IOT:ラズベリーパイ　パーティクルセンサー

どーもご無沙汰しております、Keita_Nakamori(´・ω・`)です。

先日、パーティクルセンサーが届きましたので、使ってみようと思います。

Particle Sensor　Model PPD42NS

ヒーターで空気を温めて上昇気流を作り、光学式センサーを通過させることによって、粒子数をカウントするとのことです。なので、向きが大事です。

スペック

スペック的にPM2.5なんてのも取れそうです。

安定するまでに１分間必要と書いてあるので、スクリプトの中で”現在立ち上げ中です。”とか”カウントダウン”とかを入れてあげると良いと思います。

検出可能な粒子サイズ： 1μm (minimum.)
検出濃度範囲： 0~28,000 pcs/L (0~8,000pcs/0.01 CF=283mL)
供給電圧： DC5V ±10% (CN1コネクタ:ピン1=GND , ピン3=+5V)
作動温度範囲： 0~45°C
作動湿度範囲：相対湿度95% 以下 (結露なきこと)
電力消費： 90mA
周囲温度： -30~60°C
安定するまでの立上時間：１分
電源ONから安定に必要な時間：１分
寸法： 59(W) × 45(H) × 22(D) [mm]
出力方式：負論理、デジタル出力　←　ここは後で解説します。
Hi : 4.0V以上 Low : 0.7V以下

コネクタ

右から　黒　赤　黄　のケーブルがついた脱着可能なコネクタがついていました

しかし、これ、ブレッドボードに刺さるわけでも、ブレッドボード用のケーブルがささるわけでもないので、取っ払ってしまいました。

コネクタケーブルを引き抜くと、ちょうどラズパイのGPIOと同じサイズのピンが出てきますので黒　赤　黄の３本のメス型ケーブルに差し替えました。

説明書によると　右から

CN : S5B-EH(JST)
1 : COMMON(GND)
2 : OUTPUT(P2)
3 : INPUT(5VDC 90mA)
4 : OUTPUT(P1)
5 : INPUT(T1)･･･FOR THRESHOLD FOR [P2]

となっていますので、使用するのは、黒：GND　赤：５V　黄：出力P1　の３つになります。

ラズパイ側のGPIO

事前に必要な知識として、ラズパイGPIOピンの指定方法には２種類の表現があります。

１．BOARD番号で指定する場合

PythonではGPIO.setmode(GPIO.BOARD)と書きます。

ラズパイのボード（基盤）の配置順に番号が振られていて、たとえばpin=40とした場合はGPIO21のことを指します

２．BCM番号で指定する場合

こちらはGPIO.setmode(GPIO.BCM)と書きます。
GPIO21を指定したいときは、そのままpin=21と書きます。

こちらのほうがわかりやすいので私はこちらを使っています。どっちでもOKです。

出力データと処理の話

出力はパルスで出力されます。
低パルスの状態が３０秒間に占める割合（LPO：Low Plulse Occupancy time)を粒子数として換算するようです。

「1μm以上の粒子が283mLの中に何個入っているか」と「低パルス占有率」の関係を測定したサンプルデータです。（メーカーHPより）

スクリプト

では、センサーから出力されたLowパルスの占有率を算出しましょう。

まずは、うまく行かなかった例です。

# モジュールをインポート
import RPi.GPIO as GPIO
import time

# 微小なLowパルス時間をカウントする
def time_low(pin):
    """
    args:
        pin  :pulse input pin number

    variables:
        t_start:開始時間
        t_end  :終了時間
    
    returns:Lowパルスの微小時間
        t_end - t_start: (終了時間 - 開始時間)
                
    """

    # 変数の初期化（現在時刻）
    t_start = time.time()
    
    # 変数の初期化
    t_end = time.time()
    
    # GPIOに入力されるパルスがLowの時間
    while GPIO.input(pin) == False:
        t_end = time.time()

    return (t_end - t_start)

# Lowパルス占有率を計算する
def lpo(pin):
    # 初期の時間の定義
    t0 = time.time()
    
    # low時間の初期化
    t_low = 0
    
    # サンプリング時間＝３０sec （スペックより）
    ts = 30

    # ループします。
    while(True):
        # LOW状態の微小時間dt_lowを求める関数:time_low()
        dt_low = time_low(pin)
        
        # low時間に追加する
        t_low = t_low + dt_low

        # (現在時間-初期時間)　が　サンプリング時間を超えたらブレイク
        if ((time.time() - t0) > ts):
            
            # LOWパルス占有率
            low_ratio = t_low/ts

            print("Low Pulse Time [sec]:".format(low_ratio))
            print(ratio, " [%]")
            break



# GPIO.BCMの表現でピン番号を指定する
GPIO.setmode(GPIO.BCM)

# センサーからのパルスが入力されるピンを指定する
pulse_pin = 21

# TRIG_PINを出力, ECHO_PINを入力
GPIO.setup(pulse_pin,GPIO.IN)

# 実行直後に予定な警告が出ないようにする。
GPIO.setwarnings(False)

#とりあえず３回出力してみる
for i in [1,2,3]:
    # Lowパルス占有率算出関数:lpo
    lpo(pulse_pin)

# 使用しているピン設定をクリアにする
GPIO.cleanup()

# モジュールをインポート

import RPi.GPIO as GPIO

import time

# 微小なLowパルス時間をカウントする

def time_low(pin):

"""

args:

pin :pulse input pin number

variables:

t_start:開始時間

t_end :終了時間

returns:Lowパルスの微小時間

t_end - t_start: (終了時間 - 開始時間)

"""

# 変数の初期化（現在時刻）

t_start = time.time()

# 変数の初期化

t_end = time.time()

# GPIOに入力されるパルスがLowの時間

while GPIO.input(pin) == False:

t_end = time.time()

return (t_end - t_start)

