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M5Stack で始める IoT 開発入門|研修コースに参加してみた

calendar_month2022-02-07 公開

今回参加したコースは M5Stack で始める IoT 開発 です。

前回は IoT の特にマイコンボードとセンサを中心をどのように組み合わせて、 IoT デバイスをつくるのか、その知識を解説いただきました。

IoT デバイスのつくり方入門 ~機器とセンサーの選び方|研修コースに参加してみた

今回は実践ということで、マイコンボードを使って、基本の L チカ( LED の点滅)に始まり、センサーデータの取得、クラウドへのアップロードと可視化まで、前回学んだ知識をもとに開発します。

なお、コロナ禍でなければ、実地で操作できたのですが、オンライン開催のため、デモを視聴する形式となりました。 残念。

 

では、どのような内容だったのか、レポートします!

コース情報

想定している受講者 マイコンボードの基礎知識
受講目標
  • マイコンボードでの実演内容の理解
  • クラウドサービス( Ambient、 AWS )との連携方法の習得

講師紹介

講師は前回のコースに続き、 植田崇靖 さんが登壇されました。

講師インタビュー 植田 崇靖
「電子回路から機械学習まで、学ぶことが楽しい!」

M5Stack とは

このコースでは前回 Arduino の互換機として紹介された M5Stack というマイコンボードを使います。



まず M5Stack の仕様と機能や特徴を紹介いただきました。

  • ESP32 というマイコンを搭載したマイコンボード
  • 320 × 240 の TFT カラーディスプレイ
  • 各種 I/O
    • GPIO ピン
    • USB 端子
    • microSD カードスロット
  • スピーカー
  • Wi-Fi / Bluetooth まで使用可能

マイコンボードというより完成したデバイスという感じで、いたれりつくせりですね。

これらの機能により、センサーでとったデータを受け取り、変換処理をして、 Wi-Fi や Bluetooth でクラウドなどにアップロードするといったことがやりやすくなっています。

さらに、 M5Stack 専用に、人感センサーや GPS 、指紋認証など、さまざまなセンサ部品があり、エコシステムが充実し、使いやすいのも特徴です。

ちなみに M5Stack はシリーズになっていて、大きいものや小さいもの、カメラ搭載のもの、 e インクディスプレイ搭載のものなどもあります。

M5Stack 開発環境

M5Stack の開発環境は、 ArduinoIDEUIFlow の 2 種類があります。

  • ArduinoIDE
    • 開発言語:C / C++ に Arduino 用の命令を追加
      長所
      歴史が長く、様々な機能が簡単に利用できるライブラリが豊富
      短所
      利用するためには事前にライブラリのインストールなどの準備が必要
      C 言語自体が初心者には若干難しい
  • UIFlow
    • 開発言語: Blocky / Python
      長所
      Blockly : Scratch と同じブロックで直感的にプログラムが組める GUI プログラミング環境
      Python : Blockly で作成したプログラムを簡単に修正できる
      短所
      Blockly と Python の連携は片方のみ( Blockly → Python のみ)
      Arduino のライブラリが今のところ、利用できない

UIFlow で開発

では、最初に UIFlow で開発してみましょう。

UIFlow は公式サイトからダウンロードしてインストールします。

Download | m5stack-store

M5stack を PC に USB 接続すると、 UIFlow から自動で認識されます。

UIFlow の画面を見てみましょう。

UIFlow の画面

Blocky でテキストを表示

まず簡単な例を試します。

  1. UIFlow の左側にある LCD パネル表示に、タイトルやラベルをドラッグ&ドロップ
  2. RUN ボタンを押す

UIFlow 上の LCD パネル表示と同じ内容が、 M5stack の実機に表示されます。

UIFlow の簡単なデモ

表示するだけならプログラムなしで出来るのは GUI プログラミングならではですね。

Blocky のループ処理

続いて、 Blocky でプログラミングをしてみます。

  • Blocky は、 Scratch と同じく画面上で ブロック を並べてプログラミングする
  • 基本文法は [UIFlowの公式ドキュメント](https://m5stack.github.io/UIFlow_doc/ja/) にある

