ボクにもわかる電子工作

Raspberry Pi、IchigoJam、Wi-Fi、BLE、XBee、RN-42、ESP-WROOM-02、ESP32

引っ越しのお知らせ

ボクにもわかる電子工作のブログは
下記へ引っ越しました。

2005年9月にYahoo!のブログサービス(ジオログ)の利用を開始し、その後、Yahoo! ブログへの引っ越しを行いましたが、2019年12月に Yahoo! ブログのサービスが終了することとなったため、再度、引っ越すことにいたしました。

リンクを貼っていただいた方々にはご迷惑をおかけしますが、ご理解のほど、よろしくお願い申し上げます。
なお、新ブログへのリンク変更を行うには、新ブログサイト内の検索を利用していただく必要があります。

イメージ 1

またHTMLファイル内のリンク変更用のスクリプトも公開させていただきます。引数にファイル名を渡すと、変換します。当方サイトで動作確認を行っていますが、HTMLファイルの文字コードや環境によってはファイルを壊してしまう可能性も考えられるので、必ずコピーをとってからご利用ください。
※いかなる損害についても補償いたしません。
#!/bin/bash
DIR=`pwd`
mkdir _tmp
cd _tmp
for X in "$@"; do
 echo "----" $X "----"
 x=`echo ${X} |cut -d'/' -f1`
 if [ "${x}" = "_tmp" ]; then continue ; fi
 x=`echo ${X} |rev|cut -d'.' -f1|rev`
 if [ "${x}" != "html" ] && [ "${x}" != "htm" ]; then continue ; fi
 cp --backup=t --parents ${DIR}/$X ../_tmp/
 cat ${DIR}/$X |nkf -w |grep "blogs.yahoo.co.jp/bokunimowakaru/" |grep "html" |sed "s/.*\/\(.*\).html.*/\1.html/g" > html_fname.txt
# echo "html_fname.txt"; cat html_fname.txt; echo "[EOF]"
 cat html_fname.txt | while read html; do
  if [ "${html}" = "guest.html" ]; then continue; fi
  echo "wget:" ${html}
  if [ ! -e ${html} ]; then wget -nv https://blogs.yahoo.co.jp:443/bokunimowakaru/${html} ; fi
  key=`cat ${html} |iconv -f EUC-JP -t UTF-8|grep "<title>"|sed "s/.*title>\(.*\)(.*/\1/g"`
  key=`echo ${key} |sed "s/.*title>\(.*\)- ボク.*/\1/g"`
  echo "title:" ${key}
  key=`echo ${key}|nkf -WwMQ | tr -d "\n" | tr "=" "%"|sed "s/\%\%/\%/g"`
  echo "key:" ${key}
  url=`curl https://bokunimo.net/blog/?s="${key}" | grep "<h2 class=\"entry-title\">"|head -1|cut -d'"' -f4| tr -d " "`
  if [ -n "${url}" ]; then
   echo ${html}"->"${url} |tee -a ../log.txt
   cat ${DIR}/$X |sed "s|https://blogs.yahoo.co.jp/bokunimowakaru/${html}|${url}|g" > ${DIR}/$X~
   mv ${DIR}/$X~ ${DIR}/$X
  else
   echo "ERROR:" ${url}
  # curl https://bokunimo.net/blog/?s="${key}"
  fi
 done
done
cd ${DIR}


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CQ出版社から「新人教育用IoT実習キット」という形で、ESP-WROOM-02(ESP8266)やエナジーハーベスト対応のEnOcean送受信モジュールが含まれた部品セットが発売になります。
発売中の書籍に連動したキットです。
手っ取り早く一通りのパーツを手に入れたい方や、勉強会、セミナーなどで活用したい方は、ぜひ検討していただければと思います。

『超特急Web接続!ESPマイコン・プログラム全集』書籍連動キット

新人教育用IoT実習キット

価格19,980円(税込)
2019年3月10日発売予定
※書籍やラズベリーパイと周辺機器は付属しません
※書籍に掲載した多くの実験が可能ですが、対応していないものもあります)

イメージ 1
Wi-Fiカメラの実験のようす:キットに含まれるパーツで製作可能なWi-Fiカメラ(書籍P.89)。乾電池による間欠動作も可能。

イメージ 2
HTTPサーバを実装することで、防犯カメラ(書籍P.129)として動作させてみたときのようす。この場合は、ACアダプタ(別売)で動作させることを想定

