こんにちは、ENGかぴです。
Seeeduino XIAOはArduino環境でソフト開発ができるため標準搭載のライブラリを使用することで各種センサーの動作確認ができます。ソフト開発に対して苦手意識があり敷居が高く感じていた方でも簡単に動作確認ができるため趣味や業務で簡単なアプリを作りたい場合にお勧めの開発環境です。
私が動作確認しているライブラリなどのプログラムを動作させてみたり改造したりと有効利用していただき少しでも興味を持っていただけたのなら幸いです。
- ソフト開発と標準ライブラリの使い方
- Seeeduinoの開発環境を作る
- BME280で温湿度と気圧のデータを取得（I2C/SPI）
- SDカードに人感センサーの動作履歴を保存する
- FreeRTOSを使用してマルチタスク処理を行う
- パルス波形でブザーを鳴らす
- デジタル加速度センサのデータを取得
- RTCを使って時刻情報を読み書きする
- GPSモジュールで時刻と位置情報を取得
- トワイライト（TWELITE）とシリアル通信
- ES920LR（LoRaモジュール）とシリアル通信
- シリアル通信を使って音声を再生する
- 拡張基板を使用する
- RGB LEDを操作する
- サーボモーターを操作する
- アナログ値を取得して土壌の水分量を確認
- DHT20モジュールから湿度と温度のデータを取得
- リモコンで遠隔操作する
- ジョイスティックの情報を取得する
- Seeed Studio XIAO nRF52840でBlutooth通信する
- Seeeduino XIAOとスターターキットを紹介
- まとめ：まずは感覚を掴むことが大切です。
- 関連リンク
ソフト開発と標準ライブラリの使い方
Seeduino XIAOはSeeeduinoシリーズにおいて最も最小なモジュールです。ARMマイコンでありATSAMD21G18A-MUを搭載しています。500円玉適度の小サイズですがArduinoと互換性があり使い勝手のよいモジュールです。
Seeeduino Xiaoをはじめよう – Seeedウィキ（日本語版） (seeedstudio.com)
SeeedウィキではSeeeduino XIAOについてハードウェアやソフトウェアの情報やピン配置などの情報が記載されています。Arduinoと互換性があるためArduino IDEを使ったソフト開発や標準ライブラリを使用することができます。
Seeeduinoの開発環境を作る
Arduinoの開発環境であるArduino IDEのダウンロードからインストールまでの手順をまとめていきます。対象OSはWindows10です。Seeeduino XIAOの開発環境をArduino IDEに追加する手順と動作確認を行った方法についてまとめています。
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BME280で温湿度と気圧のデータを取得（I2C/SPI）
Wireライブラリを使ってI2C通信を行いBME280から温度・気圧・湿度のデータを取得しBOSCH社が提供しているAPIを組み込んで計測値を各種データに換算して表示しました。
Arduino環境ではSPI通信を行うために標準ライブラリとしてSPIライブラリがあります。BME280の製作メーカが提供しているAPIを使用して温度・気圧・湿度の計算を行いSPI通信でセンサー情報を取得する方法をまとめました。
BME280の製作メーカであるBOSCH社が提供しているAPIを使用することを推奨しているためAPIの実装方法についても説明しています。
応用編としてWireを使用してLCDにBME280から取得したデータを表示しました。
温度は室温計とほぼ同じ値でしたが気圧や湿度はスマホのデータを比較した場合少しずれている気がしました。実際はスマホのデータ環境と室内では環境が違うため厳密には比較できませんが、センサーからデータが取得できているのが確認できると達成感があります。
SDカードに人感センサーの動作履歴を保存する
SDカードライブラリとSPIライブラリを使ってSDカードに人感センサーの動作履歴を保存して動作確認しました。人感センサーはSB612Aを使用しており使用方法や感度の調整方法などをまとめています。
拡張基板のOLEDを使用してSDカードに保存した人感センサーの動作履歴を表示して動作確認を行いました。
FreeRTOSを使用してマルチタスク処理を行う
FreeRTOSライブラリを使用してBME280から温湿度・気圧の情報を取得しLCDに表示するタスクと動作中であることを表示するLEDを点灯/消灯させるタスクを登録しました。
タスクの一時停止についての注意事項やタスク登録を増やし過ぎた時のデメリットであるスタックオーバーについて説明しています。
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パルス波形でブザーを鳴らす
標準ライブラリのanalogWrite()によってPWM波形を生成しブザーを鳴らしました。analogWrite()ではPWMのデューティ比が変更できるためデューティ比を変更してブザーに供給する電圧を変化させることで若干音程が変わります。