# Lowパルス占有率を計算する

def lpo(pin):

# 初期の時間の定義

t0 = time.time()

# low時間の初期化

t_low = 0

# サンプリング時間＝３０sec （スペックより）

ts = 30

# ループします。

while(True):

# LOW状態の微小時間dt_lowを求める関数:time_low()

dt_low = time_low(pin)

# low時間に追加する

t_low = t_low + dt_low

# (現在時間-初期時間)　が　サンプリング時間を超えたらブレイク

if ((time.time() - t0) > ts):

# LOWパルス占有率

low_ratio = t_low/ts

print("Low Pulse Time [sec]:".format(low_ratio))

print(ratio, " [%]")

break

# GPIO.BCMの表現でピン番号を指定する

GPIO.setmode(GPIO.BCM)

# センサーからのパルスが入力されるピンを指定する

pulse_pin = 21

# TRIG_PINを出力, ECHO_PINを入力

GPIO.setup(pulse_pin,GPIO.IN)

# 実行直後に予定な警告が出ないようにする。

GPIO.setwarnings(False)

#とりあえず３回出力してみる

for i in [1,2,3]:

# Lowパルス占有率算出関数:lpo

lpo(pulse_pin)

# 使用しているピン設定をクリアにする

GPIO.cleanup()

改良

動かないので、改良ついでにクラス化してみました。

なおかつ３０秒ごとに出力される粒子濃度のデータをconsentration.txtに随時書き出すようにしました。

#!/usr/bin/env python
# -*- coding: utf-8 -*-

import RPi.GPIO as GPIO
import time
import datetime
       
class particle_counter():

    def __init__(self):
        pass

    def set_pin_number(self, PIN=21):
        self.PIN = PIN
        GPIO.setmode(GPIO.BCM)
        GPIO.setup(self.PIN, GPIO.IN)
        GPIO.setwarnings(False)
                
    def particle_count(self, count_times=10):
        self.count_times = count_times

        #print('Counting Now')
        print(' datetime.datetime.now() : Pulse Low Occupancy')

        for i in range(self.count_times):
            print('Revolution : ',i)
            self.lpo()

    def lpo(self):
        #print('lpo method excuting')
        t_start = time.time()
        t_low = 0
        t_interval = 30 # [sec] by instruction

        while(True):

            # LOW状態の微小時間dt_lowを求める関数:time_low()
            dt_low = self.time_low()
            
            # low時間に追加する
            t_low += dt_low
            t_current = time.time() - t_start

        
        
                  
            # (現在時間-初期時間)　が　サンプリング時間を超えたらブレイク
            if (t_current > t_interval):
                
                # LOWパルス占有率
                #print('(self.t_current,self.t_low)aaaaa: ', (t_current, t_low))
                self.low_occupancy = t_low / t_current
                print(' {} ====> {:.3g}'.format(datetime.datetime.now(),self.low_occupancy))
                f = open('consentration.txt','a')
                data=str(datetime.datetime.now())+","+str(self.low_occupancy)
                f.write(data+"\n")
                f.close()

                break
        

 
    # 微小なLowパルス時間をカウントする
    def time_low(self):
        """
        args:
            pin  :pulse input pin number
     
        variables:
            t_start:開始時間
            t_end  :終了時間
        
        returns:Lowパルスの微小時間
            t_end - t_start: (終了時間 - 開始時間)
                    
        """
     
        # 変数の初期化（現在時刻）

        t_start = time.time()
        t_end = time.time()

        if GPIO.input(self.PIN) == 1:
            return 0.0
        
        # GPIOに入力されるパルスがLowの時間
        while GPIO.input(self.PIN) == 0:
            t_end = time.time()

        return (t_end - t_start)

# Excute to moniter
if __name__ == '__main__':

    # Make instance
    device001 = particle_counter()

    # Set signal pin
    device001.set_pin_number(PIN=21)

    # Excute
    device001.particle_count(count_times=1000000)

    # Finish
    GPIO.cleanup()
    print('==== Done ====')

100

101

102

103

104

105

106

#!/usr/bin/env python

# -*- coding: utf-8 -*-

import RPi.GPIO as GPIO

import time

import datetime

class particle_counter():

def __init__(self):

pass

def set_pin_number(self, PIN=21):

self.PIN = PIN

GPIO.setmode(GPIO.BCM)

GPIO.setup(self.PIN, GPIO.IN)

GPIO.setwarnings(False)

def particle_count(self, count_times=10):

self.count_times = count_times

#print('Counting Now')

print(' datetime.datetime.now() : Pulse Low Occupancy')

for i in range(self.count_times):

print('Revolution : ',i)

self.lpo()

def lpo(self):

#print('lpo method excuting')

t_start = time.time()

t_low = 0

t_interval = 30 # [sec] by instruction

while(True):

# LOW状態の微小時間dt_lowを求める関数:time_low()

dt_low = self.time_low()

# low時間に追加する

t_low += dt_low

t_current = time.time() - t_start

# (現在時間-初期時間)　が　サンプリング時間を超えたらブレイク

if (t_current > t_interval):

# LOWパルス占有率

#print('(self.t_current,self.t_low)aaaaa: ', (t_current, t_low))

self.low_occupancy = t_low / t_current

print(' {} ====> {:.3g}'.format(datetime.datetime.now(),self.low_occupancy))

f = open('consentration.txt','a')

data=str(datetime.datetime.now())+","+str(self.low_occupancy)

f.write(data+"\n")

f.close()

break

# 微小なLowパルス時間をカウントする

def time_low(self):

"""

args:

pin :pulse input pin number

variables:

t_start:開始時間

t_end :終了時間

returns:Lowパルスの微小時間

t_end - t_start: (終了時間 - 開始時間)

"""