イメージ 3
キット専用の説明書も作成しました。CQ出版社のホームページからダウンロードすることが出来ます。

本セットに含まれるパーツのリスト
イメージ 4

超特急Web接続!ESPマイコン・プログラム全集
サポートページ(筆者)

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以下の機能がつまったTTGO T-Camera が、$17.6(2019/2/22日時点で1,948円)。
広角レンズと2MピクセルJPEG出力機能つきカメラで自作の防犯カメラに活用できそうです。
本ブログでは動作確認方法について説明します。
  • ESP32マイコン搭載 Wi-FiモジュールESP32-WROVER-B(〒マーク付)
  • 広角レンズ付きカメラ(JPEG出力あり・OV2640)
  • モノクロ有機ELディスプレイ(OLED・SSD1306)
  • 人感センサ(AS312)
  • 温度・湿度・気圧センサ(Bosch BME 280)
現在、販売されている新バージョンでは、温度・湿度・気圧センサBME280が廃止となりました。
(Note: TTGO T-Camera has been updated to a version without BME280)
2019/3/10 追記

販売元 (LilyGO):
https://www.aliexpress.com/item//32968683765.html
イメージ 1
広角レンズ付きカメラ、モノクロ有機ELディスプレイ(OLED)、人感センサ、温度・湿度・気圧センサ、ESP32マイコンESP32-WROVER-B(〒マーク付)を搭載した製品 TTGO-Cameraがなんと2000円(2019/2/22現在)

さっそく、動作確認 ①センサ情報

USB端子から電源を供給すると、予めインストールされているソフトウェアが起動し、有機ELディスプレイ(OLED)にセンサ値などが表示されます。

イメージ 2
電源を入れるだけで、センサ情報が表示される(OLED画面2)

交互に表示される画面で動作確認 ②人の動きを検知する人感センサ

約6秒ごとに2つの画面が交互に切り替わります。先に紹介した前述のセンサ値の画面は「OLED画面2」です。
下図の「画面1」の上部には「AS312 Trigger」と表示されています。この表示は人感センサが人体などの動きを検知したときに表示されます。動作確認時は、(どちらかといえば)自分の身体をじっとした状態で、この表示が消えることを確認することになります。

イメージ 3
人感センサが人体などの動きを検知すると「AS321 Triger」と表示される。赤マーク部にはIEEEアドレスの末尾2バイトが表示される(OLED画面1)

スマホで動作確認 ③カンタンWi-Fi接続

こんどは、Wi-Fi機能の動作確認を行います。
上図のOLED画面1はWi-FiのSSIDとIPアドレスの表示画面です。
本機のSSIDが画面中央に「TTGO-CAMERA-XX:XX」のように表示されるので、スマホのWi-Fi設定で、検索し、接続してください。
接続後、上図のOLED画面下部に表示されているIPアドレス「2.2.2.1」へアクセスします。スマホのブラウザのURL入力欄に「http://2.2.2.1/」のように入力してください。接続が出来れば、Wi-Fi動作確認の完了です。
Wi-Fiモジュールには、日本の電波に関する技術基準適合証明の認証マーク(技適マーク)が表示されています(下図の金属シールドの部品)。

イメージ 5
本機の裏面に実装されているESP32-WROVER-Bには、国内向けの技術基準適合証明(技適)マークが印字されている

メイン機能の動作確認 ④広角カメラで写真、動画をスマホで確認

Wi-Fi接続が確認できたら、下図のような画面が表示されます。「Get Still」で写真撮影、「Stream」で動画が表示されます。

イメージ 4
写真=TTGO-Camera販売者Xin Yuan (LilyGO)より

もちろん、DIYで活用できるソフトウェア開発環境 Arduino IDE 対応

デモ用のプログラムはGitHubで公開されています。
簡単に改造して、自分だけのカメラ活用が可能です。
TTGO-Camera用デモソフトのソースコード:
簡単に全機能が動作確認できるのは、安心です。
春節明けにも関わらず、注文から到着まで1週間ほどで届きました。
動作確認を終えたら、Ali ExpressのConfirmと5つ星の付与も、お忘れなく。
(なお、ボクと出店者とは無関係です)
ご注意:
プリインストールされているデモ用ソフトのWi-Fiにはセキュリティがかけられていません。
電源を入れっぱなしにしていると、外部からの侵入者が内蔵カメラの映像を閲覧することが出来、自分自身や他人のプライバシー、秘密情報などを漏洩してしまう恐れがあります。
by ボクにもわかる電子工作

