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## プログラミング教育で注目すべきはARM + Debian + Pythonであるはずだ
**要約**
近年、プログラミング教育の重要性が高まる一方で、環境構築の難しさや高額な機材が課題となっています。そこで注目すべきは、安価で入手しやすい「Raspberry Pi」を教材として活用することです。
Raspberry PiはARMアーキテクチャを採用した小型コンピュータで、DebianベースのOSが動作します。Pythonは初学者にも扱いやすい言語として人気があり、Raspberry Piとの相性も抜群です。
Raspberry PiとPythonを組み合わせることで、電子工作やIoTなど、実用的で興味深い教材を開発できます。さらに、Linuxやオープンソースの文化に触れることで、生徒の技術的な興味関心をさらに広げることが期待できます。
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SPI通信のモードは、クロック極性(CPOL)とクロック位相(CPHA)の組み合わせで決まります。CPOLはクロックのアイドル状態(0か1)を、CPHAはデータ取得がクロックの立ち上がり edge か、立ち下がり edge かを示します。組み合わせは4種類あり、モード0(CPOL=0, CPHA=0)からモード3(CPOL=1, CPHA=1)まで存在します。
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本稿では、SPI通信におけるSSとSCLKの役割を解説しています。SSはスレーブ選択信号で、LOWにすることで特定のスレーブとの通信を有効化します。SCLKはクロック信号であり、この規則的なHIGH/LOW変化を基準に同期してMOSI/MISOでのデータ送受信が行われます。
具体的には、SS1をLOWにし、SCLK信号に合わせてデータ送受信を行う例を図解で示しています。
今回のSPI通信解説により、以前の記事で扱ったESP8266,Raspberry Piを用いたソケット通信やUARTと合わせて、IoTにおけるセンサーデータ取得から遠隔地への送信までの仕組みの理解が深まります。
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シフトレジスタは、複数のフリップフロップを連結してデータを順次移動させるデジタル回路です。各フリップフロップは1ビットの情報を保持し、クロック信号に従って隣に情報を渡していきます。
例えば、直列入力直列出力型では、入力データが"11010000"の場合、各クロックサイクルで1ビットずつシフトされ、最終的に出力"00001101"として得られます。
このように、シフトレジスタはデータを一時的に記憶したり、ビット列を操作したりする際に活用されます。
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この記事では、ビット演算をPythonコードを用いて解説し、シリアル通信の一つであるUARTのデータ構造を擬似的に再現しています。
まず、スタートビット、データビット、パリティビット、ストップビットから成るUARTのビット列を、ビットシフト演算子を用いて生成する過程を示します。
次に、乱数を用いてデータビットの0/1をランダムに設定することで、より現実的なUART通信を模倣しています。
これにより、ビット演算がハードウェアレベルでのデータ通信を理解する上で重要であることを示し、今後のSPI通信学習への足掛かりとします。
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Pythonのビット演算子、特に論理和(OR)について解説しています。
記事では、UARTとSPIの通信方式の比較を題材に、SPI通信のコードで使われているビット演算を理解しようと試みています。
まず、`|=`という演算子がビットごとの論理和を計算し、結果を変数に代入するものであることを説明します。
具体例として、`cmdout |= 0x18`というコードを解説しています。初期値0の変数`cmdout`と16進数`0x18`(2進数では`00011000`)の論理和を計算することで、`cmdout`の値が`00011000`となり、10進数では24になることを示しています。
最後に、論理和を表す回路図の記号も紹介しています。
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この記事では、UARTにおける「非同期」の意味について解説しています。UARTは調歩同期方式を採用しており、これはSPIのような外部クロックを使わずにデータを送受信する方法です。スタートビットとストップビットを利用することで、クロック同期なしにデータのやり取りを実現します。Webアプリで用いられる非同期処理とは異なる概念であることに注意が必要です。SPIのような同期通信方式も理解を深める上で重要ですが、複雑なため、別途学習する必要があると結論付けています。
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この記事では、UART通信におけるボーレートについて解説しています。ボーレートとは、1秒間に送受信するデータビット数を表し、送受信側で一致させる必要があります。
記事では、一般的なボーレートの値として9600、115200などを紹介し、Micro:bitとRaspberry Piを接続する際のコードを例に、送受信側でボーレートを合わせる必要があることを説明しています。
UARTは非同期通信のため、クロック信号を用いずにデータを送受信します。そのため、ボーレートを合わせることでデータの整合性を保っています。
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この記事は、micro:bitのMicroPythonを使ってUART通信の基礎を解説しています。UARTではHIGH(1)とLOW(0)の信号でデータを送受信し、文字列をバイト型に変換して送信します。
記事では、データ送信の仕組みとして、アイドル状態(1)、スタートビット(0)、データビット、パリティビット、ストップビット(1)からなるシリアル通信の構造を図解で説明しています。
特に、パリティビットはデータ送信時の誤り検出符号として、奇パリティと偶パリティがあることを解説し、micro:bitでの設定方法にも触れています。
最後に、ボーレートについても触れる予定としていますが、詳細は次回に持ち越しとなっています。
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この記事は、UARTを用いたシリアル通信について解説しています。
UARTとは何か、Raspberry Piとmicro:bitを接続した図を例に、TXピンとRXピンを用いてどのようにデータがやり取りされるのかを説明しています。
