2019年4月 – 計測・解析ラボ

ESP32 environment sensor node and data logger on WiFi LAN

Overview
In order to investigate the temperature distribution in the indoor space, we created a system that records data from multiple environmental sensor nodes wirelessly to a data logger. The environmental sensor node performs intermittent operation by connecting the BME280 environmental sensor to the ESP32 as a battery drive to facilitate installation. The data logger connects the real-time clock and SD card to the ESP 32 and records the received time and data in a file for each sender. Assign a fixed IP address with the ESP32 MAC address using a dedicated WiFi router. Data is sent from the environmental sensor node to the data logger’s IP address using UDP, and the data logger learns the environmental sensor node number from the sender IP address.

概要
屋内空間の温度分布を調べるために、複数の環境センサーノードから無線でデータロガーに記録するシステムを作りました。環境センサーノードは設置を容易にするために電池駆動としてESP32にBME280環境センサーを接続して、電池の交換頻度を減らすために間欠動作を行います。データロガーはESP32にリアルタイムクロックとSDカードを接続して、受け取った時刻とデータを送信元ごとのファイルに記録します。専用のWiFi ルーターを使って使用するESP32のMACアドレスで固定IPアドレスを割り当てます。環境センサーノードからデータロガーのIPアドレスに向けてUDPでデータを送り、データロガーは送信元IPアドレスから環境センサーノードの番号を知ります。

使用した機材

ESP32: MH-ET LIVE ESP-32 Mini kit

10ピン４列のピンソケットには分割ロングピンソケット　１ｘ４２　[FHU-1x42SG] (秋月電子通商)を使用しました。
http://mh.nodebb.com/topic/5/mh-et-live-esp-32-devkit-mini-kit-user-guide-updating

環境センサー: BME280 GYBMEP

ライブラリ：BlueDot BME280 Library

BME280 : ESP32
VIN : 3.3V
GND :GND
SCL :IO22
SDA :IO21

マイクロSDモジュール:

ライブラリ: ESP32標準 SD(esp32)

配線
SD : ESP32
CS : IO5
SCK : IO18
MOSI : IO23
MISO : IO19
VCC : VCC
GND : GND

リアルタイムクロック: DS3231 ZS-042モジュール

充電できないCR2032を使用するため充電用パターンをカットしました。

ライブラリ：DS3231FS

配線
DS3231 : ESP32
32K : NC
SQW : NC
SCL : IO22
SDA : IO21
VCC : VCC
GND : GND

無線LANポータブルルーター: エレコムWRH-300BK3-S

ESP32のMACアドレスを調べて、MACアドレスとIPアドレスを紐付けにします。SSIDのスティルス機能を使い、登録されたMACアドレス以外は接続を拒否しています。

電池ケース: マルツGB-BHS-3X4C-LW(単3×4本スイッチ・フタ・リード線付き)
ESP32のVDDに+6V、ESP32のGNDに０Vを接続します。

動作の安定性について
ESP32環境センサーノードは送信時に毎回起動するような動作のため安定して動作します。ESP32データロガーは連続動作のためWiFi LANへの接続不良の場合やSDへの記録が正常に行えない場合はESP32をリスタートすることにしました。

ESP32環境センサーノードのスケッチ

//スリープから指定時間後に起動し、
//温度・湿度・気圧を測定し、
//UDP通信でIPアドレス***,***,***,***の50021ポートに送る。
//その後スリープする。

//BME280環境センサー
#include <Wire.h>
#include "BlueDot_BME280.h"
BlueDot_BME280 bme280 = BlueDot_BME280();
#define BUFF_MAX 128
char message[BUFF_MAX];
//WiFi設定
#include "WiFi.h"
#include "AsyncUDP.h"
const char * ssid = "Your SSID";
const char * password = "Your Password";
AsyncUDP udp;
//タイマー起動
#define uS_TO_S_FACTOR 1000000  /* Conversion factor for micro seconds to seconds */
#define TIME_TO_SLEEP  60        /* Time ESP32 will go to sleep (in seconds) */
RTC_DATA_ATTR int bootCount = 0;


void setup(){
  Serial.begin(9600);
  WiFi.mode(WIFI_STA);
  WiFi.begin(ssid, password);
  delay(1000); //Take some time to open up the Serial Monitor
  