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Wi-FiモジュールESP-WROOM-02をブレッドボード基板に実装し、様々なIoT機器を製作するための書籍「超特急Web接続!ESPマイコン・プログラム全集」が、CQ出版社から発売になりました。

一つ一つのIoT機器は、比較的、簡単に製作できるものです。
特長はサンプルの多さです。また、基本的な動作確認から、作成した複数の機器を連携するまでの一連の方法についても説明しています。

先日まで、Amazonでの在庫が無く、注文後納期がかかってしまっていましたが、現在は、すぐにお買い求めいただけるようになっています。

興味がありましたら、目次だけでも見ていただければと思います。

ラズベリーパイ&IchigoJam対応
LED/スイッチからカメラ/LCDまで
なんでも3分Wi-Fi接続
超特急Web接続!
ESPマイコン・プログラム全集
[CD-ROM付き]

イメージ 1

出版社: CQ出版 (2019/1/22)
ISBN-10: 4789847047
ISBN-13: 978-4789847049
発売日: 2019/1/22

下記の情報も参考にしていただければと思います。


サポートページ:

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aitendoで販売されているai.robot.Jamの裏面にMixJuiceを接続し、ランドセルを背負うロボットのように見えるIchigoJam用マイコンボードを作ってみました。

イメージ 1
MixJuiceを背負ったairobot.jamで、インターネットサイト「ボクニモワカル for MixJuice」へアクセスしたときの様子。

ai.robot.Jamは、ロボット形状の基板(上部)で作成するIchigoJam互換ボードです。別売りの発射台基板(下部)との2枚で構成します。今回、ロボット基板の裏側にピンヘッダ(足の長いタイプ)を接続し、IchigoJam用ネットワークボードMixJuiceをロボット基板に背負わせてみました。
こどもパソコン「ai.robot.Jam」キット [K-airobotjam]

この写真の接続は誤り(aitendoサイトの写真)
下図はMixJuiceを背負っている様子です。

イメージ 2

MixJuiceの電源は、発射台基板(別売り・下部)のPS/2端子の近くにある5VからMixJuiceのCN5の5V端子へ入力し、MixJuiceのCN6にジャンパピンを差し込みました。
ロボット基板のTXDとRXDのピンは、発射台基板ではGNDになっているので接続しないようにします(ピンを切る)。また、PS/2端子側がロボット基板の正面に来る方向に接続します(aitendoのホームページの写真が誤っているので注意する)。

画面の「ボクニモワカル for MixJuice」はIchigoJam+MixJuice用のコンテンツを提供しているインターネットサイトです。アクセス方法は下記をご覧ください。
IchigoJam + MixJuice用ボクニモワカル for MixJuice:
by ボクにもわかるIchigoJam用マイコンボード

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2019年
あけましておめでとうございます

イメージ 1
昨年、Yahoo!ジオシティーズのサービス終了が決まりました。2004年から14年以上、活動の中心に使用してきたサービスであり、残念でしたが昨年10月にホームページの移転を行いました。
ホームページ移転後のアクセス件数は、3か月で約4000件でした。旧ホームページへのアクセス件数が14年で260万件(平均18.5万件)だったことを考えると大幅に落ち込んでいる状況です。

ホームページやブログをお持ちの方は、当方の新サイト(https://bokunimo.net/)へのリンク修正やリンク展開に、ご協力をいただけるよう、お願いいたします。
2019年3月中旬までは、旧ページから新サイトの該当ページへ自動遷移しますが、3月末には、新サイトのトップページへの遷移に切り替わります。

落ち込みの原因は、移転だけではありません。14年前に主流だったテキスト文字中心の情報の時代から、イラストやイメージ図を活用したコンテンツが主体の時代となりました。また、1ページのボリュームも少ないものや、要約したまとめサイトなどが主流になってきました。
ボクのサイトを書籍に置き換えた場合、「章ごと」のページ構成となっています。しかし、現在の主流は「節ごと」のページ構成になっているようです。
以上のように、ネット社会の変化に追従できていない点も課題であると分析しています。

