Raspberry pi で Hydroponic に挑戦 (10) ポンプコントロール実装

中国から部品が届いたので、 ポンプコントロールのハードウェアを組み付ける。


これが回路図。

1N4001は Flyback diode。ソレノイド、モーター、リレーなど Inductive Load の制御には必ず必要。
回路をハンダ付けし、試運転するがポンプもリレーも動かない。トランジスタ P2N2222A のピン配置をGoogle で調べるときに間違えて PN2222A で調べてしまった。P2N2222A と PN2222A は電気的特性は同じだが、コレクタとエミッタのピン配置が 反対になっていた。ハンダ付け直すと今度はリレーは働くが、まだポンプが動かない。ポンプの消費電力が DC12V 1.9A となっていたので、中国製の安い DC12V 2A のスイッチングパワーサプライを使用したのだが、パワーサプライのLED が点滅して明らかに容量不足。しかたがないので古いDC12V 3.9A のパワーサプライに交換する。これで無事ポンプが動くようになった。


パワーサプライとリレーは貯水槽の上に設置。


Raspberry pi と ｐH インターフェースの入ったコントローラーは培養槽の横に設置。


培養槽にｐHセンサーと温度センサー


デッキ下に設置したEthernet ポートにCat5ケーブルを繋ぐ。


びっしりと根が大きくなっている！

Raspberry pi で Hydroponic に挑戦 (9) ポンプコントロール

今日は 午前中 水耕栽培の培養液を循環させるポンプをコントロールするタイマー機能をプログラムに追加。
Python time module の 詳細は 15.3. time — Time access and conversions を参照。


ママチャックの希望で 昼と夜、二種類ポンプの間欠頻度を設定できるようにした。

Linux上のwxPythonのCombo Box では フォントサイズが変えられないバグが有る。本当はもっと大きなフォントにしたいのだが・・・・・・
ポンプコントロールのハードウェアはリレーなどの 部品を中国に発注済。後日部品入手後、組み込むことにする。

午後は床下に潜り込んで Cat5 ケーブルをデッキ下まで引き回す。

Raspberry pi で Hydroponic に挑戦 (8) データ保存

Hydroponic controller プログラムに データ保存機能を追加。


ｐH と温度データを CSV形式で保存


保存したデータを Libre Office で開いて、グラフ化してみた。

Raspberry pi で Hydroponic に挑戦 (7) wxpython で GUIプログラミング

今週末は wxpython を利用して、Python のGUI プログラミングに初挑戦。
ママチャックでも簡単に使えるようにするにはやはりGUI にするしかないからね。
まずは Raspberry pi に wxpython をインストール。
Raspberian のターミナルから sudo apt-get update してから sudo apt-get install python-wxgtk2.8 とタイプする。途中インストール続行を訪ねてくるので Y と入力。

今まではVisual Basic でしか GUIプログラミングの経験がなかったのでずいぶん勝手が違う。
wxpython の基本情報は python-izm を参考にする。
プログラミング上必要になるRGBカラーコードは The Other RGB Color Chart を参照。
Visual Basic では コントロールオブジェクト配列は簡単に作成できて 配列インデックスで簡単に参照できたのだが wxpython ではそう簡単ではない。 複数の Widgets を一つのハンドラーで扱う方法は wxPython: Binding Multiple Widgets to the Same Handler を参考にする。
Event driven プログラミングで自動計測制御するには絶対必要になるタイマーコントロールも Visual Basic では タイマーコントロールアイコンをフォーム上に配置すればすむ。wxpython では 同じような wx.Timers というWidget があるのだが、どうもこのタイマーは Class の中でしか使用できないらしい。wxPython: Using wx.Timers を参考にする。
Python でのDate とTime の扱いは Python Date & Time を参考
MassageDialog 表示後の処理は Getting started with wxPython を参考にする。

まる2日かけて何とかｐHと温度の測定、ｐHのキャリブレーションができるようになった！


Android タブレット Asus MeMO Pad HD7 にも VNC viewer をインストールし、
タブレットからも Raspberry pi 上の GUIプログラムにアクセスできるようにした。

Raspberry pi で Hydroponic に挑戦 (6) ハードウェア実装

今日は Breadboard 上 の回路を ユニバーサル基板に移植ハンダ付け。


アルミ板を曲げそこにRaspberry pi、デジタルｐH インターフェースボード、ユニバーサル基板を取り付ける。


キッチン用 気密プラスチックケース Snapware 内 に取り付ける。

Raspberry pi で Hydroponic に挑戦 (5) MinipH I2C pH interface から Rawデータ取得

今日は MinipH I2C pH Interface board をRaspberry pi に繋いで ｐH のRaw データを取得することを目指す。このボードを使用した Arduino のサンプルプログラムはネット上にあるのだが、Raspberry pi、Python 上で使用するサンプルプログラムが見つからない。そこでこのボードで使用している A/Dコンバータ MCP3211 を使用したPython のサンプルプログラムを探してみるが、これも全く見つからない。困ったなぁ。自力でコードを書かなければ・・・・・・・
3枚のインターフェースボードを入手したのだが、そのうちの2枚が同じアドレスのため一つのI2Cバス上では2枚までしか使用できない。とりあえずは2枚のインターフェースボードを使用することにし、残りの一枚は別のアドレスのボードに交換してもらうよう製作者に依頼する。