まずは LCD パネルの背景色を、ループを使って赤と緑に交互に変えてみます。


これで実行すると、 M5Stack の背景色が 1 秒ごとに変わります。

背景色を変える Blocky プログラム

Scratch のように簡単ですね。

Blocky でボタン処理

今度はボタンを押すと、設定した色に画面が変わるようにプログラミングします。


これで実行して、ボタンを押すと画面の色が変わることを確認します。

簡単なプログラムを書いただけでハードウェアを操作できたという感じがしますね。

Blocky でセンサーを使う

最後に 環境センサー を接続して、気圧・気温・湿度を表示してみます。

  1. センサを繋げて Units メニューを開いて追加したセンサを選ぶ

  2. ブロックを配置

実行すると、気圧・気温・湿度が表示されて、リアルタイムに変化します。

気圧・気温・湿度がリアルタイムに表示される

これだけで実用的な仕組みができてしまって、びっくりです。ここから詳細にアレンジしたければ、 ArduinoIDE を使ってプログラムを書くことになります。

ArduinoIDE で開発

GUI プログラミングのあとは、 CUI でのプログラミング、 ArduinoIDE を使って開発します。

またピン (電子回路) に各種電子部品の足やジャンプワイヤを挿すことで、ハンダ付けなしに簡単な電子回路を組むことができるので、これも利用します。


M5Stack のピン アサイン

このピンにはそれぞれ役割があります.


  • それぞれのピンが I/O になっている
    • 特殊なことができるピンがある
      • 5 V 、 3.3 V など電圧ごと専用のピン
      • リセットするピン
      • デジタル信号 <-> アナログ信号の変換 などをおこなうピン
      • 詳しくはこちら
    • ブレッドボードと呼ばれる部品を使って電子回路を作成する

Hello World をやってみよう

ArduinoIDE は基本の文法は C 言語です。 そこで、ピンの設定や操作など Arduino 専用の命令文などが追加されている M5Stack 専用のプラグインをインストールした上で、開発を進めます。

ArduinoIDE には「スケッチ例」というメニューがありサンプルプログラムが呼び出せるので、それを使って “Hello World” で起動を確認します。

#include <M5Stack.h>
// the setup routine runs once when M5Stack starts up
// 電源が入ったときに {} 内が 1 回だけ実行される

// 必ず必要
void setup(){
	// Initialize the M5Stack object
	// M5Stack の命令文を書くときに必ず必要
	M5.Power.begin();

	// LCD display
	// 液晶パネルに文字列を出力する命令
	M5.Lcd.print("Hello World");
}

// the loop routine runs over and over again forever
// {} 内が電源が on の間、繰り返し実行される
// 必ず必要
void loop() {
}
  • Arduino 用の命令になっているので、 C 言語の命令は、ほぼ使えない
  • トランスコンパイルするので実行まで時間が掛かる

実行してみた結果がこちらです。


… ちっちゃ。 皆さんには見えますでしょうか?

何も設定していないと、こうなるのでした。

Lチカをやってみよう

続いて、マイコンボードと電子回路の Hello World ともいえる Lチカ( LED の点滅)をやってみましょう。


  1. 実際に回路を組む

  2. プログラムを書く
    #include <M5Stack.h>
    
    // ピン番号 2 を表す変数
    int ledPin = 2;
    
    void setup(){
        M5.begin();
        M5.Lcd.printf("LED ON¥r¥n");
        pinMode(ledPin, OUTPUT);
    }
    
    void loop() {
        digitalWrite(ledPin, HIGH); // LED を ON
        delay(500);
        digitalWrite(ledPin, LOW); // LED を OFF
        delay(500);
    }

プログラムそのものは C 言語というより、 Java のようなオブジェクト指向のような書き方ですね。

実行してみた結果がこちらです。


実地で L チカ、デビューしたかった … 。

電気の基本

なお、 LED を点灯する回路には適切な抵抗を入れないとショートしてしまいます。 今回は 100 Ω の抵抗を入れました。この抵抗値は次のように計算します。

  • オームの法則:電圧( V )= 電流( A )x 抵抗( Ω )
  • 2 番ピンと GND の間は 5 V の電圧で流れる
  • LED の仕様書を確認
    • 絶対最大定格の順方向電流 25 mA
    • 電気的特性の順電圧で 20 mA の標準値 3.2V
  • 抵抗にかかる電圧は、5 – 3.2 = 1.8 V
  • オームの法則により、抵抗値は (5 – 3.2) / (20 / 1000) = 90 ( Ω )
  • 90 Ω の抵抗は一般にはないので、100 Ω を使用

オームの法則、学校で習ったはずなのですが、習ったきり使わない人生を歩んできたことを痛感しました(つまり、覚えてませんでした)。

センサの CDS を使ってみよう

続いて、明るさ(光の強さ)によって抵抗値が変わる CDS を使って明るいか暗いかがわかる電子回路を作ってみます!