Seeeduino XIAOを使って標準ライブラリであるtone()によってブザーを鳴らす方法とタイマを使ってブザーを鳴らす2つの方法で動作確認しました。タイマを使ってブザーを鳴らす方法は、キャリア周波数とデューティ比のどちらの管理が可能となる方法です。
拡張基板のブザーの動作を確認するためボタンを押した回数をOLEDに表示しながらブザーを鳴らして動作確認を行いました。
デジタル加速度センサのデータを取得
Wire(SPI)を使用すると加速度センサー（ADXL345）の加速度やタップ情報などを取得することができます。ADXL345のライブラリのスケッチ例である「ADXL345_demo_code」を一部追加して動作確認を行いました。
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RTCを使って時刻情報を読み書きする
RTCモジュールにRX8900（秋月電子）を使用してRTCモジュールから書き込んだ時刻からの時間を取得しています。RTCへの時刻書き込みはシリアルモニタの送信を使ってできるように自作の電文を作成して書き込みを行っています。
RX8900モジュールを動作させるために自作したAPIを使用して時刻データの読み出しと書き込みを行っています。RTCに書き込んだ時刻が電源OFFによって消失しないように電気二重層コンデンサを使ってバックアップしています。
GPSモジュールで時刻と位置情報を取得
GPSモジュールを使って時刻と位置情報を取得を取得しました。GPSモジュールはGPS受信機キット：AE-GYSFDMAXB（秋月電子）を使用しLCDに表示しました。GPSモジュールから取得したパケット情報から時刻情報と位置情報を取得する方法をまとめています。
トワイライト（TWELITE）とシリアル通信
ZigBee無線モジュールでるトワイライトはシリアル機能を持つため各種センサーと通信する機能があります。トワイライトのSerialParserのAPIを使ってSeeeduino XIAOとバイナリ形式のデータをシリアル通信する方法をまとめました。
トワイライトのSerailParserは受信データに対してヘッダやチェックサムを計算するようにAPIが構成されているので定義に合わせた電文を送信することでトワイライトとシリアル通信ができます。
チャタリング防止やチェックサムの計算の仕方などのテクニックについてもまとめています。
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ES920LR（LoRaモジュール）とシリアル通信
Seeeduino XIAOのSerial1を使ってLoRaモジュールであるES920LRと接続を行い初期化を行う例をまとめました。ES920LRはシリアル通信のデータをフォーマットに従って指定することでLoRa通信することができます。
子機と親機に分けて子機に接続したセンサーの情報を親機に無線通信して動作確認を行いました。
シリアル通信を使って音声を再生する
音声合成ICであるATP3012（アクエスト）を使って音声を再生する方法をまとめました。Arduino環境では簡単にシリアル通信ができるため手軽に音声ガイダンスが作れるのは面白い点だと感じています。
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拡張基板を使用する
Seeeduino XAIO専用の拡張基板に実装されているOLEDにボタン情報を表示して動作確認を行いました。OLEDのライブラリを追加することでLCDと同じように文字を表示することができます。
RGB LEDを操作する
RGB LEDは赤・緑・青の光の三原色を調整することで様々なパターン色でLEDを点灯させることができます。Adafruit NeoPixelライブラリを追加してRGB LEDを操作して動作確認を行いました。
サーボモーターを操作する
サーボモーターを標準ライブラリで操作する方法をまとめました。スターターキットに付属されていたSG90を使って動作確認を行いました。
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アナログ値を取得して土壌の水分量を確認
標準ライブラリのanalogRead()を使って土壌センサーであるSEN0114のアナログ値を取得します。計測したデータと土壌の状態をOLEDに表示して確認しました。
ZigBee無線モジュールであるトワイライト（TWELITE）と組み合わせることで土壌センサーの情報を無線通信することができます。太陽光パネルを使用した電源で昼間から夜間の土壌の様子を履歴に保存して動作確認を行いました。
DHT20モジュールから湿度と温度のデータを取得
Wireライブラリを使って湿度と温度センサーであるDHT20からデータを取得する方法をまとめました。データ取得する手順をモードで管理します。データの健全性の確認のために使用するCRC8についても計算方法を説明しています。
リモコンで遠隔操作する
Arduinoのスターターキットに付属しているリモコンとGrove-Infrared Receiverを使って遠隔操作を行う方法をまとめました。受信機の出力をDIで受けて通信フォーマットを解析する方法とIRremoteライブラリを使用する方法の2通りで動作確認しました。
