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お手軽マイコンを用いた 水槽管理システム あくあたんの紹介
- 1. お手軽マイコンを用いた 水槽管理システム あくあたんの紹介 水野 修 / @omzn （京都工芸繊維大学）
- 3. 自己紹介 • 水野 修 • 京都工芸繊維大学 准教授 (2009~) • 博士(工学) 大阪大学
- 4. 専門分野 • ソフトウェア工学 • ソフトウェアの不具合予測 • ソフトウェアリポジトリのマイニング • 失敗プロジェクトの予測 • ソフトウェアプロジェクトシミュレータ
- 6. 組み込みシステムとIoT • KITの情報工学では，モノと人間と情報を扱う研究室が多 く，カリキュラムにも特色がある． • 組み込みシステムに関する講義・実験もそのひとつ． • 現在はARM Cortex-M4コアのボードを使ったベルト コンベアシステムの制御を学生実験として実施中． • 組み込みシステム実験を2年間担当するうちに，いろい ろ知識が増えてきた．
- 7. なぜこうなっ たか • 2012年 • カナダ長期派遣 • 講義・実験・演 習免除 意気揚々と遊んでいた Kingstonの図
- 8. 2013年，帰国 • 「じゃあ，2013年度か ら新しい実験立ち上げま すから．」 • ええっ． • 「組み込み実験ですから， いろいろ新しく作ってい きますよ！」 • ええっ． 意気消沈して帰ってきた 京都の図
- 9. その時点での スキル • LEDに電圧かければ光る し，抵抗入れないと壊れる ぐらいは知ってる． • 人が作った回路は作れるけ ど，自分で回路を作ること はできない． • マイコンは話にはきいたこ とあるけど，どうやってプ ログラム書くのかとか知ら ない．
- 10. 1年で • 基本的なところはなん とか理解． • ベルトコンベアシステ ム • カラーセンサで色を判 定し，特定色のトーク ンだけを外へ出す．
- 11. 時間を取られた 勉強させてもらった 度合い • 2013年の研究業績が わずか3件に激減 :-) • 真剣に教育に軸足 を置くと，研究が 寂しくなることを 身をもって実証． 異動 海外 組み込み実験
- 14. 組み込み実験: 方向整列機
- 15. ソフトウェア屋が学んだこと • 要は各ピンに0,1を出すプログラムを作れれ ば，何とかなる • 意外となんとかなるという妙な自信． • いきなり本格的なところから入ったので， Arduinoなどが超お手軽にみえるようになっ た．
- 16. 体験学習 • 夏休みに小中学生を招いて，Arduinoを使った 電子工作＋プログラミングの体験をしている • Arduinoがお土産にもらえるので，夏休みの 宿題にぴったり? • 小学生5年生でも意外とできる．
- 17. 水槽カメラロボット
- 18. 2013年春
- 19. 生体 • イモリ数匹 • サワガニ数匹 • オイカワ • グッピー • メダカ
- 20. この時点での 水槽 • LEGO mindstormで作っ た水槽写真撮影システム • USBカメラの映像を受け るために，背後にLinux のサーバを置いていた． • USB温度計で水温計った りもしていた．
- 21. ずっと気になっていたこと • LEGOのコントロールユニットが機能不足， そして不安定 • 自分で全て制御できるマイコンにしたい • 背後に置いてるLinuxサーバを引退させたい • ケーブルが複数垂れ下がっている • できるだけ削減したい
- 22. Raspberry Pi 2 • Linuxが動く1ボードコン ピュータ • ARM A7 1GHz 1GB mem • USB x 4, HDMI, Ethernet • GPIOが40ピン • 5000円~
- 23. 利点 • ある程度Linuxが分かれば，組み込み機器のプ ログラミングがshell scriptやC言語で簡単に行 える． • Linuxのサーバとしての機能は全て使える． • PC用のUSB機器が利用できる．(USBカメラ， WiFiドングル，Bluetoothドングルなど)