  1. 回路を組む

    • 電子回路図

      • 抵抗分圧回路を使っている
        • CDS と抵抗を使うと CDS の明るさの差が取得できる = 明るいか暗いかがわかる
  2. プログラムを書く
    #include <M5Stack.h>
    
    int cdsPin = 35;
    int val;
    
    void setup(){
      M5.begin();
      M5.Lcd.printf("CDS");
      Serial.begin(9600);
    }
    void loop() {
      val = analogRead(cdsPin); // 引数のピン番号の電圧を読む
      Serial.println(val);
      delay(500);
    }

実行すると、 ArduinoIDE のモニタに、 0.5 秒ごとに CDS の計測値が表示されます。 CDS を手で塞ぐと、値が変化します。

CDS の測定値を表示

クラウドサービスにデータを送信

最後はセンサから取得したデータをクラウドサービスに送信してみます。

ここでは前回のコースでも解説いただいた Ambient を使います

  1. Ambient 側で設定を行う
    1. Ambient で受け取るチャネルを設定
    2. チャネルで受け取るデータに “温度” 、”湿度” などを名前をつける
    3. データのグラフ出力を設定
  2. プログラムを書いてみよう
    // 各種ライブラリを読み込む
    #include <M5Stack.h>
    #include <Wire.h>
    #include "BME280.h"
    #include "Ambient.h"
    
    #define PERIOD 60
    
    BME280 bme280;
    
    WiFiClient client;
    Ambient ambient;
    
    // WiFi 接続の定数
    const char* ssid = "your ssid";
    const char* password = "your password";
    
    // Ambient 側で割り振られたチャネル情報から取得
    unsigned int channelId = 100; // AmbientのチャネルID
    const char* writeKey = "writeKey"; // ライトキー
    
    void setup(){
        M5.begin();
        Wire.begin(); // I2Cの初期化
        Serial.begin(74880);
        delay(100);
        Serial.println("\r\nM5Stack+BME280->Ambient test");
    
        WiFi.begin(ssid, password);  //  Wi-Fi APに接続
        while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {  //  Wi-Fi AP接続待ち
            delay(100);
        }
    
        Serial.print("WiFi connected\r\nIP address: ");
        Serial.println(WiFi.localIP());
    
        pinMode(21, INPUT_PULLUP); //デファルトのSDAピン21 のプルアップの指定
        pinMode(22, INPUT_PULLUP); //デファルトのSDAピン22 のプルアップの指定
    
        bme280.begin(); // BME280の初期化
    
        ambient.begin(channelId, writeKey, &client); // チャネルIDとライトキーを指定してAmbientの初期化
    }
    
    void loop() {
        int t = millis();
        float temp, humid, pressure;
    
        // BME280で温度、湿度、気圧を測定する
        temp = (float)bme280.readTemperature();
        humid = (float)bme280.readHumidity();
        pressure = (float)bme280.readPressure();
    
        if (pressure > 800.0) { // 電源投入直後に異常値が読めたら捨てる
            M5.Lcd.printf("temp: %2.2f", temp);
            M5.Lcd.printf(" humid: %0.2f", humid);
            M5.Lcd.printf(" pressure: %f\r\n", pressure);
    
            // 温度、湿度、気圧、CO2、TVOCの値をAmbientに送信する
            ambient.set(1, String(temp).c_str());
            ambient.set(2, String(humid).c_str());
            ambient.set(3, String(pressure).c_str());
    
            ambient.send();
        }
    
        t = millis() - t;
        t = (t <: PERIOD * 1000) ? (PERIOD * 1000 - t) : 1;
        delay(t);
    }
    • bme280.readTemperature() ambient.set() のようにライブラリを使うと非常に簡単に書ける

では、プログラムを実行し、 Ambient の出力結果を見てみます。


最後に AWS IoT Core + DynamoDB でクラウドに IoT データを格納する流れと、 API Gateway から Lambda を起動してデータを表示する流れをデモして、このコースは修了しました。


まとめ

前回のコースで学んだ知識をもとに、 M5Stack を使って簡単な IoT システムを開発してみました。

M5Stack は、ディスプレイや Wi-Fi を最初から装備しているほか、開発環境やライブラリ、専用センサなども整備されていて、そのエコシステムの充実ぶりが素晴らしかったですね。 とても簡単に IoT の仕組みが作れて驚きです。

M5Stack にはユーザコミュニティもあり、作例も多く公開されているので、自分でいろいろ試すことができます。これから IoT のプロジェクトに入る方にはとてもオススメです!

 


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