  ++bootCount;  //Increment boot number and print it every reboot
  Serial.println("Boot number: " + String(bootCount));
  esp_sleep_enable_timer_wakeup(TIME_TO_SLEEP * uS_TO_S_FACTOR);
  Serial.println("Setup ESP32 to sleep for every " + String(TIME_TO_SLEEP) +
  " Seconds");

  BME280_parameter();
  bme280.init();
  delay(5000);
  
  float temp=bme280.readTempC();
  float hum=bme280.readHumidity();
  float pres=bme280.readPressure();
  snprintf(message, BUFF_MAX, "%.1f\t%.1f\t%.1f\n", temp, hum, pres);
  Serial.print(message);

  if(udp.connect(IPAddress(***,***,***,***), 50021)){
    udp.print(message);
  }
  delay(3000);
  esp_deep_sleep_start();
}


void BME280_parameter(){
  bme280.parameter.communication = 0;
  bme280.parameter.I2CAddress = 0x76;
  bme280.parameter.sensorMode = 0b11;
  bme280.parameter.IIRfilter = 0b100;
  bme280.parameter.humidOversampling = 0b101;
  bme280.parameter.tempOversampling = 0b101;
  bme280.parameter.pressOversampling = 0b101;
  bme280.parameter.pressureSeaLevel = 1013.25;
  bme280.parameter.tempOutsideCelsius = 15;
}

void loop(){
  //This is not going to be called
}

//スリープから指定時間後に起動し、

//温度・湿度・気圧を測定し、

//UDP通信でIPアドレス***,***,***,***の50021ポートに送る。

//その後スリープする。

//BME280環境センサー

#include <Wire.h>

#include "BlueDot_BME280.h"

BlueDot_BME280 bme280 = BlueDot_BME280();

#define BUFF_MAX 128

char message[BUFF_MAX];

//WiFi設定

#include "WiFi.h"

#include "AsyncUDP.h"

const char * ssid = "Your SSID";

const char * password = "Your Password";

AsyncUDP udp;

//タイマー起動

#define uS_TO_S_FACTOR 1000000 /* Conversion factor for micro seconds to seconds */

#define TIME_TO_SLEEP 60 /* Time ESP32 will go to sleep (in seconds) */

RTC_DATA_ATTR int bootCount = 0;

void setup(){

Serial.begin(9600);

WiFi.mode(WIFI_STA);

WiFi.begin(ssid, password);

delay(1000); //Take some time to open up the Serial Monitor

++bootCount; //Increment boot number and print it every reboot

Serial.println("Boot number: " + String(bootCount));

esp_sleep_enable_timer_wakeup(TIME_TO_SLEEP * uS_TO_S_FACTOR);

Serial.println("Setup ESP32 to sleep for every " + String(TIME_TO_SLEEP) +

" Seconds");

BME280_parameter();

bme280.init();

delay(5000);

float temp=bme280.readTempC();

float hum=bme280.readHumidity();

float pres=bme280.readPressure();

snprintf(message, BUFF_MAX, "%.1f\t%.1f\t%.1f\n", temp, hum, pres);

Serial.print(message);

if(udp.connect(IPAddress(***,***,***,***), 50021)){

udp.print(message);

}

delay(3000);

esp_deep_sleep_start();

}

void BME280_parameter(){

bme280.parameter.communication = 0;

bme280.parameter.I2CAddress = 0x76;

bme280.parameter.sensorMode = 0b11;

bme280.parameter.IIRfilter = 0b100;

bme280.parameter.humidOversampling = 0b101;

bme280.parameter.tempOversampling = 0b101;

bme280.parameter.pressOversampling = 0b101;

bme280.parameter.pressureSeaLevel = 1013.25;

bme280.parameter.tempOutsideCelsius = 15;

}

void loop(){

//This is not going to be called

}

ESP32データロガーのスケッチ

//WiFi
#include "WiFi.h"
#include "AsyncUDP.h"
const char * ssid = "MaDAesp32NET";
const char * password = "1655arduino32";
AsyncUDP udp;
//SD
#include "FS.h"
#include "SD.h"
#include "SPI.h"
//RTC
#include <Wire.h>
#include <ds3231.h>
ts t; //ts is a struct findable in ds3231.h