ジョイスティックの情報を取得する
Grove-Thumb Joystickを使ってジョイスティックからアナログ値を取得します。ジョイスティックを操作して取得したアナログ値をOLEDに表示すると同時にブザーの音程と鳴らす間隔の長さを調整して動作確認を行いました。
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Seeed Studio XIAO nRF52840でBlutooth通信する
Seeed Studio XIAO nRF52840(以下nRF52840とする)はSeeeduino XIAOと姉妹品のモジュールですが大きな特徴としてBlutooth通信機能が搭載されています。nRF52840もArduino環境に準拠しているためArduinoBLEライブラリを使用してBLE通信を実装することができます。
スマホなどのデバイスにBlutoothの存在を通知するアドバタイジングパケットの実装方法をまとめました。アドバタイジングパケットはブロードキャストになるため複数のデバイスに存在を通知しながら任意のデータを送信することができます。
アドバタイジングパケットでデバイスの存在を通知した後、接続すると双方向通信がスタートします。双方向通信で使用するサービスとキャラクタリスティックを生成し、キャラクタリスティックを操作してLED点灯のパターンを変更する方法をまとめました。
スマホなどはBLE接続するデバイスはセントラルデバイスと呼ばれており、接続要求を出すクライアントとなります。セントラルデバイスを実装し、上記で動作確認したLEDの点灯のパターンを変更するソースコードを書き込んだペリフェラルデバイスと双方向通信してLEDの点灯パターンを変更させました。
Seeeduino XIAOとスターターキットを紹介
上記リンクで使用しているSeeeduinoはSeeeduino XIAOです。Seeeduino XIAO本体だけでは動作確認するには部品が足りないのでスタータキットもしくはSeeeduino XIAO専用の拡張ボードをお勧めします。
Seeeduino XIAOは小さいながらも機能が充実しておりデジタルピンの不足しやすい欠点がありますが、使いやすさは満点だと感じています。
Seeeduino XIAOと姉妹品でBLE通信に対応したモジュールです。Seeeduino XIAOと同様に小さいながらも機能が充実しておりBLE通信を使って温度湿度センサーの情報を通知するようなIoTセンサーを実現することができます。
まとめ：まずは感覚を掴むことが大切です。
Arduinoはライブラリを使用することでSPIやI2C通信などが簡単に実現できるためマイコンの動作を勉強するには最適な環境です。ソフト開発に対して苦手意識があり敷居が高く感じていた方でも簡単に動作確認ができるため苦手意識をなくせることがメリットと言えます。
Arduinoはライブラリを使って各種機能を実現するためライブラリにない動作を組み込みたい場合は自作する必要があります。ライブラリは有志が作成したものであるためバグがある可能性もあり動作の保証はないのがデメリットです。
実際にセンサー情報を取得したりシリアルモニタに表示したりと動作確認しながら1つ1つの技術の成功を積み重ねていけばできることが増えていき自信がつくことでソフト開発に対する苦手意識がなくなっていくことは間違いありません。
自信がつきマイコンの機能をフル活用してみようとレジスタの操作についてデータシートを見てみようと興味が湧いてくれば、あっという間に脱初心者となるでしょう。
私は業務に追われながらも独学していたためソフト開発に慣れるまでに10年程度かかってしまいました。ArduinoだけでなくPICマイコンやRXマイコン最近はIoTモジュールのソフト開発などをしていますが、早い段階でプログラミングを教養として身に着けておけば10年もかからなかったと感じています。
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最近では無料体験できるプログラミングスクールも増えてきており、あなたに合った学習プランによって短期集中してプログラミングに親しめる環境があります。無料体験でもプログラミングに対する感覚を掴めておけばソフト開発に対するハードルが下がることは間違いありません。
関連リンク
Arduinoのライブラリを使って動作確認を行ったことを下記リンクにまとめています。
Arduinoで学べるマイコンのソフト開発と標準ライブラリの使い方
ESP32-WROOM-32Eで学べるソフト開発と標準ライブラリの使い方
Arduinoのようにソフト開発したり周辺回路と組み合わせてデータを取得させたりして電子製品を開発するエンジニアは組み込みエンジニアといいます。IoT社会実現と組み込みエンジニアの職種との関係についてまとめています。
ZigBeeモジュールであるトワイライトでソフト開発と無線通信を行い動作確認したことについてリンクをまとめています。
トワイライト（TWELITE）のソフト開発と無線通信でできること
最後まで、読んでいただきありがとうございました。
I2C通信を持つセンサーモジュールが増えてきているためWireライブラリでI2C通信で動作確認ができることはセンサーの性能が検討しやすいのは良い点だと思います。