さて、ボクは、これまで課題を分析し、それを解決するための情報を提供してきました。しかし、残念ながら、14年にもわたって積み上げてきた情報を整理しなおすことは困難です。
もちろん、新たなコンテンツ作成時には配慮し、時代に合った方法で情報を提供してゆきたいと思います。

移転後のホームページ

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MicroPythonの実行が可能なXBee3 ZigBeeモジュールでワイヤレス通信の実験を行ってみました。
XBee 3 ZigBee子機(下図・右側)の内蔵温度センサで測定した温度値をZigBee送信し、Raspberry Piに接続したXBee親機(下図・左側)で受信します。

イメージ 1
親機(左側):Raspberry PiへXBeeを接続して製作する。子機で測定した温度情報を受信する。
子機(右側):XBee3内蔵マイコン上で動作するMicroPythonスクリプトで温度を測定し、親機へ送信する。

子機・XBee3 ZigBee の構成・MicroPythonスクリプトの書き込み方法

子機にはXBee3 ZigBeeモジュールを使用します。
MicroPythonのスクリプトを書き込むには、XBee USBエクスプローラとPCなどが必要です。スクリプト書き込み後は、電源を供給するだけで動かすことが出来ます(工作が得意な人であれば、XBee USBエクスプローラは1台だけでよい)。
使用可能なXBeeモジュール:XBee3 シリーズ
必要な機器:XBee USBエクスプローラ (スクリプト書き込み時に必要)、PC(DiGi X-CTUに必要)
必要なソフト:DiGi X-CTU(スクリプト書き込み時に必要)
サンプルスクリプトは、下記に公開しました。
XBee3 ZB用MicroPythonサンプル集

温度送信用サンプル bas04_tx_temp.py
以下に、設定方法、書き込み方法を示します。
Digi MicroPython 設定方法
1. DIGI XCTU (最新版)の「Radio Modules」のアイコン[+](Add a radio Module)で使用するシリアルCOMポートを選択する。 
2. シリアル接続したXBeeモジュールが画面左側のフレームに表示されるので、それを選択する。 
3. 右フレーム「Radio Configuration」にXBee 設定画面が表示されるので、スクロールして、「AP APIEnabe」で[MicroPython REPL [4]]を選択する。 
  [Radio Configuration]
  ▼ UART Interface
   AP APIEnabe
    MicroPython REPL [4]
4. 右フレームの上部の鉛筆アイコン(Write)をクリックする。 
5. XCTUの「Tool」メニューから[MicroPython Terminal]を選択し、接続アイコン(Open)をクリックする。
(Tera Termを使用する場合は、通信設定=9600-8-N-1・フロー制御なし、改行コード=CR、ローカルエコー=無しなどを設定する。) 
サンプル・スクリプトの書き込み方法
1.サンプルスクリプトをメモ帳や秀丸エディタで開き、[Ctrl]+[A]の操作で全選択し、[Ctrl]+[C]でクリップボードにコピーします。
2.XCTU の MicroPython Terminal または TeraTermなどで、[Ctrl]+[F]を操作し、プログラムをXBee3 ZigBeeモジュールへ書き込むモードに設定します。
3.右クリック操作でペーストを行い、クリップボードに保持したサンプルスクリプトを転送します。
4.[Ctrl]+[D]を操作し、コンパイルを実行します。
5.「Automatically run」に対して[Y]を入力すると、起動時やリセット操作時に、自動起動させることが出来ます。
6.[Ctrl]+[R]でフラッシュメモリ内のプログラムを実行します。Automatically runを設定していた場合は、リセット操作[Ctrl]+[D]で実行することも出来ます。

親機 XBee ZigBee Coordinator の構成

親機は、Raspberry PiへXBee USBエクスプローラ経由でXBeeモジュールを接続して製作します。
XBeeモジュールには、最新のXBee3 ZigBeeシリーズ、従来のXBee ZB S2Cシリーズ、S2シリーズが利用できます。
使用可能なXBeeモジュール:XBee3 シリーズ、XBee ZB S2Cシリーズ、S2シリーズ
必要な機器:Raspberry Piとその周辺機器、XBee USBエクスプローラ
必要なソフト:後述(ダウンロード)

