Seeeduino XIAOで学べるソフト開発と標準ライブラリの使い方

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 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

Seeeduino XIAO（Arduinoと互換）の開発環境を作る

Seeeduino XIAOはArduino環境で開発できるARMマイコンを搭載したモジュールです。小サイズなので使用できるピン数はArduino UNOよりも少ないですがArduinoのライブラリを使ってソフト開発ができます。

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。

BME280で温湿度と気圧のデータを取得（I2C/SPI）

Seeeduino XIAOのWireを使ってBME280のデータを取得

Seeeduino XIAOはArduinoと互換性があるためWireライブラリが使用できます。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I2C通信でセンサー情報を取得する方法をまとめました。

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。

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。

Seeeduino XIAOのSPIを使ってBME280のデータを取得

Seeeduino XIAOはArduino環境でソフト開発ができ、SPIライブラリが使用できます。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。

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

Seeeduino XIAOとSDカードで人感センサーの動作履歴を保存する

Seeeduino XIAOはSDカードを使用するための標準ライブラリが実装されているため簡単にSDカードにアクセスしてデータの読み書きができます。人感センサーの動作履歴をSDカードに書き込んで動作確認を行いました。

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

Seeeduino XIAOでFreeRTOSを実装する

FreeRTOSライブラリを使用するとマルチタスクの動作ができます。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て動作確認を行いました。

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

Seeeduino XIAOの標準ライブラリでブザーを鳴らす方法

Seeeduino XIAOに標準搭載されているライブラリを使用しパルス波形を生成することでブザーを鳴らすことができます。ブザーを鳴らす原理が分かっていればタイマ割り込みを使用することでブザーの音程を変えながら鳴らすことができます。

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。

割り込みの頻度が多くなりすぎると割り込みの渋滞の問題もありますが、動作確認を手早く行いたい場合には有効な方法だと思います。

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

Seeeduino XIAOでデジタル加速度センサーの情報を取得

Seeeduino XIAOの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のライブラリを流用しながら加速度センサーの情報を取得する方法をまとめました。

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。

RTCを使って時刻情報を読み書きする

Seeeduino XIAOでRTCモジュールの情報を更新する

Arduino環境においてWireライブラリを使用してRTCモジュールに時刻の書き込みと読み込みができます。Seeeduino XIAOを使ってシリアルモニタから時刻設定の電文を送出し現在時刻を確認した方法についてまとめました。

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。

電源OFFにしてから12時間経過した後バックアップ電源は0.18Vしか低下していなかったことからかなり低消費であると感じました。

GPSモジュールで時刻と位置情報を取得

Seeeduino XIAOとGPSモジュールで時刻を表示する

GPSモジュールは現在地の情報や時刻情報などを衛星からの電波を受信してユーザーに通知するモジュールです。Seeeduino XIAOを使ってGPSモジュールから時刻と位置情報を取得してLCDに表示して動作確認したことをまとめています。

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。

Google Mapで取得したデータの座標を入力すると100m程度ずれていましたが位置情報が取得できていることが確認できました。

トワイライト（TWELITE）とシリアル通信

Seeeduino XIAOのSerialライブラリの使い方

Seeeduino XIAOの標準ライブラリであるSerial1を使用すると外部機器とシリアル通信ができます。Serialはシリアルモニタ専用であるためArduino UNOできなかったシリアルモニタと外部機器へのシリアル通信を区別できます。

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。

Seeeduino XIAOではシリアルモニタ専用のSerialと外部機器へのシリアル通信するSerial1があります。Serialを区別して使用できるのはデバッグ効率が上がるため良い点だと感じています。

ES920LR（LoRaモジュール）とシリアル通信

Seeeduino XIAOでES920LRの設定と無線通信

Seeeduino XIAOの標準ライブラリであるSerial1を使用すると外部機器とシリアル通信ができます。Serial1とLoRaモジュールのES920LRをシリアル通信で接続し初期化と電文を構成して無線通信を行う方法をまとめました。

