狠狠撸

Make @ Osaka
Making Things Talk発売記念レクチャー
はじめてのArduino
小林茂（kotobuki [at] yapan.org）
2008 年 11 月 22 日：共立電子産業株式会社?セミナールーム

自己紹介
? 1970年愛知県名古屋市生まれ
? 電子楽器メーカー（1993～2004）
– サウンドデザイナー
– 技術研究所
– ソフトウェアエンジニア
? IAMAS（2004～）
– フィジカルコンピューティング
– インタラクションデザイン

このセッションの内容
? フィジカルコンピューティングとは？
? Arduinoをスタンドアロンで使ってみる
? ArduinoをPCとつないで使ってみる
? ArduinoやGainerに関連した話題

フィジカルコンピューティングとは？
? ニューヨーク大学のITP*1
でTom Igoeらが
中心となって教えているコースの名前
? インタラクションデザインを教えるための
方法の1つ
? コンピュータが理解したり反応できる人間の
フィジカルな表現の幅をいかに増やすか
? デザインやアート教育の1つの分野として定着
*1 Interactive Telecommunications Program

関連：ITP Spring Show 2008
概要：
? ITPで学ぶ学生の展覧会で毎年2回開催
? 5月12日から13日まで開催
? http://itp.nyu.edu/shows/spring2008/

フィジカルコンピューティング関連書籍
Physical Computing
Sensing and Controlling the Physical World with Computers
Dan O’Sullivan and Tom Igoe（Course Technology Ptr?2004年）

Making Things Talk
Arduinoで作る「会話」するモノたち
Tom Igoe 著?小林茂監訳?水原文翻訳（オライリー?2008年）

Making Things Talkの紹介
扱っているテクノロジー
? Arduino
? Processing / PHP
? Ethernet
? Bluetooth
? IEEE 802.15.4 / ZigBee
? RFID
? 基本的なCV

Making Things Talkの紹介
さまざまなプロジェクト
? モンスキーポン
? ネットワークに接続された猫
? ネットワーク大気清浄度計
? 太陽電池のデータをワイヤレス中継
? デジタルコンパスを使って進路を知る
? ウェブカムを用いた2次元バーコード認識
? RFIDを使ったホームオートメーション

Getting Started with Arduino
The open source electronics prototyping platform
Massimo Banzi（O’Reilly Media?2008年）

フィジカルコンピューティングとは？
一般的なPCから見た人間は？
? キー情報（ASCIIキーボードから）
? マウス情報（1つのマウスから）

Alto (1973)
出典：http://toastytech.com/guis/

フィジカルコンピューティングの構成要素
? センサ
（例：光、圧力、音、温度、加速度など）
? アクチュエータ
（例：LED、モータ、ソレノイドなど）
? プロセッサ
（例：マイコン、I/Oモジュール＋PCなど）
→ものすごく簡単にまとめると
?プログラミング＋電子工作

フィジカルな世界とつなぐ方法
マイコンのみ
a
b
c
d
A
B
C
D
マイコン
microcontroller
program
a0]=ain.o;
aout.1 = 255;

マイコン＋PC
a
b
c
d
A
B
C
D
マイコン
microcontroller
PC
USB
program
a0]=ain.o;
aout.1 = 255;
program
a0]=ain.o;
aout.1 = 255;

I/Oモジュール＋PC（GainerやPhidgetsなど）
a
b
c
d
A
B
C
D
I/Oモジュール
I/O module
PC
USB
program
a0]=ain.o;
aout.1 = 255;

Arduinoとは？
? Hernando Barrag?anがIDII*2
にいた時に
開発を始めたWiringがベース
? 電子回路をプロトタイピングするための
オープンソースのプラットフォーム
? IDEとArduino I/Oボードから構成される
*2 Interaction Design Institute Ivrea

Wiring
写真：SparkFun Electronics

Arduino Duemilanove

オープンソース?ハードウェアとは？
? ハードウェアのデザインデータがオープン
– 回路図
– 基板レイアウト
? ライセンスに基づいて自由に改変できる

LilyPad Arduino

Arduino Pro Mini

Arduino ProtoShield

Arduino XBee Shield

関連：Sketching in Hardware 3
概要：
? フィジカルコンピューティングに関する会議
? 2008.7.25～27の3日間開催
? 参加者は約40名
? 全員が発表
? 濃密な情報交換とコミュニティ作り
? 最後に「Sketching in Hardware」を実践