構成: [Raspberry Pi]----[XBee USB エクスプローラ]----[親機XBee]-  -  -  -[子機XBee3]
XBee3とS2Cシリーズの場合は、後述のZigBeeモード設定ツール「xbee_zb_mode」を使って、Coordinator APIモードに設定します。S2シリーズの場合は、X-CTUを使ってCoordinator API用のファームウェアを書き込みます。
また、筆者が作成したXBee テスト用ツール「xbee_test」を使って、子機が送信した温度情報を受信する実験を行います。

Raspberry Pi用のプログラムを下記のコマンドでダウンロードし、コンパイルしてください。
Raspberry Pi用プログラムのダウンロード
pi@raspberrypi:~ $ git clone -b raspi https://github.com/bokunimowakaru/xbeeCoord.git
pi@raspberrypi:~ $ cd xbeeCoord/tools/
pi@raspberrypi:~/xbeeCoord/tools $ make
ZigBeeモード設定ツール「xbee_zb_mode」を起動し、XBee Coordinator APIモードに設定して下さい。下記の実行例の引数「B0」は、XBee USBエクスプローラのUSBシリアルポートです。ポートが「/dev/ttyUSB0」の場合は「B0」、「ttyUSB1」の場合は「B1」といった具合に指定してください。(ttyUSBポートが不明な場合は、マウスやキーボード以外のUSB機器を外し、Raspberry Piを再起動してから、「~/xbeeCoord/tools/xbee_zb_mode」を入力してください。)
実行後、「10」と「Enter」を入力すれば、設定できます。設定時にエラーが出た場合は、やり直してください。
ZigBeeモード設定ツールxbee_zb_mode
pi@raspberrypi:~/xbeeCoord/tools $ ./xbee_zb_mode B0
CONNECTED 0(0x00):176(0xB0)
ZIGBEE Device Type Switcher for XBee ZB S2C / XBee3 Series
00:Coordinator AT,  01:Router AT,  02:End Device AT
10:Coordinator API, 11:Router API, 12:End Device API
Mode =10
設定が完了したら、XBee テスト用ツール「xbee_test」を起動してください。末尾の「B0」は「ttyUSB0」の場合です。
XBee テスト用ツールxbee_testを起動する
pi@raspberrypi:~ $ cd ~/xbeeCoord/tools
pi@raspberrypi:~/xbeeCoord/tools $ ./xbee_test B0
ここで重要な作業「ペアリング」を行います。
xbee_testは、XBeeモジュールを常時ペアリングが可能なモードに設定します。このため、通常は自動的にペアリングが行われ、xbee_testに「recieved IDNT」が表示されます。しかし、周囲に他のZigBeeが動作していた場合、他のネットワークに参加してしまうことがあります。この場合、子機のコミッショニングボタンを4回、押して、初期化して再実行する、または親機と同じPAN IDを子機に設定するなどが必要になることがあります。

ペアリング後に、子機XBee3から温度情報が送られてくると、「recieved UART」に続き、温度値と電源電圧値が表示されます。下記の例では、温度19.0℃、電源電圧3.302Vが得られました。
--------------------
recieved UART
--------------------
from   :0013A200 xxxxxxxx
status :02 broadcast packet
length :10 (0x0A)
data   : 19.0, 3.302
AT>

XBee3 MicroPythonで受信する

受信用のMicroPythonサンプル・スクリプトも準備しました。
(受信の確認には、子機XBee3をX-CTUのMicroPython Terminalに接続しておく必要があります。)
データ受信用サンプル bas05_rx.py
デバイス検索用サンプル bas06_rx_disc.py
親機となるRaspberry Piから送信を行うにはXBee テスト用ツール「xbee_test」から「tx=HELLO」のように「tx=」に続いて文字列を入力してください。

by
ボクにもわかるRaspberry Pi
https://bokunimo.net/raspi/
ボクにもわかるXbee
https://bokunimo.net/xbee/

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Digi XBee3 ZBが、スイッチサイエンスより販売されましたので、公開中のXBee制御用ライブラリxbeeCoordのRaspberry Pi 版のXBee3対応を行いました。

イメージ 1
スイッチサイエンスでの国内販売が開始されたXBee3 ZBモジュール。

ツールxbee_zb_modeのXBee3 対応

従来のXBee シリーズ2では、ZigBeeデバイスタイプを変更する際に、ファームウェアの書き換えが必要でした。
XBee ZB S2Cモジュールからは、XCTUや当方が作成したツールxbee_zb_mode(書籍「Wi-Fi/Bluetooth/ZigBee無線用Raspberry Piプログラム全集」付属のCD-ROMに収録)を使うことで、ファームウェアの書き換えなしに変更できるようになりました。

