【授業☆しょ~かい 】『IoT不法侵入者警戒システム』をつくろう!~インターネット接続版のIoT化!~ 電子技術科(都留キャンパス)No.163

2020年02月04日

こんにちは。あんどくんです。
電子技術科をPRしているよ!
みんな、令和2年もリアルに応援よろしくね (*´ω`)/
今日、令和2年1月30日(木)は、3,4限に2年生の『通信工学実習』におじゃましたんだ。この授業では『IoT不法侵入者警戒システム』をつくるために、これに必要な技術を基礎から学んでいるんだよ。

 

今回の前半では、前回のつづきで【演習Ⅱ】として『光センサ回路』を設計して、部屋の明るさを『ラズパイ』のモニタに表示する『シリアル通信システム』を作成するんだ。

 

また後半では、いよいよ『不法侵入者警戒システム』のインターネット接続版を作成して『スマホ』からモニタリングできるように『IoT化』していくよ。

 

実験室2に移動して、まずは『光センサ回路』をオペアンプを使って設計していくよ。

 

と、その前に『光センサ』の種類について学んだんだ。

  • フォトトランジスタ
    赤外線通信(リモコン)、DVDの読み込み部分、マウスなど
  • フォトダイオード
    照度検知など
  • CCD
    デジタルカメラなど

このうち『フォトトランジスタ』は光が「ある・なし」の2値検出に使われるんだ。これに対して 『フォトダイオード』は光の強さ (照度) の連続値検出に使われるんだ。

 

なので、今回は『フォトダイオード』を使用するんだ。
下の写真が『光センサ』として使用する『フォトダイオード』(浜松ホトニクス社製, S1133) だよ。

 

フォトダイオード』は両端を短絡すると、光の強さに比例した電流が、逆向きに流れるんだよ。この電流を『短絡電流』っていうんだ。
なので『短絡電流』を電圧に変換すれば、光の強さに比例する電圧信号が得られるんだよ。

 

それには、下の写真の回路が使われるんだよ。
抵抗 R を介して、 オペアンプには『負帰還』が掛かっているよね。なので『バーチャルショート』により『フォトダイオード』の電位差が 0V になって、逆向きの『短絡電流Isc が流れるんだよ。
この『短絡電流Isc が抵抗 R を流れるんで、抵抗 R の電位差を出力電圧:

         Vout = R Isc     (1)

として取り出せるんだ。

 

次に、ちょうど今位の明るさのときに、出力電圧が 1V になるように、抵抗 R の値を決めることになったんだ。
南湖 准教授が『照度計』で部屋の明るさを測定したら1000ルクスだったんだ。

 

このときの『短絡電流』をデータシートから見積もると 0.01mA 位なんだ。これらから、

         0.01m R = 1     (2)

より R の値が 100 kΩ に決まったよ。

 

さっそくブレッドボード上に『光センサ回路』を組み立てて、動作を確認したんだ。

 

ここからは製図室に移動して、完成した『光センサ回路』を、前々回組み立てた『シリアル通信システム』に接続して、部屋の明るさを『ラズパイ』のモニタに表示するんだ。

 

それには『シリアル通信システム』の『AD変換プログラム』で、AD変換値から光の明るさを計算すればいいんだ。
AD変換値が 1024 のとき 3.3V で、1V のとき1000ルクスなんだよ。なので、AD変換値を value、光の明るさを lux とおくと、つぎの比例式:

         1024 : 3300 = val : lux     (3)

が成り立つんで、光の明るさは、

        lux = val * 3300 / 1024     (4)

となるんだよ。
ちなみに、下の写真が『AD変換プログラム』だよ。

 

プログラムを実行すると、こんな風に、部屋の明るさが 0.5 秒間隔で表示されるんだ。

 

さて、前半の内容は終了して、ここからは『不法侵入者警戒システム』のインターネット接続版を作成して『IoT化』していくんだよ。

 

前に『不法侵入者警戒システム』の インターネット接続なし版で使った『リードスイッチ』を使って、インターネット接続版をつくっていくんだ。
リードスイッチ』は、磁石を近づけるとONになって、遠ざかるとOFFになるんだよ。
なので『リードスイッチ』と磁石を引戸に仕掛けておくと、外部からの侵入者が、引戸を開けたことを検知できるんだよ。

 

こんな風に『リードスイッチ』でスイッチ回路を構成すると『リードスイッチ』の状態を電圧信号に変換できるんだよ。引戸が閉まっているときが 0V (論理 0) で、開いているときは 3.3V (論理 1)だね。出力電圧が、デジタル信号なので『ラズパイ』のGPIOポートに直接入力できんるだ。

 

下の写真は『リードスイッチ』を『ラズパイ』のGPIOポートに接続したところたよ。

 

次に『ラズパイ』のプログラムコードについて、南湖 准教授から説明があったんだ。

 

これが、入力したプログラムコードだよ。今回のプログラムを実行すると、引戸の状態がグラフィカルに表示されるんだ。

 

引戸が閉まってるときは、円の色が『青色』で・・・

 

不法侵入者が引戸を開けると、円の色が『赤色』に変わるんだよ。

 

最後に『スマホ』の設定をして、『WiFi』でインターネットに接続すると、こんな風に『スマホ』の画面に『ラズパイ』のモニタと同じ画面が表示されたんだよ。なので、『スマホ』で『モニタリング』できるし『遠隔操作』だってできるようになるんだよ。

 

今日は、このへんで・・・
電車』で帰るよ。

 

みんな、今日も1日おつかれさま☆彡
次回も『不法侵入者警戒システム』(インターネット接続版)の『IoT化』を進めていくよ。
今日も『産短大の毎日』をみてくれてありがとう!
また、明日からがんばろっ٩( ‘ω’ )و

それじゃ ≡3 ≡3 ≡3

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