電圧～電流～抵抗
電気の流れは水の流れのようなもの
? 電圧
– 2点間の高度（電位）の違い
– 基準点が必要（GND）
– 単位はボルト（V）

電圧のイメージ図
低高

? 電流
– 電圧の高いところから低いところに流れる
– 単位はアンペア（础）

電流のイメージ図
少多

? 抵抗
– 電流の流れにくさ
– 単位はオーム（?）

抵抗のイメージ図
低高

よく出てくる補助単位の例
? 1,000倍を表すキロ（例：1k?）
? 1,000,000倍を表すメガ（例：1M?）
? 1
1,000 を表すミリ（例：1mA）
? 1
1,000,000 を表すマイクロ（例：50?A）

回路図ってなに？
回路図は電子回路の設計図
? シンボルで表した電子部品の接続を示したもの
? シンボルに若干のバリエーションはあるが、
基本的には全世界共通

電源の回路図シンボル
+5V GND

スイッチの回路図シンボルと部品例

抵抗器の回路図シンボルと部品例

可変抵抗器の回路図シンボルと部品例

尝贰顿の回路図シンボルと部品例

Arduino入門
Make日本語版Volume 04
特集「Sketchーハードウェアでスケッチする」
オライリー?ジャパン編（オライリー?ジャパン?2008年）

Arduinoの各部紹介
デジタル入出力 x14
アナログ入力 x6GND+5V
GND

比較：Gainer vs Arduino
Gainer Arduino Duemilanove
入出力ピン 16 20（RX/TXを含む）
A/D 8（8bit） 6（10bit）
PWM 8（8bit） 6（8bit）
ユーザLED 1 0
ユーザLED 1 1（D13兼用）
オープンソース Yes Yes
スタンドアロン No Yes
重点シンプルさ拡張性

ハードウェアにおける「Hello World!」
? LEDを一定の間隔で点滅させる
Examples/Digital/Blink
? 诲别濒补测()の値を変更して间隔を変えてみる

Arduinoを用いるメリットは？
? シンプルに記述できる
? 非プログラマでも取り組みやすい
? 多くの利用例が公開されている
? 登場する「おまじない」が少ない

比較：ArduinoでのLED点滅
コード例 1 Arduino言語でのLED点滅
int ledPin = 13;
void setup() {
pinMode(ledPin, OUTPUT);
}
void loop() {
digitalWrite(ledPin, HIGH);
delay(1000);
digitalWrite(ledPin, LOW);
delay(1000);
}

比較：通常のC言語でのLED点滅
コード例 2 通常のC言語でのLED点滅の例
#include <avr/io.h>
#include <avr/pgmspace.h>
#include <avr/delay.h>
#define CLK_CALIB_DATA (FLASHEND - 3)
void init() {
uint8_t osccal_data = pgm_read_byte(CLK_CALIB_DATA);
if (osccal_data != 0xff) OSCCAL = osccal_data;
DDRB = 0xff;
DDRD = 0xff;
return;
}

比較：通常のC言語でのLED点滅
コード例 3 通常のC言語でのLED点滅の例（続き）
void delay_ms(uint16_t t) {
while (t--) _delay_ms(1);
}
int main(void) {
init();
for (; ;) {
PORTB = 0xff;
delay_ms(500);
PORTB = 0x00;
delay_ms(500);
}
return 0;
}

Arduinoを用いるデメリットは？
? C/C++ベースなのでサイズが大きくなりがち
? 実行速度の面で不利な場合もある
? デバッガは利用できない

スケッチをアップロードする

スイッチでLEDをコントロールする
＋ ? ＋ ?

ブレッドボードってなに？
? 部品の足を穴にさすことで電子回路を形成
? はんだ付け不要
– 部品を再利用できる
– 回路を組み間違えてもやり直しできる
– 耐久性にはやや注意が必要

ブレッドボードの構造
? 横方向のブロックは背面で接続
? 縦方向のブロックは未接続
? 电源用のエリアは専用に用意されている

参考：ジャンプワイヤの色分け
? 赤：電源の＋側（+5V）
? 黒：電源のー側（GND）
? 白?青?黄：センサとの接続など

もう少しいろいろ試してみよう
? ボリュームの値でLEDの点滅速度を変える
Examples/Analog/AnalogInput
? 光センサの値でLEDを点灯／消灯する

ArduinoとPCをつなぐ方法
? 有線
– シリアル
– USB
– Ethernet
? 無線
– Bluetooth
– IEEE 802.15.4 / ZigBee
どのようにデータをやり取りするかについて
取り決め（＝プロトコル）が必要