# 変数の初期化（現在時刻）

t_start = time.time()

t_end = time.time()

if GPIO.input(self.PIN) == 1:

return 0.0

# GPIOに入力されるパルスがLowの時間

while GPIO.input(self.PIN) == 0:

t_end = time.time()

return (t_end - t_start)

# Excute to moniter

if __name__ == '__main__':

# Make instance

device001 = particle_counter()

# Set signal pin

device001.set_pin_number(PIN=21)

# Excute

device001.particle_count(count_times=1000000)

# Finish

GPIO.cleanup()

print('==== Done ====')

出力：consentration.txt

中身は下記のような感じです。

2019-05-30 19:16:40.318976,0.07213182909293626
2019-05-30 19:17:10.434010,0.0951778309901365
2019-05-30 19:17:40.536987,0.07830632987722516
2019-05-30 19:18:10.660109,0.05319190541036891
2019-05-30 19:18:40.774304,0.030014825256954498
2019-05-30 19:19:10.876265,0.01660005851583172
2019-05-30 19:19:40.980323,0.019892370764988204
2019-05-30 19:20:11.065823,0.012348209387846658
2019-05-30 19:20:41.148922,0.01847427585179943
2019-05-30 19:21:11.243032,0.010773055171737232

2019-05-30 19:16:40.318976,0.07213182909293626

2019-05-30 19:17:10.434010,0.0951778309901365

2019-05-30 19:17:40.536987,0.07830632987722516

2019-05-30 19:18:10.660109,0.05319190541036891

2019-05-30 19:18:40.774304,0.030014825256954498

2019-05-30 19:19:10.876265,0.01660005851583172

2019-05-30 19:19:40.980323,0.019892370764988204

2019-05-30 19:20:11.065823,0.012348209387846658

2019-05-30 19:20:41.148922,0.01847427585179943

2019-05-30 19:21:11.243032,0.010773055171737232

データ処理

データを処理するためにpandasで読み込んで、整えましょう。

文字パターン抽出 ” .str.extract() ” で文字列を　年月日　時間　濃度　に切り分けます。

import numpy as np
import pandas as pd


with open("consentration.txt",encoding='utf-8') as f:
    f_list=f.readlines() # read as list

series = pd.Series(f_list)
df = series.str.extract('(.+) (.+),(.+)\n',expand=True,)
df.columns=['ymd','hms ms','consentration']
df

import numpy as np

import pandas as pd

with open("consentration.txt",encoding='utf-8') as f:

f_list=f.readlines() # read as list

series = pd.Series(f_list)

df = series.str.extract('(.+) (.+),(.+)\n',expand=True,)

df.columns=['ymd','hms ms','consentration']

すると、こんな感じで切れました

	ymd	hms ms	consentration
0	2019-05-30	19:16:40.318976	0.07213182909293626
1	2019-05-30	19:17:10.434010	0.0951778309901365
2	2019-05-30	19:17:40.536987	0.07830632987722516
3	2019-05-30	19:18:10.660109	0.05319190541036891
4	2019-05-30	19:18:40.774304	0.030014825256954498
5	2019-05-30	19:19:10.876265	0.01660005851583172
6	2019-05-30	19:19:40.980323	0.019892370764988204

可視化

ざっくりとグラフを書いてみます。

%matplotlib inline
import matplotlib.pyplot as plt

x=np.array(df['ymd']+df['hms ms'])
y=np.array(df['consentration'])

plt.plot(x,y)
plt.show()

%matplotlib inline

import matplotlib.pyplot as plt

x=np.array(df['ymd']+df['hms ms'])

y=np.array(df['consentration'])

plt.plot(x,y)

plt.show()

なんじゃこりゃ(*´﹃｀*)

でもとりあえず、なんかおかしいことは分かりました。なんで階段状なんだろう。

もっと研究が必要ですね。

IOT:ラズベリーパイでサーボドライバPCA9685を使ってみる

Keita_Nakamoriです。

前回はサーボモータSG92Rをラズパイに直結して動かしてみました。

今回はサーボモータを１６個同時に動かすことができるサーボドライバPCA9685を使って、SG90とSG92Rを同時に動かしてみようと思います。

動画

基本スペック

I2C周波数範囲：24-1526Hz
動作電圧：2.3-5.5V
入出力の許容電圧：5.5V
最大62個のPCA9685が接続できます￥。よって992個のサーボモータを同時に動かせます。

余談：I2Cはアイスクウエアシーと呼ぶそうです。

ピン

左端のピン

は、上から

GND：ラズパイGIPIOのグランドに接続する
DE：？？？　どこにも繋げない
SCL:シリアル通信のクロック　ラズパイGIPIOのSCL1に繋ぐ
SDA：シリアル通信のデータラズパイGPIOのSDA1に繋ぐ
VCC：プラス電圧　ラズパイGPIOの+5Vに繋ぐ
V+：？？？　どこにも繋げない

下端のピン

はサーボモータを接続します、左から0～１５番が振られてあり合計１６個のサーボモータと接続できます。

上から、

PWM：サーボモータのPWM＝オレンジ
V+：サーボモータの赤
GND：サーボモータの茶

上端のコネクタ

は、電源供給です。

左はV+:ラズパイの5Vに繋ぎます
右はGND：ラズパイのGNDに繋ぎます
今回はラズパイのGPIOに繋ぎましたが、１６個サーボモータを繋げるときは、別途電源を取らなくてはならないと思います。