今回のXBee3シリーズについても、xbee_zb_modeを使ってデバイスタイプの変更が可能です。

書籍を買っていただいた方は、P.89の「新しいXBee ZB シリーズS2Cについて」に記載している方法で、XBee3シリーズのデバイスタイプを変更することが出来ます。

書籍をお持ちでない方は、後述の「XBee3対応・最新版xbeeCoord一式のダウンロード」の方法で、GitHubからダウンロードください。

イメージ 2
XBee3を使った実験の様子。従来の開発ボードで問題なく動作した

XBeeライブラリ xbee.cのXBee3 対応

XBeeライブラリについては、XBee3対応版へ更新が必要です。GitHub上のxbee.cをダウンロードして入れ換える、もしくは一式をダウンロードしてください。

XBee3対応・最新版XBee.cのダウンロード方法

下記はXBee用ライブラリxbee.cのみをダウンロードする方法です。

pi@raspberrypi:~ $ cd ~/xbeeCoord/libs
pi@raspberrypi:~/xbeeCoord/libs $ mv xbee.c xbee_old.c
pi@raspberrypi:~/xbeeCoord/libs $ wget https://raw.githubusercontent.com/bokunimowakaru/xbeeCoord/raspi/libs/xbee.c

XBee3対応・最新版xbeeCoord一式のダウンロード方法

下記はRaspberry Pi用XBeeライブラリxbeeCoord一式をダウンロードする方法です。
pi@raspberrypi:~ $ mv xbeeCoord xbeeCoord_old
pi@raspberrypi:~ $ git clone -b raspi https://github.com/bokunimowakaru/xbeeCoord.git
pi@raspberrypi:~ $ cd xbeeCoord/tools
pi@raspberrypi:~/xbeeCoord/tools $ make clean; make
pi@raspberrypi:~/xbeeCoord/tools $ ./xbee_zb_mode B0
Running ./xbee_zb_mode
Serial port = USB0 (/dev/ttyUSB0,0xB0)
CONNECTED 176(0xB0):176(0xB0)
ZIGBEE Device Type Switcher for XBee ZB S2C Series
00:Coordinator AT,  01:Router AT,  02:End Device AT
10:Coordinator API, 11:Router API, 12:End Device API
Mode = 12
End Device API
Sending AT commands in AT mode
AT command (AT) :OK
AT command (ATAP01) :OK
AT command (ATCE00) :OK
AT command (ATSM04) :OK
AT command (ATWR) :OK
AT command (ATFR) :OK
> ~
SUCCESS
by
ボクにもわかるRaspberry Pi
ボクにもわかるXbee

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IchigoSoda(モバイル通信4G LTEに対応したIchigoJam互換機・さくらインターネット製)の節電動作の実験を行い、単4アルカリ乾電池4本で20日間(2018/10/28〜2018/11/17)の動作が確認できました。
  • 単4アルカリ乾電池4本で20日間の動作を確認
  • 累計の送信回数は82回。(1日当たり約4回の送信が行える)
  • 単2に換算すると4.4か月・送信回数550回に相当
Wi-Fiの届かない郵便受けに届いた荷物の確認や、遠方に駐車している乗用車の電源検知、野獣捕獲機の状態監視など、さまざまな用途に使えそうです。

以下は、各種の乾電池での換算結果です。
単4アルカリ乾電池  19.4 日間(実験結果) 送信回数82回
単3アルカリ乾電池  49日間(試算値) 送信回数200回(試算値)
単2アルカリ乾電池 134日間(試算値) 送信回数550回(試算値)
単1アルカリ乾電池 317日間(試算値) 送信回数1300回(試算値)
イメージ 1
単4アルカリ乾電池4本で、20日間、節電動作し続けたIchigoSoda。初回の実験につき、プログラムを見直しながら実験したので、実験開始直後の測定値は不正確。

製作方法

製作方法は、下記を参照ください。一部、ハードウェアの改造を伴います。

考察と今後

送信が出来なくなったときの、電池電圧は5.0V(1本あたり平均1.25V)でした。
単4電池は電池の内部インピーダンスが高いので、sakura.ioモジュールが動作しはじめると、電圧降下が生じてしまいます。このため、電池残量が残ったまま、sakura.ioモジュールが送信できない状態となりました。
ちなみに、送信が出来なくなっても、IchigoJamマイコンは動作し続けました。