2枚のボードを繋ぐ。

このインターフェースボードは I2C プロトコルでRaspberry pi と通信を行う。Raspberry pi はすでに I2C セットアップを済ませてあるので、sudo i2cdetect -y 1 とタイプし、2枚のボードのアドレスが認識されることを確認する。


アドレスは 0x4c と 0x4e

Raspbian には SMBus （System Management Bus) という I2Cのサブセット通信プロトコルが用意されているので、このプロトコルを使用して I2C 機器と通信を行う。
1枚のボードに ｐHプローブシュミレータを繋ぎ、 ｐH を 4，7，10 と変化させて、データを読み取るSMBusコマンドをいくつか試してみる。データは取得できるのだが、どれもｐH の変化に対応していない。困ったなぁ。
そこで、A/Dコンバータ MCP3211 のデータシート と SMBus Protocol Summary を見比べてみる。すると MCP3211 の12bit データは Upper Data Byte、Lower Data byte の順に送り出されるのに対して、 SMBus プロトコルで i2c_smbus_read_word_data() はLower Data byte、 Upper Data byte の順に読み込まれることになっている。それなら i2c_smbus_read_word_data() でデーターを読み、その 16bit データーの上位バイトと下位バイトを入れ替えれば良いはずだ。そこで ネット上にある バイトを入れ替えるプログラムを参考に Python でコードを書いてみる。

############################################################
#                                                          #
#    Read ｐH data from 2 MinipH I2C pH interface boards   #
#                                                          #
############################################################

import smbus
import time

bus = smbus.SMBus(1)
pH_address = [0x4c, 0x4e]

def readRawpH(address):
    raw_word= bus.read_word_data(address, 1)
    swapped_word = swap_bytes(raw_word)
    
    return swapped_word

def swap_bytes(word):
    byte_low = word & 0x00FF
    byte_high = (word & 0xFF00) >> 8
    swapped_high = byte_low << 8
    swapped_word = swapped_high + byte_high

    return swapped_word   

while True:
    for ad_index in range(len(pH_address)):
        i = 0
        raw_ph = 0
        while i < 100:
            raw_ph += readRawpH(pH_address[ad_index])
            time.sleep(0.01)
            i += 1
        raw_ph = raw_ph / 100
        print'Sensor#%d: %d,' % (ad_index,raw_ph), 
    time.sleep(1)
    print

このプログラムを走らせてみると、


pH4の時 Rawデータ は約1000、 pH7で約2000、pH10で約3000 となった。pH0 で 0， pH14 で 4095（12bit) とすればおおよそ合っているようだ。

Raspberry pi で Hydroponic に挑戦 (4) DS18B20 温度センサー

さて、いよいよ Hydroponic に使用する温度センサーをRaspberry pi に繋いでみよう。今回使用するのは DS18B20 という デジタル温度センサー、 1-Wire バスを使用して Raspberry pi と通信する。このセンサー一つ一つに固有の64bit コードが書き込まれているので、一つのバスに幾つもの温度センサーを繋ぐことができるのだ。
Arduino では 別にこのセンサーアドレスを調べるプログラムをインストールしなければならなかったが、Raspbian には すでにこの1-Wire 温度センサーのデーターを読み込むライブラリが用意されているので、Adafruit's Raspberry Pi Lesson 11. DS18B20 Temperature Sensing に従って、3本のセンサーをBread board に繋ぎ、アドレスを調べる。



000005cd2b5e、000005cd67f7、000005cd2b5e が3本のセンサーのアドレス。
22625（22.625℃）が センサー000005cd2b5e の温度。

Lesson 11 に従って、 Python 上でプログラミング。このプログラムは Root 権限がないと動かない。パパチャックは Raspbian に付属の IDLE という Python 開発環境 でプログラミング しているのだが、 デスクトップ上の IDLE アイコンをダブルクリックして起動すると、Root権限が無いためこのプログラムは動かない。
そこで、Raspbian デスクトップから LXTerminal を起動し、sudo idle とタイプして IDLE にRoot権限を与えて起動する必要がある。
Lesson 11 のプログラムは一つのセンサーから温度データーを読むプログラムなので、それを 先ほど取得したセンサーアドレスを使用して3つのセンサーから同時に温度データーを読み込むように改良。