制御の話

PCA9685はPWMで動きます。
パルス幅によってサーボモータの回転角が0～180degが決定されます。
- 例えば 0.5ms幅のとき0deg、1.5ms幅のとき90deg、2.5ms幅のとき180degになったりします。（周波数で変更できます。周波数が高いほうが高速で制御できます。）
アナログサーボの周波数範囲は３０～６０Hzのものがほとんどです。
例えば、周波数f=60Hzのとき周期はT=1/f=17ms　です。（早い方がいいので60Hzで考えましょう。）
周期Tの分解能は12bitなので、周期Tを2＾12＝４０９６分割できます。１分割分を１ステップと呼ぶことにしましょう。
周期17msを4096分割できるので、１ステップあたり0.004150390625ms　になります。
パルス幅を0.5msにしたければ、ステップは0.5/(17/4096)=120.47058823529412ステップになります。
サーボモータ角度をodegにしたいときは0.5msですから、120ステップをONして、残りの(4096-120)をOFFにすれば良いのです。

サーボ回転角度[deg]	ONの時間 [ms]	ステップ数
0	0.5	120
60	1.0	240
90	1.5	361
120	2.0	481
180	2.5	602

サーボ回転角度を0degから180degにするためには、(602-120)=482ステップになります。
1degあたりのステップ数は　482ステップ/180deg　=　2.7 (step/deg)
なので任意のサーボ回転角度θでステップ数Nsを表現すると、Ns=120+2.7θ ということになります。

モジュール　Adafruit_PCA9685

pip3 install Adafruit_PCA9685　したところ拒否されました。

pipのバージョンを上げて再チャレンジします。

pip3 install –upgrade pip3 と書いたところ pip3でなくてpipで書けみたいなことを言われました。

pip install –upgrade pip　と書いたところ許可がないといっております。

なので、スーパーDOしてみます。

sudo pip install –upgrade pip　これでOKでした

Successfully uninstalled pip-19.0.3
Successfully installed pip-19.1.1

そして再度チャレンジ

pip3 install Adafruit_PCA9685　　[Errno 13] 許可がありません

なるほど読めました。やはり須藤ですね。

sudo pip3 install Adafruit_PCA9685

Successfully installed Adafruit-GPIO-1.0.3 Adafruit-PCA9685-1.0.1 adafruit-pureio-0.2.3

これでやっとAdafruit_PCA9685モジュールがインストールできました。

pip freezeすると

Adafruit-GPIO==1.0.3
Adafruit-PCA9685==1.0.1
Adafruit-PureIO==0.2.3

が入っていました。注意点として、importするときはAdafruitの後ろにはハイフンではなくアンダースコアになります。

スクリプト

import Adafruit_PCA9685
import time

# pwm制御のためのインスタンスを作成する
pwm = Adafruit_PCA9685.PCA9685()

# 周波数は60Hzにする
pwm.set_pwm_freq(60)

# サーボコントロール
cnt =1 
while True:
    print("revolution : ",cnt)
    # サーボNO.0
    pwm.set_pwm(0, 0, 120)
    time.sleep(0.3)
    
    pwm.set_pwm(0, 0, 602)
    time.sleep(0.3)
    
    # サーボNO.1
    pwm.set_pwm(1, 0, 240)
    time.sleep(0.05)
    
    pwm.set_pwm(1, 0, 481)
    time.sleep(0.05)

    pwm.set_pwm(1, 0, 240)
    time.sleep(0.05)
    
    pwm.set_pwm(1, 0, 481)
    time.sleep(0.05)

    cnt += 1

import Adafruit_PCA9685

import time

# pwm制御のためのインスタンスを作成する

pwm = Adafruit_PCA9685.PCA9685()

# 周波数は60Hzにする

pwm.set_pwm_freq(60)

# サーボコントロール

cnt =1

while True:

print("revolution : ",cnt)

# サーボNO.0

pwm.set_pwm(0, 0, 120)

time.sleep(0.3)

pwm.set_pwm(0, 0, 602)

time.sleep(0.3)

# サーボNO.1

pwm.set_pwm(1, 0, 240)

time.sleep(0.05)

pwm.set_pwm(1, 0, 481)

time.sleep(0.05)

pwm.set_pwm(1, 0, 240)

time.sleep(0.05)

pwm.set_pwm(1, 0, 481)

time.sleep(0.05)

cnt += 1

余談

ラズパイの操作はWindowsマシンからrealVNC Viewerでリモートしているのですが、ラズパイ側のidleに書いたスクリプトをcnt+c しても　Windows側にcnt+v　できません。

コツがありまして、ラズパイ側のText Editorに一旦貼り付けた後に、それをcnt+cしてから、Windows側にcnt+v　すると、しっかりと貼り付けられます。

どうぞお試しあれ。

IOT:ラズベリーパイでサーボモータSG92Rを動かす

どーもこんにちはKeita_Nakamori(´・ω・`)です。

今日は、GPIOでサーボモータを動かして見ようと思います。

デバイス

サーボモータ：SG92R

配線

サーボの茶をGND（グランド）
サーボの赤を電源+5V
サーボのオレンジは制御パルス用なので、今回はGPIO18に接続しました。

ラズパイの電源は5Vバッテリー2.1Aです。

※サーボの挙動がガクガクしています。電源のせいかも・・・

テストスクリプト

# python3
import RPi.GPIO as GPIO # 慣例で省略する
import time             #time.sleep()用

def pulse(angle):
    """
    pulse(): 角度をサーボ制御パルスに変換する
    args:
        angle: 角度をdegで入力する 0〜180 deg
        
        0deg = 2.5 %
        180deg =12 %        
    """
    delta_x=180
    delta_y=12-2.5
    return delta_y/delta_x*angle+2.5

# これからは役割ピン番号で指定する BCB = BroadCoM のこと
GPIO.setmode(GPIO.BCM)

# " GPIO18 " をサーボ制御信号の出力ピンとして設定する
gp_num_control = 18
GPIO.setup(gp_num_control, GPIO.OUT)

# 今回は使用しないが外部からの入力信号をする場合
gp_num_input = 2 
GPIO.setup(gp_num_input,GPIO.IN)

#今回は使用しないがピン信号をON/OFFする場合
gp_num_onoff = 5
#GPIO.output(gp_num_onoff,GPIO.HIGH) # ONの場合
#GPIO.output(gp_num_onoff,GPIO.LOW) # OFFの場合