今回は、実験開始時に、何度かプログラムを修正しました。修正が無ければ、あと数日程度、長く動いた可能性があります。

1日の送信回数は、電池の持ち時間に影響します。仮に2倍の1日8回、累計164回の場合、同じ条件で17日程度、動作する試算になります。1日2回〜8回くらいまでの間で加減すれば良いでしょう。

得られたデータや知見を整理してから、条件を変えて再挑戦してみようと思います。

by ボクにもわかるIchigoJam用マイコンボード


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Espressif製Wi-FiモジュールESP32-WROOM-32を使い、シンプルな超簡易的周辺回路で動作する「IoTセンサの実験」を行ったところ、295日間(9.7か月)の動作が確認できました。

イメージ 1
超シンプルな回路で、単3アルカリ乾電池2本で、295日間(9.7か月)の長期間動作を実現した。

実証結果

下図は、モノタロウ製の単3アルカリ乾電池2本をESP32-WROOM-32モジュールへ直結し、送信間隔60分で動かしたときの、乾電池2本分の電圧の推移です。295日(9.7か月)にわたって動作し続けました。

イメージ 2
単3アルカリ乾電池2本をESP32モジュールへ直結することで、295日(9.7か月)の動作(送信間隔60分)が行えた。縦軸が電池電圧、横軸が経過月数。

上図の横軸の先頭「12/29」は、実験の開始日2017年12月29日を示します。横軸の主目盛の間隔は1か月、補助目盛は1週間です。
3月末までは徐々に電圧が下がり、4〜5月は2.8V付近を維持します。その後、ふたたび徐々に下がり、2.65Vで停止しました。
3月末の1週間ほどの期間には、2.8V前後を約0.03Vの変動を繰り返しています。この期間は、ESP32-WROOM-32モジュール内のレギュレータが2つの動作状態をもっており、そのどちらかをとっていたため考えられます。

超シンプル回路の背景

この実験を行った背景を説明します。
(興味の無い方は、次節の「実験方法」へ進んでください)

ESP32-WROOM-32モジュールのディープスリープ時の待機電力は、旧モデルESP-WROOM-02の60μAに対して20μAと低い点、プロセッサの高速化により処理時間を短く出来る点などから、旧モデルと同等以上の動作期間が実現できると言われています。

しかし、実使用状態では、起動時の突入電流の大きさから、旧モデルの半分以下の期間しか動作しないことが多くありました。突入電流が生じている状態で適切に起動させるには、500mA以上の供給能力がある電源レギュレータと、大容量の低ESRコンデンサが必要ですが、こういった部品の多くは、待機電流が大きく、また電圧降下により電池の終止電圧を高めてしまいます。(失敗例=https://t.co/8LAyYYyoEv
待機電流は、製作段階で確認することができます。しかし、電池の消耗とともにESP32モジュールが起動しなくなり、電池を使い切ることなく停止してしまうので、製作段階で確認した待機電流から電池寿命を試算しても、期待通りの結果が得られません。

そこで、「どうせ電池を使いきれないのであれば」と、
割り切った回路が、「直列2本の乾電池を直結するシンプル回路」です。

ところで、かつて(2016年12月時点)のESP32-WROOM-32のデータシートには、乾電池2本直結による動作の可能性が示されていました(電源電圧の入力範囲が2.2V〜3.6Vとなっていた)。
しかし、実測では2.7Vを下回ると動作しなくなるので、実際に乾電池2本直結で動かした例は見当たりませんでした。
さらに、2017年9月には、データシート上の動作電圧も2.7V〜3.6Vに訂正され、乾電池2本の直結動作が難しいことが明らかになりました。多くの乾電池駆動の機器は、乾電池1本あたり1V前後まで動作します。1本あたり1.35Vまでしか動作しないESP32-WROOM-32は、電池を使い切らない状態で停止してしまいます。