以下がプログラムコード

#######################################################
#                                                     #
#    Read Temperature data from 3 DS18B20 sensors     #
#                                                     #
#######################################################

import os
import time

os.system('modprobe w1-gpio')
os.system('modprobe w1-therm')

device_address = ['000005cd2b5e', '000005cd67f7', '000005cda0da'] #Sensor addresses
device_prefix = '/sys/bus/w1/devices/28-'
device_suffix = '/w1_slave'

def read_temp_raw(address_index):
    device_file = device_prefix + device_address[address_index] + device_suffix
    f = open(device_file, 'r')
    lines = f.readlines()
    f.close()
    return lines

def read_temp(adrs_index):
    lines = read_temp_raw(adrs_index)
    while lines[0].strip()[-3:] != 'YES':
        time.sleep(0.2)
        lines = read_temp_raw(adrs_index)
    equals_pos = lines[1].find('t=')
    if equals_pos != -1:
        temp_string = lines[1][equals_pos+2:]
        temp_c = float(temp_string) / 1000.0
        #temp_f = temp_c * 9.0 / 5.0 + 32.0
        return temp_c
 
while True:
    for ad_index in range(len(device_address)):
        print'Sensor#%d: %05.2f C,' % (ad_index, read_temp(ad_index)),
    time.sleep(1)
    print

Raspberry pi で Hydroponic に挑戦 (3) GPIOセットアップ、LEDコントロール

Raspberry pi がただの小さくて安いLinux コンピューターではないのが、このGPIO端子。

GPIO とは General-purpose input/output のこと。この端子を介してリアル・ワールドとコンピューターワールドが繋がるのだ。マイクロコントローラである Arduino には アナログ入力端子もあったが、Raspberry pi ではデジタル入出力端子のみ。 アナログ値を扱うには ADコンバーターを介して 繋ぐことになる。
Adafruit's Raspberry Pi Lesson 4. GPIO Setup に従って、GPIO とI2C のセットアップ。

Raspberry pi のpi はPython のpi。 このGPIO端子にアクセスする様々なライブラリーはPython というスクリプト言語で簡単に利用できるため、はじめて Python に挑戦してみる。
プログラミングの第一歩といえば ”Hello World" と画面に表示するプログラムだが、このGPIOプログラミングの第一歩はやはり LEDを点滅させるプログラムでしょう。 Google で そのようなPython プログラムを探す。
Third Eye Visions というWeb site に手頃なプログラムコードを見つけ、これを試してみる。（GPIO端子7番はあとで 温度センサーに使用するため、11番端子に変更。）




LED が光った！

Raspberry pi で Hydroponic に挑戦 (2) Raspberry pi のセットアップ

今日は Raspberry pi に OS をインストールし、Windows PCから Raspberry pi にリモートアクセスできるようにする。 Raspberry pi は ハードディスクのかわりに SDカード を使用するため、引き出しにあった8GBのTranscend を使用する。（4GB以上を推奨）以下は Windows PC を使用した Rasberry pi のセットアップ。
まずは Raspberry pi 用のOS Raspberianをダウンロード。 最新の RASPBERIAN Debian Wheezy のZIP ファイルをダウンロードし、そのZIP ファイルを解凍してImage ファイルを得る。
次に Win32 Disk Imager exe ファイルをダウンロード。exeファイルをダブルクリックして Win32 Disk Imager をインストール。
SD カードを Windows PC のカードリーダに挿入。SD カードは念のため FAT32 でフォーマット。Win32 Disk Imager を Run as Administrator として起動。Device として先ほど挿入したSD カードを選択。Image file として先ほど解凍したRaspberian を選択。 Write ボタンを押して、SDカードに Raspberian をインストール。これでSDカードの準備が完了。

Raspberry pi には Windows PCからリモートアクセスして使用する予定のため、ディスプレーやキーボードなどの入出力装置は必要ないのだが、リモートアクセスできるようセットアップするため、最初だけ ディスプレー、キーボード、マウスが必要になる。我が家でRaspberry pi につなげるディスプレーはリビングルームにある テレビだけなので、このテレビにHDMIケーブルでRaspberry pi を繋ぐ。（AVレシーバ経由ではうまく繋がらない。ダイレクトにテレビに繋ぐこと。）キーボードとマウスはUSBジャックに繋ぐ。イーサネットケーブルもRaspberry pi に繋ぐ。
Raspberian をインストールした SDカードを Raspberry pi のSDカードソケットに挿入して、マイクロUSBジャックにパワーサプライをつなぐと Raspberry piの起動が始まる。