- 24. GPIOで遊べるLinux $ gpio write 0 1 # 0番ピンに1を出力 # LEDを点灯 $ gpio read 1 0 # 1番ピンの状態を入力 ＃プッシュスイッチの状態取得 $ i2cset -y 1 0x64 0x00 0x7E # i2cバスの0x64のモータードライバに0x7eというコマンドを送る $ i2cget -y 1 0x64 0x01 # i2cバスの0x64のモータードライバからフォールト状態を得る
- 25. 弱点 • リアルタイム処理に向いていない • GPIOを監視し続ける処理をLinuxのプロセ スとして書くと負荷が高い． • 機器からの割り込みのサポートも弱い． • ハードウェアPWMが1本しか出せない．
- 26. 水槽管理ロボットの製作 • 構造材はLEGO • 4つの水槽をロボットで巡回して撮影・給 • 最初はUSBの周辺機器だけで（PCの代替とし て）いろいろやる予定だった．
- 27. 水槽管理ロボットの製作 • 組み込みの知識が付くにつれて • LEGO Mindstormの部品をRaspberry Piから 制御するための回路などは自主製作 • 機械の制御は別マイコンを使った方が便利 だと気づく(→モジュール化)
- 29. Twi$er Remote+shell (Raspberry Pi B+) + + + + + (Arduino) + + + + + LED + + + Bluetooth + + (Arduino Pro Mini) + + Bluetooth
- 30. LEGOとの連携 • それまで使ってい た LEGO Mindstorm のモーターは利用 できそう． • センサー類は面倒 なので自作した．
- 33. PCB製作 • どんどん沼にハマっていきますが… • ユニバーサル基板にすずメッキ線で必死に配線を作る より，プロトタイプPCBを作った方が最終的なコスト としては安い． • 深圳に発注すれば$20+送料で10∼20枚. (趣味レベルなら品質にも問題無い) • ということで，PCBを作成することに．
- 38. ↑制御ボード 撮影した写真→
- 39. 逐次進化 • キャラクタLCD → TFT液晶 • 新しいデバイスを発見すると，使ってみるた めに組み込むことを考える． • 学生でも無理なく使えそうなら，次期実験シ ステムでの採用を考慮．
- 41. 度重なる落下事故
- 42. 水槽モニタ・コントローラ
- 43. 水槽モニタ・コントローラ • 各水槽の温度や水位を計測 • 照明・空調は温度や時刻に連動して自動制御 • 3つのマイコン(Arduino)が水槽制御・空調制 御・給 制御を担当
- 44. Bluetoothによる通信 • 最初はラズパイで作っていたが，できるだけ単機 能なモジュールを目指してArduinoを採用． • 水槽制御・空調制御・給 制御はサーバとの間 でBluetooth通信を行う． • 入出力は双方向にできるだけ簡単に． • UNIX的な単機能
- 47. Arduino IDE • Cライクな文法で記述． • ハードウェアライブラリは C++そのもの． • setup()とloop()だけ． • 体験入学で小中学生に教えてい る．
- 48. Arduino • 16MHzのMPUと32KBのFlashROM，数KBの RAMしかない． • 本体で自律的にできることとできないこと を切り分けた実装 • Bluetooth モジュールと組み合わせて制御サー バからシリアルで命令・データを送受信．
- 53. ESP8266 • WiFiのAPにもクライアント にもなれるマイコン． • Arduinoで開発できる． 楽ちん． • 5分でWebサーバが立つ． • 安い．500円∼
- 54. この後，マイコン沼にはまる • 新しいマイコンを見かけると，とりあえず買っ てみてLチカだけして放置． • しばらくしてから掘り出して実用に． • 大学の居室が電子部品の巣窟になってしまっ た．
- 58. 記事も書きました • 水野 修, "「みんなのラズパイコンテスト」グ ランプリ作品: 移動して給 する水槽管理ロ ボット∼目的の位置で撮影してツイート∼ (Raspberry Piで楽しいモノ作り) ," 日経Linux, 17(4), pp. 77-83 2015年4月.