#define BUFF_MAX 128
char buff[BUFF_MAX];
char dateString[BUFF_MAX];
char dataFileName[BUFF_MAX];
char timeString[BUFF_MAX];
char recString[BUFF_MAX];
char ipString[BUFF_MAX];

int led_r =16;
int led_g =17;
int myTimer =0;

int udpCount;

void setup()
{
  Serial.begin(9600);
  pinMode(led_r, OUTPUT);
  pinMode(led_g, OUTPUT);
  WiFi.mode(WIFI_STA);
  WiFi.begin(ssid, password);
  if (WiFi.waitForConnectResult() != WL_CONNECTED) {
      Serial.println("WiFi Failed");
      delay(10000);
      /*
      while(1) {
          delay(1000);
      }
      */
  }
  udpCount=0;
  Wire.begin();
  DS3231_init(DS3231_INTCN);
  if(!SD.begin()){
      Serial.println("Card Mount Failed");
      return;
  }
  checkSD();
}

void loop()
{
  if(udp.listen(50021)) {
    udp.onPacket([](AsyncUDPPacket packet) {
      myTimer=0;
      IPAddress ipadr = packet.remoteIP();
      snprintf(ipString, BUFF_MAX, "%d.%d.%d.%d", ipadr[0], ipadr[1], ipadr[2], ipadr[3]);
      int snrNum=ipadr[3]-20;   //IPアドレスの末尾からセンサー番号を求める
      DS3231_get(&t);           //時刻を求める
      snprintf(dateString, BUFF_MAX, "%02d%02d%02d", t.year%100, t.mon, t.mday);
      snprintf(timeString, BUFF_MAX, "%02d:%02d:%02d", t.hour, t.min, t.sec);
      
      sprintf(recString, "%d\t%s\t%s\t%s\t%s",udpCount,ipString,dateString,timeString,packet.data());
      sprintf(dataFileName,"/T_files/%s%02d.txt", dateString,snrNum);
      Serial.println(dataFileName);
      if(SD.exists(dataFileName)){
        appendFile(SD, dataFileName, recString);
        Serial.print("Append ");
      }else{
        writeFile(SD, dataFileName, recString);
        Serial.print("Create ");
      }
      Serial.println(recString);
      udpCount++;
    });
  }
  if(WiFi.status() != WL_CONNECTED){
    ESP.restart();
  }
  if(myTimer<1000){
    digitalWrite(led_r, HIGH);
  } else{
    digitalWrite(led_r, LOW);
  }
  delay(10);
  myTimer++;
}

void checkSD(){
  uint8_t cardType = SD.cardType();
  if(cardType == CARD_NONE){
    Serial.println("No SD card attached");
    return;
  }
}


void writeFile(fs::FS &fs, const char * path, const char * message){
    //Serial.printf("Writing file: %s\n", path);

    File file = fs.open(path, FILE_WRITE);
    if(!file){
        Serial.println("Failed to open file for writing");
        digitalWrite(led_g, LOW);
        ESP.restart();
        return;
    }
    if(file.print(message)){
        //Serial.println("File written");
        digitalWrite(led_g, HIGH);
    } else {
        Serial.println("Write failed");
        digitalWrite(led_g, LOW);
        ESP.restart();
    }
    file.close();
}

void appendFile(fs::FS &fs, const char * path, const char * message){
    //Serial.printf("Appending to file: %s\n", path);

    File file = fs.open(path, FILE_APPEND);
    if(!file){
        Serial.println("Failed to open file for appending");
        digitalWrite(led_g, LOW);
        ESP.restart();
        return;
    }
    if(file.print(message)){
        //Serial.println("Message appended");
        digitalWrite(led_g, HIGH);
        
    } else {
        Serial.println("Append failed");
        digitalWrite(led_g, LOW);
        ESP.restart();
    }
    file.close();
}

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//WiFi

#include "WiFi.h"

#include "AsyncUDP.h"

const char * ssid = "MaDAesp32NET";

const char * password = "1655arduino32";

AsyncUDP udp;

//SD

#include "FS.h"

#include "SD.h"

#include "SPI.h"

//RTC

#include <Wire.h>

#include <ds3231.h>

ts t; //ts is a struct findable in ds3231.h

#define BUFF_MAX 128

char buff[BUFF_MAX];

char dateString[BUFF_MAX];

char dataFileName[BUFF_MAX];

char timeString[BUFF_MAX];

char recString[BUFF_MAX];

char ipString[BUFF_MAX];

int led_r =16;

int led_g =17;

int myTimer =0;

int udpCount;

void setup()

{

Serial.begin(9600);

pinMode(led_r, OUTPUT);

pinMode(led_g, OUTPUT);

WiFi.mode(WIFI_STA);