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。

この構成は遠隔操作でセンサー情報を取得するようなIoT機器を作ることができるため応用範囲は広いと思います。

シリアル通信を使って音声を再生する

Seeeduino XIAOのシリアル通信で音声を再生する

音声合成ICであるATP3012（アクエスト）はシリアル通信で送信した文字列を音声データに変換して出力することができます。Seeeduino XIAOのシリアル通信を使って任意の音声を出力させて動作確認したことをまとめています。

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。

アクセント記号を使いこなせていないため棒読みよりも変な音声になってしまうことがありました。変なアクセントを楽しみながら音声を調整していく作業も面白いと感じています。

拡張基板を使用する

Seeeduino XIAOの拡張ボードのOLEDを使用する

Seeeduino XIAO用の拡張ボードはSDカードスロットやOLEDによる液晶画面での表示ができます。またGrove端子対応のセンサーモジュールを挿入して計測等ができます。OLEDにボタンの情報を表示して動作確認を行いました。

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。

OLEDは複雑な表示を行いたいときに使用しLCDは簡易的に文字を表示したいときに使用するなど用途によって使い分けができます。

RGB LEDを操作する

Seeeduino XIAOでRGB LEDを操作する

Arduino環境ではRGB LED用のAdafruit_NeoPixelライブラリを使用するとRGB LEDを様々なパターンで点灯させることができます。ライブラリの追加とRGB LEDを操作する方法を説明しています。

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。

光の三原色で様々な色を作ることができるのでRGB LEDを使ったイルミネーションなどに応用できて楽しそうです。

サーボモーターを操作する

Seeeduino XIAOでサーボモーターを操作する

Seeeduino XIAOは標準ライブラリでサーボモーターを操作することができます。サーボモータはラジコンカーのステアリングやロボットによる弁の開閉部など様々な用途で使用されており0～180度の範囲で動作するものが多くあります。

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。

サーボモータを使ってラジコンカーを作ったりもできますが、モーターの動きを利用して小刻みに振動させることを利用して何かできそうな気がします。

アナログ値を取得して土壌の水分量を確認

Seeeduino XIAOで土壌センサーの情報を取得

Arduino環境ではアナログ入力をAD変換する標準ライブラリが実装されています。Seeeduino XIAOを使って土壌センサーの出力電圧を計測し土壌の水分量の判定した結果をOLEDに表示して動作確認を行いました。

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。

挿し木を行う際の水分量の管理に使用してみようと思いましたが結局目視で水分量を管理しても失敗することが少ないため大雑把な私には動作検証で十分だと感じました。

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

Seeeduino XIAOのWireでDHT20の温湿度を取得

Seeeduino XIAOはArduinoと互換性があるためWireライブラリが使用できます。温湿度センサーであるDHT20モジュールから温湿度の情報を取得しシリアルモニターに表示して動作確認を行います。

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

Seeeduino XIAOでリモコンのデータを受信する

Seeeduino XIAOと赤外線受信機モジュールのGrove-Infrared Receiverを接続するとリモコンと通信ができます。通信フォーマットを解析してデータを取得する方法とIRremoteライブラリを使用する方法をまとめました。

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。

ハードのスイッチを実装せず赤外線受信機モジュールのみでリモコンのボタン分のDIを拡張するのと同等なので応用範囲が広がりそうです。

ジョイスティックの情報を取得する

Seeeduino XIAOでジョイスティックの情報を取得する

GroveモジュールのGrove-Thumb JoystickでスティックをX方向とY方向に円を描くようにスティックを回すと位置に応じたアナログ電圧を取得することができます。Seeeduino XIAO用の拡張ボードを使って動作確認を行いました。

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の開発環境を作る

Seeed Studio XIAO nRF52840はBLEを搭載しているためBlutooth通信ができるのが特徴です。またArduino環境に対応しているためArduinoライブラリを使ってソフト開発ができます。

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。