# サーボモータのインスタンスを作成する
# PWM制御をする。引数はピン番号と周波数

# SG92R:PWM周波数 = 50Hz = 20ms , 制御パルス:0.5ms〜2.4ms, (=2.5%〜12%)
servo_001 = GPIO.PWM(gp_num_control, 50)

# サーボ制御パルス出力開始。引数はデューティーサイクル0-100%
servo_001.start(0) 

time.sleep(0.0)

for ang in range(180):
    servo_001.ChangeDutyCycle(pulse(ang))
    print(ang)
    time.sleep(0.1)

servo_001.stop()
GPIO.cleanup()

# python3

import RPi.GPIO as GPIO # 慣例で省略する

import time #time.sleep()用

def pulse(angle):

"""

pulse(): 角度をサーボ制御パルスに変換する

args:

angle: 角度をdegで入力する 0〜180 deg

0deg = 2.5 %

180deg =12 %

"""

delta_x=180

delta_y=12-2.5

return delta_y/delta_x*angle+2.5

# これからは役割ピン番号で指定する BCB = BroadCoM のこと

GPIO.setmode(GPIO.BCM)

# " GPIO18 " をサーボ制御信号の出力ピンとして設定する

gp_num_control = 18

GPIO.setup(gp_num_control, GPIO.OUT)

# 今回は使用しないが外部からの入力信号をする場合

gp_num_input = 2

GPIO.setup(gp_num_input,GPIO.IN)

#今回は使用しないがピン信号をON/OFFする場合

gp_num_onoff = 5

#GPIO.output(gp_num_onoff,GPIO.HIGH) # ONの場合

#GPIO.output(gp_num_onoff,GPIO.LOW) # OFFの場合

# サーボモータのインスタンスを作成する

# PWM制御をする。引数はピン番号と周波数

# SG92R:PWM周波数 = 50Hz = 20ms , 制御パルス:0.5ms〜2.4ms, (=2.5%〜12%)

servo_001 = GPIO.PWM(gp_num_control, 50)

# サーボ制御パルス出力開始。引数はデューティーサイクル0-100%

servo_001.start(0)

time.sleep(0.0)

for ang in range(180):

servo_001.ChangeDutyCycle(pulse(ang))

print(ang)

time.sleep(0.1)

servo_001.stop()

GPIO.cleanup()

IOT:ラズベリーパイにVNC接続してOpenCVで顔認識する

どーもこんにちは(´・ω・`)です。

前回、ラズベリーパイにVNC接続してOpenCVでカメラの起動に成功しました。

今回は更に、そのOpenCVで顔認識も追加していこうと思います。

bcm2835-v4l2　の自動化

前回ハマりました、bcm2835-v4l2　についてですが、やはりシャットダウンすると、無効になってしまい、OpenCVが機能しませんでした。

今回は、まず起動したときに自動的にbcm2835-v4l2　が実行される方法からやっていきます。

/etc/modules を開くと

# /etc/modules: kernel modules to load at boot time.
#
# This file contains the names of kernel modules that should be loaded
# at boot time, one per line. Lines beginning with “#” are ignored.

i2c-dev

と書いてありますが、これは”ブートするときにロードするためのカーネルモジュール群”　を書いておく場所になっています。Windowsでいうとスタートアップです。

ここにbcm2835-v4l2をいれればOKなのですが、このファイルは書き込み禁止なので、予め解除しておきます。

ファイル書き込み禁止を解除する

パーミッションを確認します。

pi@pi:/etc $ ls -l modules

-rw-r–r– 1 root root 203 3月 23 20:29 modules

スーパーユーザーsudoとしてチェンジモードchmodして、パーミッションを777にします。

pi@pi:/etc $ sudo chmod 777 modules

で、変更が成功したか確認すると
pi@pi:/etc $ ls -l modules

-rwxrwxrwx 1 root root 203 3月 23 20:29 modules

フルアクセスに変更されました。

その上で、チェンジディレクトリcd /etc/でvimでmodulesを開きます。

pi@pi:/etc $ vim modules

i2c-devの下にbcm2835-v4l2を追加して保存しましょう。

# /etc/modules: kernel modules to load at boot time.
#
# This file contains the names of kernel modules that should be loaded
# at boot time, one per line. Lines beginning with “#” are ignored.

i2c-dev
bcm2835-v4l2

キャットで確認すれば

pi@pi:/etc $ cat modules

しっかりとbcm2835-v4l2が追加されているのがわかると思います。

本題：Opencvで顔認識をやってみる

基本的には、前回のコードに学習済みハールカスケードと顔認識した顔に四角い図形でマーキングをするスクリプトを追加するだけです。

まずhaarcascade_frontalface_alt2.xmlは/usr/local/share/OpenCV/haarcascades/　の中に入っているので、作業ディレクトリであるhome/pi/の中へコピーを作っておきます。

import numpy as np
import cv2

if __name__ == '__main__':
    # グローバル変数を定義
    ESC_KEY = 27     # Escキー
    INTERVAL= 33     # インターバル
    FRAME_RATE = 30  # フレームレートfps
    