WiFi.begin(ssid, password);

if (WiFi.waitForConnectResult() != WL_CONNECTED) {

Serial.println("WiFi Failed");

delay(10000);

while(1) {

delay(1000);

}

udpCount=0;

Wire.begin();

DS3231_init(DS3231_INTCN);

if(!SD.begin()){

Serial.println("Card Mount Failed");

return;

}

checkSD();

}

void loop()

{

if(udp.listen(50021)) {

udp.onPacket([](AsyncUDPPacket packet) {

myTimer=0;

IPAddress ipadr = packet.remoteIP();

snprintf(ipString, BUFF_MAX, "%d.%d.%d.%d", ipadr[0], ipadr[1], ipadr[2], ipadr[3]);

int snrNum=ipadr[3]-20; //IPアドレスの末尾からセンサー番号を求める

DS3231_get(&t); //時刻を求める

snprintf(dateString, BUFF_MAX, "%02d%02d%02d", t.year%100, t.mon, t.mday);

snprintf(timeString, BUFF_MAX, "%02d:%02d:%02d", t.hour, t.min, t.sec);

sprintf(recString, "%d\t%s\t%s\t%s\t%s",udpCount,ipString,dateString,timeString,packet.data());

sprintf(dataFileName,"/T_files/%s%02d.txt", dateString,snrNum);

Serial.println(dataFileName);

if(SD.exists(dataFileName)){

appendFile(SD, dataFileName, recString);

Serial.print("Append ");

}else{

writeFile(SD, dataFileName, recString);

Serial.print("Create ");

}

Serial.println(recString);

udpCount++;

});

}

if(WiFi.status() != WL_CONNECTED){

ESP.restart();

}

if(myTimer<1000){

digitalWrite(led_r, HIGH);

} else{

digitalWrite(led_r, LOW);

}

delay(10);

myTimer++;

}

void checkSD(){

uint8_t cardType = SD.cardType();

if(cardType == CARD_NONE){

Serial.println("No SD card attached");

return;

}

void writeFile(fs::FS &fs, const char * path, const char * message){

//Serial.printf("Writing file: %s\n", path);

File file = fs.open(path, FILE_WRITE);

if(!file){

Serial.println("Failed to open file for writing");

digitalWrite(led_g, LOW);

ESP.restart();

return;

}

if(file.print(message)){

//Serial.println("File written");

digitalWrite(led_g, HIGH);

} else {

Serial.println("Write failed");

digitalWrite(led_g, LOW);

ESP.restart();

}

file.close();

}

void appendFile(fs::FS &fs, const char * path, const char * message){

//Serial.printf("Appending to file: %s\n", path);

File file = fs.open(path, FILE_APPEND);

if(!file){

Serial.println("Failed to open file for appending");

digitalWrite(led_g, LOW);

ESP.restart();

return;

}

if(file.print(message)){

//Serial.println("Message appended");

digitalWrite(led_g, HIGH);

} else {

Serial.println("Append failed");

digitalWrite(led_g, LOW);

ESP.restart();

}

file.close();

}

“Square & cube puzzle” :Recommendation for crafting with local wood

この記事はMFTokyo2019 (Maker Faire Tokyo 2019 )エントリーシートの予稿です。

「メイカーフェア東京2019での計測・解析ラボのプロフィール」
計測・解析ラボは盛岡市を拠点に個人事業としてLabVIEWプログラムの受託開発とArduinoなどオープンなハード・ソフトの講習会を行っています。プログラムとレーザーカッターを使った木工パズルデザインは3年目となり、地域の木材活用と木工クラフト作家との連携を模索しています。MFTokyo2019ではパズル作品を通しての交流やメイカー向けLabVIEW Home版の情報共有を行いたいと思います。

「メイカーフェア東京2019での出展内容の紹介」
正方形から立方体を組むことのできる幾何学的な美しさが特徴のスクエア&キューブパズルです。立方体4個を平面に並べた5種類のピースを16個使ったパズルで、PCやスマホで疲れた目を休めて指先を使い立体図形に親しむことができます。レーザーカッターで作ったプロトタイプを見本に岩手県内の木工家に地域材を使ったクラフト製作を勧めています。もちろん3Dプリンターでの自作も可能です。

デモビデオ@ユーチューブ

パズルのデモビデオ(ユーチューブ)

