解説した書籍がある
*3 モデル間での相互接続性はない

XBeeの注意点
• 電源電圧は5Vではない
• UDPと同様に相手にパケットが届くことが
保証されない
• 同じチャンネルを使用するデバイス全体で
帯域幅は100kbps程度

参考資料（日本語）
• アルファ電子株式会社
http://www.alpha-denshi.co.jp/seihin/toriatukai/Digi/TechDB/
– 基本的なドキュメントの日本語版
– 内容的には最新でない部分もある

XBeeの設定方法の説明と簡単な通信
• Windows XP/Vistaの場合
– 専用ユーティリティーX-CTUを使う方法
– Acknowrichを使う方法
• Mac OS Xの場合
– screenコマンドを使う方法
• 共通
– Processing用のスケッチを使う方法

専用ユーティリティーX-CTUを使う方法
1. X-CTUをダウンロードする
http://tinyurl.com/4ltzop
2. ダウンロードしたファイルを実行してインス
トールする
3. X-CTUを起動して該当するポートを選択する
4. Serialタブを開いて通信する

screenコマンドを使う方法
1. Terminalを起動する
2. $ screen /dev/tty.usbserial-XXXXXXXX 19200
とタイプする*4
3. Terminal上でキーをタイプするとモデムに送信され、
返信された内容だけが表示される
4. 終了するにはctrl-aに続けてctrl-をタイプする
5. Really quit and kill all your windows [y/n]
に対してyをタイプする
*4 今回配布したXBeeは19200bpsに設定されているが
デフォルトは9600bps

Processing用のスケッチを使う方法
1. Making Things Talkのサポートページからコードを
コピーする
http://www.makingthingstalk.com/chapter6/31/
2. Processingを起動してスケッチにコードを
貼付ける
3. スケッチを実行する
4. Display Windowをクリックしてアクティブにする
5. キーボードからATコマンドをタイプする

1. +++をタイプする（returnなし）
2. 1秒程度待つ
3. received:の下にOKが表示される
4. ATID 1111のように入力して最後にreturn
5. 電源をオフにした後も設定を保持するには
最後にATWRコマンドを実行する
6. キー入力終了後に一定時間が経過すると自動的に
コマンドモードに戻る

XBee無線モデムの設定
コーディネータエンドデバイス備考
ATID 1234 1234 チームごとに別のPAN IDを設定
ATMY 0 1 自分のアドレス
ATDL FFFF 0 相手のアドレス（下位16ビット）
表2 FIOを使用するためのXBee無線モデムの設定（主なもの）

FIO：動作確認
• XBee Explorer USBをPCに接続
• Arduino 12を起動
• Tools→Boardから
Arduino Pro/ Pro Mini (8MHz)を選択
• Tools→Serial Portから
/dev/cu.usbserialで始まるポートを選択
• Open→Examples→Digital→Blinkを選択
• Upload to I/O Boardでアップロード

FIO：準備
• hardware/ﬁo/ﬁrmware/FioStandardFirmata
を選択
• Upload to I/O Boardでアップロード

FIO：動作確認
• FIOの電源をオンにする
• XBee Explorer USBをPCに接続
• Funnel Serverを起動
• ProcessingでDigitalOutFIOを開いて実行
• マウスボタンを押す／離すとFIOのLEDが
点灯／消灯することを確認する

FIO ProtoShieldについて
• ブレッドボードを搭載したシールド
• 回路を組む間は必ず電源をオフにする
• FIO本体から外す時は非導電性のツールを使用
• 部品を追加すればI2
Cも利用可能

FIO：加速度センサを接続する

加速度センサの動作確認
• SimpleScopeFIOを開いて実行
• X / Y / Zそれぞれの軸の変化を確認する
– 傾ける
– 振る

加速度センサの用途
• 動きの検出（動的加速度）
• 傾きの検出（静的加速度）
→なぜ加速度センサで傾きが検出できるの？

加速度センサの出力から角度を求める
• フィルタで細かい動きを取り除く
• -1から+1までにスケーリングする
• 逆sin関数を用いて角度に変換する
• 必要に応じてラジアンから度に変換する

センサの出力から角度を求める（1/2）
コード例 7 スムージング＋スケーリングの例
void setup()
{
...
int moduleIDs[] = {1};
fio = new Fio(this, moduleIDs, Fio.FIRMATA);
Filter f0[] = {
new Convolution(Convolution.MOVING_AVERAGE),
new Scaler(0.30, 0.70, -1.0, 1.0, Scaler.LINEAR, true)
};
...
fio.iomodule(1).analogPin(1).filters = f0;
...
}

センサの出力から角度を求める（2/2）
コード例 8 逆sin関数を用いて角度に変換
void draw()
{
...
rotateZ(-asin(fio.iomodule(1).analogPin(1).value));
rotateX(asin(fio.iomodule(1).analogPin(2).value));
...

FIO：加速度センサ＋スイッチを接続する

SetPointとOscの使い方
コード例 9 暗くなるとLEDを点滅
void setup()
{
...
int[] moduleIDs = {1};
// ArduinoでGainerのaoutに相当するモードはPWM
Configuration config = Fio.FIRMATA;
config.setDigitalPinMode(11, Fio.PWM);
fio = new Fio(this, moduleIDs, config);
Filter f[] = {
// パラメータは閾値とヒステリシス
new SetPoint(0.5, 0.05)
};
fio.iomodule(1).analogPin(0).filters = f;
...

コード例 10 暗くなるとLEDを点滅（続き）
...
// パラメータは波形、周波数、繰り返し回数（0は無制限）
osc = new Osc(this, Osc.SIN, 0.5, 0);
osc.serviceInterval = 40;
osc.addEventListener(Osc.UPDATE, "oscUpdated");
}
// オシレータが更新する度に呼ばれるイベントリスナ
void oscUpdated(Osc osc)
{
fio.iomodule(1).digitalPin(11).value = osc.value;
}

// SetPointをセットした入力が0から1に変化する時に呼ばれるイベントリスナ
void risingEdge(PortEvent e)
{
// Arduinoでピンを連番で表現する際、A0はD13の後の14番になる
if (e.target.number == 14) {
// 明るくなったらオシレータを停止してLEDを消灯
println("BRIGHT");
osc.stop();
fio.iomodule(1).digitalPin(11).value = 0;
}
}

// SetPointをセットした入力が1から0に変化する時に呼ばれるイベントリスナ
void fallingEdge(PortEvent e)
{
// Arduinoでピンを連番で表現する際、A0はD13の後の14番になる
if (e.target.number == 14) {
// 暗くなったらオシレータを再スタート
println("DARK");
osc.reset();
osc.start();
}
}

お知らせ
IAMAS Gangu Project - Work in Progress
• 場所：AXIS Gallery
• 日時：12月25日（木）∼27日（土）
11:00∼19:00（27日は17:00閉場）
• 内容：電子玩具のスケッチ∼プロトタイプの
展示＋ワークショップ
• 詳細：http://www.iamas.ac.jp/project/ui/

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