    # ウィンドウ名称を定義
    ORIGINAL_WINDOW_NAME = "original"
    GRAY_SCALE_WINDOW_NAME = "gray_scale"

    DEVICE_ID = 0

    # 学習済みの分類器を定義
    cascade = cv2.CascadeClassifier("haarcascade_frontalface_alt2.xml")

    # カメラ映像を取得
    cap = cv2.VideoCapture(DEVICE_ID)

    # 初期フレームを読み込む
    end_flag, frame = cap.read()
    height, width, channels = frame.shape

    # ウィンドウの準備
    cv2.namedWindow(ORIGINAL_WINDOW_NAME)
    cv2.namedWindow(GRAY_SCALE_WINDOW_NAME)

    # 画像処理
    while end_flag == True:

        # 画像の取得と顔の検出
        img = frame
        img_gray = cv2.cvtColor(img, cv2.COLOR_BGR2GRAY)
        face_list = cascade.detectMultiScale(img_gray, minSize=(100, 100))

        # 検出した顔に四角いマーキングを付ける
        for (x, y, w, h) in face_list:
            color = (100, 100, 225) # GBR
            line_width = 3
            cv2.rectangle(img_gray, (x, y), (x+w, y+h), color, thickness = line_width)

        # フレームを表示
        cv2.imshow(ORIGINAL_WINDOW_NAME, frame)
        cv2.imshow(GRAY_SCALE_WINDOW_NAME, img_gray)

        # Escキーで終了
        key = cv2.waitKey(INTERVAL)
        if key == ESC_KEY:
            break

        # 次のフレーム読み込み
        end_flag, frame = cap.read()

    # 終了処理
    cv2.destroyAllWindows()
    cap.release()

import numpy as np

import cv2

if __name__ == '__main__':

# グローバル変数を定義

ESC_KEY = 27 # Escキー

INTERVAL= 33 # インターバル

FRAME_RATE = 30 # フレームレートfps

# ウィンドウ名称を定義

ORIGINAL_WINDOW_NAME = "original"

GRAY_SCALE_WINDOW_NAME = "gray_scale"

DEVICE_ID = 0

# 学習済みの分類器を定義

cascade = cv2.CascadeClassifier("haarcascade_frontalface_alt2.xml")

# カメラ映像を取得

cap = cv2.VideoCapture(DEVICE_ID)

# 初期フレームを読み込む

end_flag, frame = cap.read()

height, width, channels = frame.shape

# ウィンドウの準備

cv2.namedWindow(ORIGINAL_WINDOW_NAME)

cv2.namedWindow(GRAY_SCALE_WINDOW_NAME)

# 画像処理

while end_flag == True:

# 画像の取得と顔の検出

img = frame

img_gray = cv2.cvtColor(img, cv2.COLOR_BGR2GRAY)

face_list = cascade.detectMultiScale(img_gray, minSize=(100, 100))

# 検出した顔に四角いマーキングを付ける

for (x, y, w, h) in face_list:

color = (100, 100, 225) # GBR

line_width = 3

cv2.rectangle(img_gray, (x, y), (x+w, y+h), color, thickness = line_width)

# フレームを表示

cv2.imshow(ORIGINAL_WINDOW_NAME, frame)

cv2.imshow(GRAY_SCALE_WINDOW_NAME, img_gray)

# Escキーで終了

key = cv2.waitKey(INTERVAL)

if key == ESC_KEY:

break

# 次のフレーム読み込み

end_flag, frame = cap.read()

# 終了処理

cv2.destroyAllWindows()

cap.release()

以上、簡単ですね。

IOT:ラズベリーパイにVNC接続してOpenCVで cv2.VideoCapture(0)してみる

どーもこんにちはKeita_Nakamori(´・ω・`)です。

今日は、WindowsマシンからラズベリーパイにVNC接続してOpenCVで cv2.VideoCapture(0)に挑戦します。

まずはrealVNC viewerを起動してIPアドレスを打ってVNC接続します。

1回つなげたことのあるIPアドレスは保存され、アイコンみたいに表示されるので２回目からはアイコンをクリックするだけの簡単操作でした。

落とし穴

早速ハマりました。cap=cv2.VideoCapture(0)してもcapにはなにもデータが入ってきません。ふぁ～(*´Д｀)

ret, img = cap.read() しても、当然imgはNoneです。

なぜだ！

思い出しました

そう、かつてハマりまくった、あのときを・・・

ラズパイ専用カメラをしようしているので、一般的なwebカメラとして認識できるように下記のコードを実行することが必要でした。

注意点としては最後の部分は　「ぶい　よん　える　に」　です。

「ぶい　よん　いち　に」　だと思って奮闘してしまいました。

sudo modprobe bcm2835-v4l2

ということで、shellでsudo modprobe bcm2835-v4l2と打ってカメラを認識させます。

テストコードを実行すると・・・

はい、隣の部屋のソファーが写っています。

弱点

ラズパイはwifi接続、Windowsマシンは有線ですが、VNC解像度をミディアムにしても、カメラのキャプチャー映像はガックガク！！です。

低解像度だと色がキッタナイ！

どうにもなりません。

念の為、試運転のコードを貼っておきます。

# -*- coding: utf-8 -*-
import numpy as np
import cv2

cap = cv2.VideoCapture(0)

while(True):
    # Capture frame-by-frame
    ret, frame = cap.read()

    # Our operations on the frame come here
    gray = cv2.cvtColor(frame, cv2.COLOR_BGR2GRAY)

    # Display the resulting frame
    cv2.imshow('frame',frame)
    if cv2.waitKey(1) & 0xFF == ord('q'):
        break

# When everything done, release the capture
cap.release()
cv2.destroyAllWindows()

# -*- coding: utf-8 -*-

import numpy as np

import cv2

cap = cv2.VideoCapture(0)

while(True):

# Capture frame-by-frame

ret, frame = cap.read()

# Our operations on the frame come here

gray = cv2.cvtColor(frame, cv2.COLOR_BGR2GRAY)

# Display the resulting frame

cv2.imshow('frame',frame)

if cv2.waitKey(1) & 0xFF == ord('q'):

break

# When everything done, release the capture

cap.release()

cv2.destroyAllWindows()