まずは設定画面が現れるので、Adafruit's Raspberry Pi Lesson 2 を参考に初期設定を済ませる。
重要なのは Expand root partition to fill SD card, Enable SSH server, Start desktop on boot を選択。その他 Keyboard と Locale を設定して reboot。


Rasberian のデスクトップ！

LX terminal を開いて sudo ifconfig とタイプ。 Raspberry pi のIPアドレス をノートに書き留める。

この先 Raspberry pi には入出力装置は必要ないので、 sudo shutdown -h now とタイプし、 Raspberry pi を終了。 Power以外のLEDランプが全て消えたら、パワーサプライ、ディスプレイ、キーボード、マウス を取り外し、Raspberry pi はネットワークケーブルとパワーサプライだけを繋ぐ。

次は Adafruit's Raspberry Pi Lesson 6. Using SSH を参考に SSH でWindows PCから Raspberry pi にアクセスできるように設定。Putty の代わりに Bitvise SSH Client をダウンロードして Windows PC にインストール。
Bitvise SSH Client を起動、先ほどノートに書き留めた IPアドレスを入力。User name は pi、Password は raspberry （Raspberry pi の初期設定で パスワードを変更した場合はそのパスワード）を入力。 SSH で Raspberry pi のターミナルにリモートアクセスできる。

Adafruit's Raspberry Pi Lesson 7. Remote Control with VNC を参考に VNC (Virtual Network Connection) で Raspberry pi に デスクトップにWindows PCからアクセスできるようにする。
まずは Raspberry pi に VNC サーバーソフトをインストールする。SSHターミナルに 次のコマンドをタイプ
sudo apt-get update
sudo apt-get install tightvncserver
途中インストールするか聞いてくるので”Y"とタイプするとインストールが始まる。
インストールが終了したら、
vncserver :1
とタイプ、 VNCサーバーを起動する。
8文字以下のパスワードを新たに入力、 再入力する。

Real VNC から Windows 用 VNC client ソフトをダウンロードしてインストールする。
インストールしたVNC Viewer を起動。
VNC Server として Raspberry pi のIPアドレス：１ を入力、Connect ボタンをクリック、先ほどの8文字以下のパスワードを入力。

Rasberian のデスクトップがWindows PC 上に現れる！

最後はRaspberry pi 起動時に自動的に VNCサーバーが起動するように設定する。
Raspberian の LXterminal を起動。
$ cd /home/pi とタイプ。
$ cd .config で hidden config folder に移動。
$ mkdir autostart で autostart フォルダを作成。
$ cd autostart で autostart フォルダ内に移動。
$ nano tightvnc.desktop で テキストエディタ nano を起動、tightvnc.desktop という新しいファイルを作成。
以下のように タイプ。
[Desktop Entry]
Type=Application
Name=TightVNC
Exec=vncserver :1
StartupNotify=false
Ctrl-X そして Y でtightvnc.desktop ファイルを保存。次回リブートすると自動的にVNCサーバー が起動する。

Raspberry pi で Hydroponic に挑戦 (1)

ママチャックが今年になってから急に Hydroponic Garden （水耕栽培）を始めると宣言。水耕栽培ではｐH や水温などの管理が重要だということで、そのｐH、温度 モニター＆ コントロールするシステムをパパチャックが作ることにした。 今まで このような電子工作は Arduino を 利用してきたが、今回はホームネットワーク上でリモートモニタリングできるようにしたい。将来は 外部から Tablet でモニターできるようにしたいなぁ。と夢は広がる。
Arduino は マイクロコントローラ なので、これに ネットワーク 機能を付け足すにはかなりの経費と労力が必要だ。そこで今回はじめて Raspberry pi を利用することにした。Raspberry pi は元々イギリス ケンブリッジ大学コンピューター研究所の 先生が 子供たちにコンピュータープログラミングを体験させるためのプラットフォームとして開発したクレジットカードサイズのコンピューター。CPU は700MHｚ のARMプロセッサで OSはLinux を使用する。RAMが 256MB、USBポートが一つ、EthernetポートのないModel A が ＄25-。512MBRAM, 2USBポート、 Ethernetポートの付いたModel Bが＄35-と非常に安価だ。
今回は当然Model Bを使用する。Arizona 旅行に行く前にAmazon に発注。
旅行から帰るとその Raspberry pi が 届いていた。

左が Kindle Paperwhite。 Raspberry pi User Guide 2nd edition (￥902) 日本のAmazon のほうが安かったよ。


Raspberry pi を箱から取り出す。

Raspberry pi 以外に ｐH電極（約＄8/個）、デジタル温度プローブ（約＄2/個）MinipH I2C pH interface ボード （約＄18/個）も購入。さぁ、うまくいくかなぁ？