始めから無駄だと分かっている実験
それを行うのは、良いアイデアが思いつかないボクだけかも

イメージ 4
電池の開放電圧が2.9Vのときは起動するが、2.7V以下だと起動に失敗し、リセット処理が繰り返される様子

このような背景で実験に着手しました。
電源回路を省略することで、待機電力の大幅な削減と、電圧降下の抑制効果が図れます。

その結果として、一般的なレギュレータ(秋月などで手軽に手に入るレギュレータ)を使用するよりも、長寿命化することができました。

実験方法

実験に使用したESP32-WROOM-32は、秋月電子通商製のDIP化キットAE-ESP-WROOM-32です。
単3乾電池2本用の電池ボックスの電源コード(赤)をESP32-WROOM-32の3V3へ、電源コード(黒)をGNDへ接続し、低ESRのコンデンサ1000μFをこれらの端子へ並列に挿入しました。
また、電圧モニタ用に、電源端子を150kΩの抵抗2個で1/2に分圧して、IO34へ入力しました。

製作したプログラムは下記からダウンロード出来ます。
製作したプログラム:
プログラム12行目〜15行目を①手持ちのWi-Fiアクセスポイント、②Ambientで得たIDとライトキーへ変更し、③19行目の「#define SLEEP_P」を60分(60*60*1000000)に書き換えてから、ESP32-WROOM-32へ書き込んでください。分圧比は考慮されていませんので、考慮したい場合は、変数adcに2を乗算してください。

実験中の電圧の推移は、Ambientへ送信して蓄積することにより、下図のようなグラフで確認することが出来ます。外出中もスマホで確認が出来て、便利です。

イメージ 3

また、UDPのパケットをモニターすることで、電池切れを速やかに検出することも出来ます。
下記のスクリプトの「DEVS=」内にある「adcnv_1」の数字は、電池切れの判定時間(分)です。180を設定しておけば、電池が切れてから約3時間以内に検出することが出来ます。
また、メールで通知を行うために、muttをインストールし、「MAILTO=」にメールアドレスを入力してください。
電池切れを検出し、メールを送信するスクリプト:

GMailで送信するためのインストール・設定用スクリプト:

ESP-WROOM-02なみの電池寿命を達成

旧モデルのESP-WROOM-02では、単3アルカリ乾電池3本(送信間隔30分)で、1年間の動作が可能であることが分かっていました。
ESP-WROOM-02・単3アルカリ乾電池3本で1年間
https://t.co/GHN0yf5jIC
今回は、単3アルカリ乾電池2本なので、8か月(12か月×2本÷3本)以上の動作が出来れば、ESP-WROOM-02なみと言えるでしょう。ただし、ESP-WROOM-02の実験に比べて、送信間隔を2倍の60分にしています。
そこで、これまでの実験の結果を試算式の係数へフィードバックし、送信間隔が30分のESP32-WROOM-32を単3アルカリ乾電池2本で動作させた場合の動作期間を試算してみたところ、約9か月(3本で13か月相当)となることが分かりました。
以上から、ESP-WROOM-02なみの長時間動作を達成したとみなしました。
(引き続き、検証を行ってゆく予定です。)

実験を行うときの注意点(実験を行うときは必ずご覧ください)

今回の回路には、電源の保護回路が入っていません。例えば、ブレッドボード上やモジュール内で電源がショートしてしまった場合、発熱や発火の恐れがあります。少なくとも、以下の点に注意してください。
  1. ポリカーボネート製のケースなどに入れること
    ※燃えやすいプラスチックやレンジ用の耐熱容器は危険なので使用しない
  2. 周囲に燃えやすいものが無く、安定した場所に設置すること
  3. 部品やコードが外れないように耐熱テープ(ポリイミド)などで固定すること
  4. ブレッドボードや電池ボックスを両面テープやネジでケースへ固定すること
    ※機器が落下したときなどに外れないように
  5. 動作(送信)しなくなったら、すぐに電池を外すこと
    ※電池が減って、送信できなくなると、回路に電流が流れ続け、発熱します
    電池には残量が残っているので、発熱量が大きい点に注意してください
  6. 突入電流によってコンデンサの上面が破裂する場合があることを想定しておくこと
    ※ケースに開口穴を設ける、許容電流の高いコンデンサを選定するなど
  7. 異常が発覚したときに、速やかに電池を外せる状態にしておくこと
機器が発火した場合を想定し、発火しても燃え広がらない対策を、必ず、行ってください。

なお、製品として販売するような場合は、保護回路が必要です。
少なくともリセッタブル・ヒューズを使用し、内部発熱や発火を防止してください。

by ボクにもわかる電子工作
https://bokunimo.net/

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