IT予備知識

VNC

-Virtual Network Computing

仮想ネットワークコンピューティング。

サーバ側（ラズパイ）の画面をにピクセル化してクライアント（windowsマシン）へ送信しクライアント側の画面から遠隔操作することができます。

通信プロトコルはRFBプロトコルという、正にVNCのための非常に軽いプロトコルを使います。(RFB = Remote Frame Buffer)

VNCソフトウェアのインストール

RealVNCのVNC Viewerをダウンロードします。

起動したら、SSH接続に成功したラズパイのIPアドレスを入力します。

SSH接続と同様にIDはpi、そしてパスワードを入力します。

これだけで、ラズパイのGUIをリモートコントロールできます。

ラズパイの画面解像度の設定

しかし、ラズパイ画面の解像度が悪いので、設定します。

ラズベリーマークのアプリケーション>設定>Rasberry Piの設定＞1920ｘ1080

windows側の画面設定1920×1080に合わせました。とりあえずこの設定でやってみましょう

システムタブ＞解像度＞

右下のOKを押すと再起動が促されますの再起動します。

すると、一旦VNC接続が切れますが、１分位待つと再起動完了の頃合いで再び自動で接続されます。

画面上にマウスカーソルを持っていくと、なにやらVNCの画面設定がポップダウンします。歯車マークを押すとプロパティ設定が開くのでさ、General>Picture quality:をautomaticからHighに変更しました。

ScalingもAutomatic（Prewserve aspect ratio＝ON）にしましたが、人によっては、若干見切れているとか調整の余地がありそうです。

IOT:ラズベリーパイ IPアドレスの固定方法

前回のラズパイSSH接続に引き続き、IPアドレスの固定をやってみます。

まずはwindows端末からTeraTermでラズパイにSSH接続してShellに入りましょう。

ここで、IPアドレスの固定に関する設定ファイル　「/etc/dhcpcd.conf」　を開いてみます。vimエディタで下記のように開きます。

vim /etc/dhcpcd.conf

# Safe to enable by default because it requires the equivalent option set
# on the server to actually work.
option rapid_commit

# A list of options to request from the DHCP server.
option domain_name_servers, domain_name, domain_search, host_name
option classless_static_routes
# Most distributions have NTP support.
option ntp_servers
# Respect the network MTU. This is applied to DHCP routes.
option interface_mtu

# A ServerID is required by RFC2131.
require dhcp_server_identifier

# Generate Stable Private IPv6 Addresses instead of hardware based ones
slaac private

# Example static IP configuration:
#interface eth0
#static ip_address=192.168.0.10/24
#static ip6_address=fd51:42f8:caae:d92e::ff/64
#static routers=192.168.0.1
#static domain_name_servers=192.168.0.1 8.8.8.8 fd51:42f8:caae:d92e::1

# It is possible to fall back to a static IP if DHCP fails:
# define static profile
#profile static_eth0
#static ip_address=192.168.1.23/24
#static routers=192.168.1.1
#static domain_name_servers=192.168.1.1

# fallback to static profile on eth0
#interface eth0
#fallback static_eth0

# Safe to enable by default because it requires the equivalent option set

# on the server to actually work.

option rapid_commit

# A list of options to request from the DHCP server.

option domain_name_servers, domain_name, domain_search, host_name

option classless_static_routes

# Most distributions have NTP support.

option ntp_servers

# Respect the network MTU. This is applied to DHCP routes.

option interface_mtu

# A ServerID is required by RFC2131.

require dhcp_server_identifier

# Generate Stable Private IPv6 Addresses instead of hardware based ones

slaac private

# Example static IP configuration:

#interface eth0

#static ip_address=192.168.0.10/24

#static ip6_address=fd51:42f8:caae:d92e::ff/64

#static routers=192.168.0.1

#static domain_name_servers=192.168.0.1 8.8.8.8 fd51:42f8:caae:d92e::1

# It is possible to fall back to a static IP if DHCP fails:

# define static profile

#profile static_eth0

#static ip_address=192.168.1.23/24

#static routers=192.168.1.1

#static domain_name_servers=192.168.1.1

# fallback to static profile on eth0

#interface eth0

#fallback static_eth0

これの最後に

# Example static IP configuration:
interface wlan0
static ip_address=192.168.10.111/24 
routers=192.168.0.1
static domain_name_servers=192.168.0.1

# Example static IP configuration:

interface wlan0

static ip_address=192.168.10.111/24

routers=192.168.0.1

static domain_name_servers=192.168.0.1

を付け加えます。iで挿入モードにして　:wq 書いて終わって・・・

sudo rebootします。

ラズパイが再起動しますが、その様子を伺うことはできません。１分くらい待ってrebootが完了した頃合を見計らって、TeraTermで変更前のIPアドレスを打ってみますと・・・

繋がりませんよね。なので今回設定したstatic ip_address=192.168.10.111/24 にしたがってIPアドレスを192.168.10.111に変更したところ、

つながりました。shellが立ち上がります。

ここでifconfigをしてみてください。

しっかりと

wlan0: flags=4163<UP,BROADCAST,RUNNING,MULTICAST> mtu 1500
inet 192.168.10.111 netmask 255.255.255.0 broadcast 192.168.10.255
inet6 fe80::570e:b515:f27c:cf1a prefixlen 64 scopeid 0x20<link>
inet6 240f:7e:ab52:1:ee7e:c132:a6b2:b0d9 prefixlen 64 scopeid 0x0<global>