具体的には、文字列"abc"をUART通信で送信する際に、コンピュータ内部では文字コードを用いて処理されていることを解説し、Go言語でのバイト型変換例を示しています。
さらに、microbitのUART設定における"bits=8"というパラメータを取り上げ、1ビットと8ビットの関係、表現できる数値範囲について触れています。
最後に、"0x610x620x63"という16進数表記で送信データ例を示し、次回にuart.initのパラメータ解説を行うことを予告しています。
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この記事は、ESP8266をUARTの受信側としてRaspberry Piと通信する方法を解説しています。
前回の記事ではESP8266から送信したデータにREPLの情報が含まれていましたが、今回は受信側にすることでREPL情報を含まないデータを受信できることを確認しています。
具体的には、ESP8266側で受信したデータを少し変更してRaspberry Piに送り返すPythonコードを記述し、Raspberry Pi側では"send from pi."というメッセージを繰り返し送信するPythonコードを記述しています。
その結果、Raspberry Pi側で"received:send from pi."というメッセージが表示され、REPL情報を含まないデータが受信できていることが確認できました。
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ESP8266のREPLは、シリアル接続を通じてMicroPythonと対話するためのコマンドラインインターフェースです。UART0がデフォルトで使用され、ボーレートは115200bpsです。REPLでは、コードの実行、変数の確認、関数の呼び出しなどが行えます。Ctrl-Aでプロンプトの先頭、Ctrl-Eで末尾に移動できます。Ctrl-Bで一文字戻り、Ctrl-Fで一文字進めます。Ctrl-DでREPLを終了し、プログラムの実行を再開します。REPLはMicroPythonの開発やデバッグに役立つ強力なツールです。
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BBC Micro:bit (microbit) の UART 通信では、microbit から Raspberry Pi へのデータ送信と、その逆の受信が可能。microbit は `uart.any()` 関数を使用して受信データを待ち受け、Raspberry Pi はシリアルポートを介して通信する。データの送受信を確実に行うには、microbit と Raspberry Pi 間の TX/RX ピンの正しい接続と、双方で一致するボーレートの設定が重要。また、microbit では `uart.init(115200)` を使用してシステムを初期化することも推奨される。これらの手順に従うことで、microbit と Raspberry Pi 間の双方向 UART 通信を実現できる。
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## ESP8266を使って、PicoからWebアプリにデータを送信する方法を探る
筆者は、pH測定データをWebアプリに送信するために、WiFiモジュール「ESP8266」を購入しました。
目的は、Raspberry Pi Picoなどのマイコンで取得したデータを、WiFi経由でWebアプリに送信することです。
ESP8266はTCP/IPスタックを搭載したWiFiモジュールで、GPIOピンも備えているため、単体でのデータ処理も期待できます。
今後の記事では、PicoからWiFiを介してWebアプリにデータを送信するために必要な手順を一つずつ解説していく予定です。
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Raspberry Piのシリアルコンソール機能を使うと、ネットワーク環境がなくても有線でRaspberry Piを操作できます。
今回は、Raspberry Pi 4BとUbuntu 20.04、USB-TTLシリアルコンソールケーブルを使って接続を試みました。
Raspberry Pi側でシリアルポートとコンソールを有効化し、ケーブルで接続します。Ubuntu側ではscreenコマンドを使ってシリアルコンソールに接続します。
接続が確立すると、Ubuntuの端末にRaspberry Piのログイン画面が表示され、操作が可能になります。接続を終了するには、ctrl + a、kと入力します。
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この記事では、Raspberry PiとI2C接続のLCDディスプレイを使って文字列を表示する方法を解説しています。
まず、Raspberry Piの設定でI2Cを有効化し、LCDのI2CモジュールをGPIOピンに接続します。接続が正しければ、「i2cdetect -y 1」コマンドでI2Cアドレスが表示されます。
次に、OSOYOOのライブラリ「i2clcda.py」を使ってPythonコードを作成し、LCDに文字列を表示します。コードでは、ライブラリをインポート後、「lcd_init()」でLCDを初期化し、「lcd_string()」関数で文字列と表示位置を指定して出力します。
表示されない場合は、I2Cモジュールのポテンショメータを調整してコントラストを調整する必要があります。
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この記事では、Raspberry PiとBBC Micro:bit間でUSB経由のシリアル通信を行う方法を解説しています。
従来のUART通信と異なり、USB接続ではRaspberry Pi側のシリアルポート設定が不要です。Micro:bit側で温度データを送信するコードを作成し、Raspberry Pi側では"/dev/ttyACM0"をデバイス、"115200"をボーレートとしてシリアル通信を設定します。
これにより、Raspberry Pi側でMicro:bitから送信された温度データを受信し、コンソールに表示することができます。USB接続は、GPIOの使用状況に影響されず、より簡便な方法と言えます。
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Micro:bitとサーボモーターを使って環境制御の基礎を学ぶ記事。サーボモーターの角度制御をMicro:bitのプログラムから行う方法を紹介。Muエディタを使用し、角度を指定するシンプルなコードから、連続的な動きや特定角度への移動、アナログ入力による制御まで段階的に解説。具体的な接続方法やコード例、ライブラリの活用法も示し、初心者にも分かりやすくサーボモーター制御の基礎を習得できる内容となっている。最終的には、植物育成ライトの角度調整といった具体的な応用例も示唆し、環境制御への応用を促している。