「スクエア&キューブパズル」の製作の経緯
MFTokyo 2018では「チーム岩手」から「プログラミングとレーザーカッターの素敵な関係」というタイトルで参加しました。２次元の図案をレーザーカッターで加工すると厚みのある2.5次元のパズルに成ります。次回のMFTokyo 2019ではレーザーカッターで3次元のパズルを作成したいと考えていました。

ちょうどFusion 360を使い始めて立体的な箱物を作る時のはめ込み設計に便利なことに気がついて操作の練習をしていたのですが、レーザーカッターで作ったピースを組み立てて立方体にするアイデアが浮かびました。正方形から切り出したピースが立方体になるパズルは幾何的に美しい構成です。単位立方体の個数で表現すれば次のような関係に成ります。

(正方形) (立方体) (単位立方体の個数)

8 x 8 = 4 x 4 x 4 =64

27 x 27 = 9 x 9 x 9 = 729

128 x 128= 16 x 16 x 16 = 4096

とりあえず、一番小さな組み合わせの4 x 4 x 4の立方体で考えることにしました。テトロミノというテトリスで有名な形状は正方形4個の組み合わせで5種類できるので、Fusion 360で4 x 4 x 4の立方体のモデルを作って4個づつ”結合”して全てテトロミノにすることができるか実験してみました。何度か試行錯誤して16個のテトロミノに分割できました。次はその16個で正方形ができるかやってみました。正方形になりました。

平面パズルに使っている厚さ6mmのアカマツ板では2.4cmのキューブにしかならないので、厚さ10mmを注文して作成しました。できることはできるのですが、まだ小さいので、レーザーカッターの限界と言われる15mmの板を注文して作りました。正方形のサイズは12cm、立方体のサイズは6cmになります。正方形の外枠を14cm角にすると持ち運びを考えるて手頃な大きさだろうと思います。外箱は一関の金森紙器さんに作ってもらいました。

テトロミノについて知っておこう
正方形を2個つなぎ合わせた形状をドミノと言います。3個つなぎ合わせたのがトロミノ、4個つなぎ合わせたのがテトロミノです。5個つなぎ合わせるとペントミノですが、このようにN個つなぎ合わせた図形の総称をポリオミノと言います。テトロミノは5種類ありますが、図形の特徴からI、L、T、Z、Oと呼ばれています。 I、L、Tは見た目通りですが、正方形をO、残った1個がZです。
スクエア&キューブパズルには4個の単位立方体で作ったテトロミノが16個入っています。5種類のテトロミノから16 個選ぶ方法はたくさんありますが、I型が3個、L型が4個、T型が2 個、Z型が3個、O型が4個の組み合わせにしました。

地産材でのクラフト製作の勧め
岩手に旅行で来た時に地元のクラフトマンが作ったスクエア&キューブパズルを目にする日が来るかもしれません。地域の木材を使ったパズルは、木の種類によって色や木目、重さや手触りが違うことを発見して自然を身近なものとして考え、豊かな森林への関心を高めることができるでしょう。西和賀町に広がる国内有数のブナ林、北限のツバキが咲く大船渡、遠野地方の広葉樹、久慈の南部赤松、平庭高原の白樺など広い岩手県には地域を代表する木が多くあります。天然木の手触りの良さとともに地域性が感じられるスクエア&キューブパズルが各地で購入できたら嬉しいことです。もちろん秋田の杉、青森のヒバなどを使って各地のクラフトマンが作ってくれたらもっと面白いだろうなと思います。

スクエア&キューブパズルに関連する特許
独自の発想で作ったパズルですが、幾何的にきれいなパズルなので誰か他の人も考えていただろうと思って、スクエア&キューブパズルに関係する特許について調べてみました。古い特許ですが1988年にアメリカで登録された「BLOCK PUZZLE」という特許がありました。テトロミノ16個を正方形に詰めるパズルとテトロキューブ(立方体を立体的に4個つないだ図形)16個を立方体に組むパズルを併記しています。正方形に詰めるパズルの厚みを変えるだけで立方体ができるのですが、念頭にはなかったようです。

サイコロでスクエア&キューブパズルを作ろう
とりあえずパズルが欲しい人はサイコロを瞬間接着剤で接着してパズルピースを作ってみましょう。16mmのサイコロが50個入りで1100円ぐらいで購入できます。

月別: 2019年4月

WiFi LANでのESP32環境センサーノードとESP32データロガー

「スクエア&キューブパズル」地産材でのクラフト製作の勧め