というように、。192.168.10.108 から　192.168.10.111へIPアドレスが変更されています。

以上です。

IOT:ラズベリーパイで日本語入力

日本語入力ができるようになるまで

ラズパイは初期状態で日本語入力ができません。

ブラウザも全部アルファベットになってしまいます。

日本語フォントをインストール

ipafontとipaexfontがよさそうです。

sudo apt-get install fonts-ipafont fonts-ipaexfont

日本語IME：Mozcをインストール

まずはアップデート
sudo apt-get update

Google日本語入力のMozcをインストール

読み方は、もずく・・・でいいんでしょうか？

sudo apt-get install fcitx-mozc
インストール後はラズパイを再起動しておきましょう。

日本語切り替えの設定

メニュー＞設定＞Fcitx設定

入力メソッドの設定＞全体の設定

ホットキー＞入力メソッドのオンオフ＞半角/全角を押すと　hankakuzenkakuと入力されるので　これでOKします。

IOT:ラズベリーパイ SSHによるリモート接続

SSHによるリモート接続

ラズパイを買ったときに一度試してみたのですが、スキルが低すぎて全くできませんでした。

今回は、３ヶ月間色々学んできたので、ある程度直観力が付いたと思いリベンジ致します。

TeraTermをwindows側にインストールします。

管理者権限でログインしておきましょう。でないとエラー５にはじかれて無理でした。

最新のTera Term 4.102を入れました。

ifconfigでIPアドレスを調べる

ラズベリーパイのMACアドレスと、サブネットマスクを調べます。

有線の場合はeth0、無線の場合はwlan0を見ます。今回は無線でやります。

mtu 1500
inet 192.168.xxx.xxx (xxxはお使いのラズパイ、通信環境によって違うでしょう。）
netmast 255.255.255.0
と書いてあります。

TeraTermからラズパイにSSH接続

windows側でTeraTermを起動させてください。
TCP\IP ホスト　192.168.xxx.xxx　と入力します。
ヒストリにチェック（意味は不明）
TCPポートは２２固定です。いじるとつながりません。
サービス　SSH　バージョンはSSH2
OKします
次の画面でユーザー名にpiと入力します。これはラズパイのユーザー名ではありません。
パスフレーズはラズパイで設定したパスワードになります。
パスワードをメモリ上に記録するをチェック
プレインパスワードを使うをチェック
OKします。→接続できたでしょうか。

課題

現状まだIPアドレスを固定していないため、起動するたびにどんなIPアドレスになるのか予想が付きません。次はIPアドレスの固定をやってみましょう。

また、つながったのはいいのですが、Linuxのshellだけでは厳しいものがあります。

VNCで接続するとLinuxのGUIが丸ごと操作できるようになるので、次回の次回あたりでやってみましょう。

IOT:Python socketモジュールで通信してみる

どーも　こんちには　Keita_Nakamori (´・ω・`) です

今日は、socketモジュールを使ってみます。

前回、少しsocketモジュールについて基本的な操作をやりましたが、実際に運用するとなると不備が多いので、そこを修正していきます。

IT用語　（予備知識）

ポート

ネットワーク内の端末間でデータをやり取りする港（port）です。

ポート番号

ポートの番号です。TPCでデータをやり取りするとき、データは１プロセスとか１スレッドというプログラムの塊を対象とします。そのプロセスにはポート番号が割り当てられそこを通ってデータをやり取りします。

IPアドレスが住所なら、ポート番号はマンションの部屋番号みたいなものです。

よく使う番号をピックアップしてみます。

TCP 20 : FTP (データ)
TCP 22 : SSH
TCP 25 : SMTP
TCP 80 : HTTP
TCP 443 : HTTPS

ポート番号の種類

ポート番号は0から65535まで存在します。その中でも３つの種類に分けれれます。

ウェルノウンポート番号　0~1023

よく知られているポート番号という名前の通り、TPC/IP通信において主要なサービスがすでに使用しているポート番号です。ユーザーがここをいじってしまうと不具合が生じるので触らないでおきましょう。

レジスタードポート番号　1024~49151

特定のアプリケーションなどが使用することになっている番号です。IANAという団体が管理しているので、使うときは申請しなくてはいけません。

その他のポート番号　49152~65535

ユーザが自由に使って良いポート番号です。しかし、やたらと開放してはいけません。必要なものだけ開けましょう。

スクリプト

続きはあとで書きます。

2023年12月
月	火	水	木	金	土	日
				1	2	3
4	5	6	7	8	9	10
11	12	13	14	15	16	17
18	19	20	21	22	23	24
25	26	27	28	29	30	31

Particle Sensor Model PPD42NS

スペック

コネクタ

ラズパイ側のGPIO

１．BOARD番号で指定する場合

出力データと処理の話

スクリプト

改良

動画

基本スペック

ピン

左端のピン

下端のピン

上端のコネクタ

制御の話

モジュール Adafruit_PCA9685

スクリプト

余談

デバイス

配線

テストスクリプト

bcm2835-v4l2 の自動化

ファイル書き込み禁止を解除する

本題：Opencvで顔認識をやってみる

落とし穴

思い出しました

弱点

念の為、試運転のコードを貼っておきます。

IT予備知識

VNC

VNCソフトウェアのインストール

ラズパイの画面解像度の設定

日本語入力ができるようになるまで

日本語フォントをインストール

ipafontとipaexfontがよさそうです。

日本語IME：Mozcをインストール

日本語切り替えの設定

SSHによるリモート接続

TeraTermをwindows側にインストールします。

ifconfigでIPアドレスを調べる

TeraTermからラズパイにSSH接続

課題

IT用語 （予備知識）

ポート

ポート番号

ポート番号の種類

ウェルノウンポート番号 0~1023

レジスタードポート番号 1024~49151

その他のポート番号 49152~65535

スクリプト

Particle Sensor　Model PPD42NS

モジュール　Adafruit_PCA9685

bcm2835-v4l2　の自動化

IT用語　（予備知識）

ウェルノウンポート番号　0~1023

レジスタードポート番号　1024~49151

その他のポート番号　49152~65535