- 61. Twitterからの制御 • 水槽システムはほぼ全ての機能をbot経由の自然言語 命令で実行可能． • 命令するだけだと寂しいので，さまざまなおまけ 機能も追加．（しりとり，SNS地震判定，人工無 脳会話，etc..） • bot経由での命令発行は，セキュリティをTwitterに まるなげできるので楽．
- 62. そふらぼ☆あくあたんの誕生 • 京都の(ツイ廃)大学生を中心に割と人気 • 全自動だと気づいていない人もたまにいる • 最近全国のロボコン勢に捕捉されて観察され ている模様
- 63. 方針 • 基本的に本業の研究活動で利用する手法を試すの に使う • テキスト分類 • 感情推定 • 単語の意味的類似性判定 (word2vec) • 画像判別
- 67. 異常報告 • 例
- 68. 人工無脳 (マルコフ連鎖会話生成) • これまでに自身のStreamに流れてきたツイートを保 存して形態素解析し，会話のネタとして利用する． • コマンドに該当しないと会話モードに． • 相手の直近のツイートを解析し，関係ありそうな語 を選ぶ • 30文例ぐらいを並行に作成し，最も関係ありそう な文章になったものを選択して発話．
- 69. 会話例 • 「空腹」に関連す る話題のときに「い ただきます」 • 怒られると謝る • マルコフ連鎖がちょ うど良い具合の りを生成
- 70. 感情推定 (sentiment analysis) • テキスト文章から感情を推定する技術 • NLTK (http://text-processing.com) などfreeのAPIも ある • 大量に処理するので，自前の辞書を構築 • Streamに流れるツイートを全て感情推定し，3回連 続でかなりネガティブなツイートを発した人に(ﾖｼﾖｼ) と慰める．
- 72. SNS地震判定 • タイムラインを監視し，「揺れ」「地震」「ゆれ」 などの言葉が一定の密度を超えると地震発生と判 断．(フォロワーの大多数は京都在住なので，京 都周辺のデータが取れる) • 地震だと，水槽を巡回して異常がないか確認す る． • 最近，各所で実用化されている．
- 73. 地震判定 • 例
- 74. ラーメン屋店名推定(Caffe) • 誰かが投稿したラーメン画像から店名を推定す る． • 深層学習画像判定の応用 • 任意の画像に対してラーメンか否かを判定後， 一乗寺のラーメン店名(14店舗)を画像から推定 • 正答率約80%
- 75. ラーメン判定 • 例 • これは「ラーメン 荘 夢を語れ」
- 76. 丼判定 • ラーメンの判定の 前段階で丼物を判 定する． • 判定例 • なぜか鋭いこと をマルコフ連鎖で 発言
- 77. 誕生日推定 • 「誕生日おめでとう」などと祝われている人を発見 すると，その人の誕生日を覚える． • 次にその人が何か呟くと「Happy birthday」と祝 う． • （かなり驚かれる） • 君らめっちゃ情報漏洩してるで，という注意喚起(?)
- 78. 人間っぽさ • フォロワー50人に アンケート • Agency: 記憶, 計画, 故意, 善悪, 意識, 決定, 自制 • 「幼児」程度 → 人類以外としては結構高い • Experience: 幸せ, 喜び, 感謝, 戸惑い, 空腹, 痛み, 恐れ • 「胎児・植物状態」程度 → そりゃbotだから…と思われてる
- 80. 余談 • 別の研究室では「雑談」を生成する研究をし ている． • 「あくあたんに負けるようでは話にならん」 と言われているとかいないとか… • たまに相談（敵情視察？）に学生が来る
- 83. 学生在室管理システム
- 84. BLEデバイス • BLEでiBeaconを発信 し続けるデバイス． • CR2032で1年稼働 • 3Dプリンタで造形 • 各人が所持
- 85. BLEデバイス • デバイスもBLE機能を持ったマイコン • Nordic nRF51822 (ARM Cortex-M0) • mbedで開発できる．
- 86. mbed • ARMプロセッサ用のオンラインIDE環境 • ブラウザでIDEが開き，コードを書いてbuildす るとhexファイルがダウンロードされてくる． • マイコンはUSBドライブのようになっており， hexファイルをD&Dするだけで書き込める．
- 87. 3Dプリンタ • BLEビーコンを収めるために利用 • 一家に一台あっても良いぐらい． • 小型の電子工作のケースや部品の補修 • 引き出しの固定具補修 • Game&Watchの電池ブタ自作
- 89. 受信器 • Intel Edison • node.jsでBeaconの 受信とネットワー ク上のDBへの書き 込みを同時に行う．
- 90. Intel Edison • BLEとWiFiが同時に 利用できるLinux ボード • メイン基板はSD カード大 • 7700円~
- 91. やはりラズパイ • 不要なモニタの裏にラズパイを貼り付けて 似非モニタ一体型コンピュータにする． • そのモニタごと廊下に設置して，最初の動画 のツールを表示させて，室内の様子を観察可 能に．
- 94. 94
- 96. 本業とのマージ • ソフトウェア工学と何かマージしたい • 何かできないかな… • IoTでソフトウェア工学というと，なぜかネ ガティブなネタばかり思いつくので，あまり 幸せになれない．
- 97. まとめ
- 98. まとめ • 物理的なモノができるのは楽しい． • カスタム基板も作れるようになった． • 教育用の知識は結構ついた． • 研究活動にしたいけど，良いネタがない． • 世の中，何が評価されるか分からない．