(本稿はKLab Advent Calendar 2017 の3日目の記事になります)

昨今、電子工作やマイコンプログラミングへのハードルが急激に下がっているという印象があります。皆さんの身の周りでもArduinoやRaspberry Piに秋葉原で買ったセンサーを繋いで遊んでいる人がいるのではないでしょうか?

私の所属しているKLab株式会社にも「Make部」という部活があり、毎年Maker Faire Tokyoで各個人が作品を展示したり社内勉強会を開いたりして、業務と無関係に電子工作を楽しんでいたりします。

ふつうのLinuxマシンでもセンサー類を扱いたい

とはいえ、ArduinoもRaspberry Piも普段使っているLinuxマシンやmacOSマシンとは随分異なる環境です。ふつうのLinuxマシンにセンサーを接続して、気軽に扱えないものでしょうか?

Raspberry Piでセンサー類を簡単に扱えるのは、GPIOインターフェースが存在するためです。GPIOピンと各種センサー類やサーボモータなどを接続することで、Linux+電子工作の組み合わせが簡単に実現できるよ、というのがRaspberry Piの強みだと言えるでしょう。

Raspberry PiのGPIOピン

一方で、多くのLinuxマシンにはGPIOインターフェースが存在しません。たとえばUSB to I2C変換モジュールを使えばLinuxマシンでも電子工作的な遊びはできますが、追加の出費が必要ならRaspberry Piを買った方がマシだよ、となってしまいそうです。

本稿では、DigiTempを使ってLinuxマシンで比較的安価に温度センサーを扱う方法を紹介します。DigiTempはLinuxのシリアル通信インターフェース経由で1-Wire接続のセンサーを扱うOSSで、多くのLinuxディストリビューションで標準パッケージとして採用されています。

ソフトウェアのインストール

まずはソフトウェアのインストールをしましょう。大抵の環境でDigiTempはコマンド一発で入るはずです。

Debian系なら apt でインストールできます。

$ sudo apt install digitemp

RedHat系は yum でインストールできます。

$ sudo yum install digitemp

macOSでも遊べます。Homebrewからインストールしましょう。

$ brew install digitemp

後述するようにシリアル通信ドライバも必要です。こちらは利用するシリアル変換ICに応じて適切なドライバをインストールしてください。

ハードウェアの準備

当然ですが、ソフトウェアだけで外気温の測定はできません。DigiTempの利用には下記のような準備が必要です。

USB to シリアル変換モジュール

USBからシリアル通信(UART)への変換モジュールです。Arduinoで遊んだことがあれば必ず1個は持っているのではないでしょうか。変換ICとしてはFTDI社のFT232RLなどが有名ですが、他にもSilicon Labs社CP2102やProlific社 PL2303を採用した変換モジュールも容易に入手できます。

ちなみに私はCP2102ベースの変換モジュールを利用しています。これはeBayで1.15ドルでした。

CP2102 USB to シリアル変換モジュール

FTDI製ICを使っているモジュールであればドライバは標準でインストールされていることが多いかもしれません。それ以外の場合は手動でドライバをインストールする必要があるはずです。

温度センサ DS18B20

DS18B20はMaxim Integrated Products社製の温度センサです。秋月で買うと1個250円ですが、eBayなどを探せばもっと安いものも見つかります。

DS18B20

このセンサーは1-WireというMaxim独自のプロトコルで動作します。このプロトコルがUART経由で扱う上でのキモです。1-Wireはデータレートが低速かつ通信線1本で動作するので、UARTからでもドライブできるのです。他のプロトコルのセンサーであれば何らかのICが必須になるでしょう。

UARTとDS18B20の接続用ボード

UARTとDS18B20を直結しても動くことは動くらしいのですが、逆流防止などの用心のため、簡単な回路を工作してみました。

UART to DS18B20 接続用ボード

これはdword1511/onewire-over-uartで紹介されている下記の回路図を元に作成したものです。

回路図

材料は下記の通りです。

  • ユニバーサル基板
  • L型ピンソケット(1×6、メス)
  • 5.1kΩ 抵抗
  • スイッチングダイオード 1N4148
  • ポリウレタン銅線(配線用)

動かしてみる

これらを組み合わせると次のような見た目になります。思ったより場所を取る感じの仕上がりになってしまいました。

完成図

これをLinuxマシンのUSBに接続して、先ほどインストールしたDigiTempを起動すると温度が取れます。

コマンドの使い方として、まずは-wオプションを指定して1-Wireデバイスのスキャンを行う必要があります。-sオプションはシリアルポートの指定です。

$ /usr/bin/digitemp_DS9097 -s/dev/ttyUSB0 -w
DigiTemp v3.7.1 Copyright 1996-2015 by Brian C. Lane
GNU General Public License v2.0 - http://www.digitemp.com
Turning off all DS2409 Couplers
.
Devices on the Main LAN
28FF933161150389 : DS18B20 Temperature Sensor

これで接続されているセンサーの情報が$HOME/.digitemprcに記録され、次回以降の起動でこの情報を参照するようになります。

$ /usr/bin/digitemp_DS9097 -a -d 2 -n 5
DigiTemp v3.7.1 Copyright 1996-2015 by Brian C. Lane
GNU General Public License v2.0 - http://www.digitemp.com
Dec 02 21:21:27 Sensor 0 C: 21.50 F: 70.70
Dec 02 21:21:29 Sensor 0 C: 21.56 F: 70.81
Dec 02 21:21:31 Sensor 0 C: 21.50 F: 70.70
Dec 02 21:21:33 Sensor 0 C: 21.50 F: 70.70
Dec 02 21:21:35 Sensor 0 C: 21.44 F: 70.59

上記は2秒間隔でセンサーの値を5回取得する指定です。摂氏と華氏で温度が取れているのがわかります。

ちなみに、筆者はこれを家のLinuxルータに刺した上で取得した値をMackerelに書き出しています。

温度変化グラフ

上記のグラフが作りたいだけならRaspberry Piで温度センサーを扱った方が楽なのでは?と思われるかもしれません。理屈で言えばそうかもしれませんが、個人的にRaspberry Piは長期間電源を入れっぱなしにする気が起きないので、ふつうのLinuxマシンで運用できることに価値があるように感じています。同じ感覚の方が他にいらっしゃるかはわかりませんが…。

まとめ

  • DigiTempというLinux/macOS上で温度センサーDS18B20を扱うOSSを紹介しました
    • シリアル通信(UART)経由で1-Wireセンサーをドライブできます
    • 多くのLinuxディストリビューションで標準パッケージ採用されています
  • Raspberry Piで同じことをするより適用範囲が広かったり長期運用しやすかったりするかもしれません

@hnw