プロトコル：Firmata
http://www.arduino.cc/playground/Interfacing/Firmata
? Hans-Christoph Steinerが提案
? MIDIを参考にしたプロトコル
? Arduino 0012から標準に

Firmataに対応したPC側のライブラリ
? Pd (aka Pure Data)
? Processing
? Funnel
? Linux C++
? C++/openFrameworks

Funnelとは？：背景
? Gainerはいわばシンプルなドライバ
→複雑な現実世界を扱うにはもう少し高次の
?レベルが必要なのでは？
? 全ての用途をカバーできるツールキットはない
→ツールキットの使い分けは容易ではない
? 有線接続だと体験に制限がでてしまう
→簡単に利用できる無線接続が必要

Funnelとは？：コンセプト
? 単純で透明
? スケッチ～プロトタイプまで使える
? デザイナーとエンジニアの「共通言语」

Funnelとは？：関連
Sketching User Experiences
Getting the Design Right and the Right Design
Bill Buxton（Morgan Kaufmann Pub?2007年）

Funnelとは？：関連
出典：Bill Buxton, Sketching User Experiences (2008)

Funnelの特徴
? 入出力をより簡単に扱うためのフィルタ
– ローパス、ハイパス
– アナログ入力を設定した閾値で分割
– スケーリング
– オシレータ
? 複数のI/Oモジュールに対応

Funnelの構成
USB XBee
Dongle
Gainer
I/O Module
Arduino
(with Firmata)
USB XBee
Dongle
Funnel Server
ActionScript 3 Processing
Max/MSP
etc.
Ruby
AS3 Library
Processing
Library
OSC LibrariesRuby Library
Funnel I/O
Digi International
XBee
Funnel I/O
Digi International
XBee

FIO: Funnel I/O Module v1.3
? LilyPad v1.6がベース
? 3.3V動作
? Arduino互換機（動作速度は8MHz）
? XBee無線モデム（802.15.4またはZigBee）
? 充電器内蔵
? シールドでさまざまな機能を拡張

贵滨翱：使用例（スタンポロン）

FIO：現状について
? FIO v1.0をベースに実際に使用して検証
? Nathan Seidle*3
と共同で改良
? 12月上旬頃SparkFun Electronicsから発売
*3 SparkFun ElectronicsのCEO

さまざまな無線通信の方式とその特徴
Wi-Fi Bluetooth 802.15.4 / ZigBee
IEEE規格 802.11b 802.15.1 802.15.4
通信距離約100m 約10m 約30m
最大通信速度 11Mbps 1Mbps 250kbps
接続ノード数 32 7 65535
電池寿命数時間数日数年
ネットワーク構成スター型スター型スター型?メッシュ型など
主な用途無線LAN 携帯電話セキュリティ機器
表1 代表的な2.4GHz帯無線通信方式の比較

Point to Point
Point to Multi
Star
802.15.4 Coordinator
802.15.4 End Device
IEEE 802.15.4で可能な構成

IEEE 802.15.4デバイスの種類
? コーディネータ（1個）
? エンド?デバイス（复数）

Mesh
Coordinator
End Device
Router
ZigBeeで可能となるクラスタツリー／メッシュ構成

ZigBeeデバイスの種類
? コーディネータ（1個）
? ルータ（複数）
? エンド?デバイス（复数）

XBeeの特長
? IEEE 802.15.4とZigBeeの2つのモデル*4
– XBee 802.15.4
– XBee ZB ZigBee PRO
? 比較的低価格（国内モデルで約3500円）
? 日本国内でも利用できるよう認証取得済み
? 利用方法を解説した書籍がある
*4 モデル間での相互接続性はない

その他：Arduinoに関連した話題
? Propeller
? RAD
? Instructables

その他：Arduinoの耐久性について
? 過電流などの保護回路は内蔵している
? AVRベースなので比較的丈夫
? 接続ミスなどでブートローダが壊れることは
ある
? FT232RLはベストではないかもしれないが
安定している

Arduinoに関して注目していること
? さまざまな立場からのコミット
– ホビーユーザ
– エンジニア
– デザイナー
– アーティスト
– 教育関係者
? 基礎→応用ではなく応用→基礎
? 日本独自のマイコン文化との接触と発動？
? Arduinoは現代のApple ][か？

質疑応答など
? Arduinoについて
? フィジカルコンピューティングについて
? Making Things Talkについて
? その他

狠狠撸

Make @ Osaka

More Related Content

Make @ Osaka