定点観測データロガー -7 : 観測用シールド

フィールド設置型の定点観測ロガーを作成する。 < 定点観測器の仕様 > 計測内容は、計測時刻・気温・湿度・温度・照度とする。 Arduino Pro 328 3.3V 8MHz をスタンドアロンで動作させる。 単三乾電池４個を電源とし、最低一週間は稼働する省電力設計とする。 設定した間隔で持続的にデータを記録できるものとする。 定期的に記録データ媒体と乾電池を交換できる設計とする。 計測データの保存はSDカードを使用する。 < 定点観測データロガーシールド > 定点観測用: Honeypotシールド + Arduino Pro 3.3V 8MHz

前回の回路をシールド化する。 ▶ 材料リスト SDカード・スロット 1個 : 秋月電子 多回転半固定ボリューム３００６Ｐ（１００ｋΩ） 3個 : 秋月電子 ＩＣソケット　８Ｐ 3個 : 秋月電子 酸化金属被膜抵抗 10KΩ 8個 : 千石電商など 炭素皮膜抵 1KΩ 2個 : 秋月電子 炭素皮膜抵 330Ω 1個 : 秋月電子 炭素皮膜抵 300Ω 1個 : 秋月電子 電解コンデンサー１０μＦ 1個 : 秋月電子 セラミックコンデンサー０．１μ 1個 : 秋月電子 赤色ＬＥＤ 1個 : 秋月電子 ハウジングコネクタ 4ピン 1個 : 千石電商 ハウジングコネクタ 3ピン 3個 : 千石電商 ハウジングコネクタ 2ピン 2個 : 千石電商 ピンヘッダー 4ピン 1個 : 千石電商 ピンヘッダー 3ピン 3個 : 千石電商 ピンヘッダー 2ピン 2個 : 千石電商 コネクタ用コンタクトピン 4ピン 5個 : 千石電商 シリアルＩスケアＣ　ＥＥＰＲＯＭ　２４ＬＣ６４ 1個 : 秋月電子 ２回路入ＣＭＯＳオペアンプ　ＬＭＣ６４８２ 2個 : 秋月電子 熱収縮チューブ 1mくらい : マルツパーツ館等 耐熱電子ワイヤー : 千石電商等 Ａｒｄｕｉｎｏ用ユニバーサル基板 1個 : 千石電商 細ピンヘッダ 27ピン以上 : 秋月電子 エポキシ樹脂系接着剤 ハンダ ワイヤ 数m : 千石電商 電池ボックス　単３×４本用（フタ付プラスチック・スイッチ付） 1個 : 秋月電子 ピンソケット（メス） １×２０ （２０Ｐ） : 秋月電子 温度センサ ＬＭ６０ＢＩＺ 3個 : 秋月電子 フォトＩＣダイオードＳ９６４８−１００ 1個 : 秋月電子 Sensirion １チップ温度・湿度センサ [SHT-71] 1個 : ストロベリーリナックス USBケーブル（Aオス-miniBタイプ） 1個 3.3V動作Arduino製品向け小型USB-シリアルアダプタ 1個 : スイッチサイエンス Arduino Pro 328 3.3V 8MHz 1個 : スイッチサイエンス シールドの回路図

シールド裏側の配線

シールド裏側は画像の通りかなり複雑な配線になる。 最初に配線した時、耐熱ワイヤを使わなかったためにハンダごての熱でビニールが融けて接触不良になり、 結局すべて剥ぎ取ってもう一度配線し直すことになった。 それでも接触不良が不安だったら、エポキシ系樹脂で配線をガチガチに固定する。 コネクタの接続方法はこちらを参考にさせて頂きました。 GNDへはなるべく一点アースにし、回路どうしが干渉しないようにする。 SDソケットは剥がれやすいのでワイヤで固定してある。 多回転半固定ボリューム抵抗はハンダ付けする前にピンを回転させて21KΩにセットしておく。 それと、Arduinoとシールドをつなぐピンのうち、RESETピンは不要なので取り付けないようにする。 取り付けたままでスケッチをアップロードしようとすると、下記のようなエラーが出てアップできない。 avrdude: stk500_getsync(): not in sync: resp=0x00 avrdude: stk500_disable(): protocol error, expect=0x14, resp=0x00 最終的なスケッチは以下のようになった。 Source code: Honeypot ▼ /*  * sketch name   : Honeypot  * summary       : フィールド設置型 省電力定点計測データロガー  * Sensors       : 温度 & 照度 & 気温 & 湿度 & 露点  * releases      : 2010/12/27  */ #include <Wire.h> #include <DateTime.h> #include <Fat16.h> #include <Fat16util.h> #include <Watchdog.h> #include <Sleep.h> #include <Sensirion.h> //////////////////////////////////////////////////// // default values ////////////////////////////////// //////////////////////////////////////////////////// /* Arduino 基準電圧 */ #define ARDUINO_VCC 3.3 /* 時刻関連 */ // 計測タイムスタンプ初期値(初回セッティング時のみ) unsigned int year = 2010; unsigned int month = 12; unsigned int day = 27; unsigned int hour = 23; unsigned int minute = 55; unsigned int second = 0; #define LOGGING_INTERVAL_SEC          300   // 計測間隔(秒) #define RETOUCH_INTERVAL_SEC          3600  // 計測間隔によるタイムスタンプのずれの修正間隔(秒) ※必ず LOGGING_INTERVAL_SEC < RETOUCH_INTERVAL_SEC #define WATCHDOG_TIMER_SLEEP_INTERVAL 1     // スリープ間隔(1秒固定) #define TIMESTAMP_JST_DEF_SEC         32400 // 日本標準時(JST)への修正秒数(9時間固定) #define SMOOTHING_DELAY_M_SEC         50    // スムージング計測間隔 #define SMOOTHING_DELAY_NUM           5     // スムージング計測回数 unsigned long log_timestamp; // 計測時刻タイムスタンプ unsigned long time1; // 計測開始時刻(ms) unsigned long time2; // 計測終了時刻(ms) unsigned long integrated_time; // 計測間隔の集積 unsigned int cnt_interval; // スリープカウント unsigned int cnt_interval_full; // 計測までのスリープカウント数 unsigned long retouch_cnt_interval_full; // タイムスタンプ修正までのカウント(秒) /* 外部EEPROMアドレス */ #define EEPROM_DEV_ADDRESS 0x50 /* 温度センサ  type / 0:LM35DZ  1:LM60BIZ  2:LM61CIZ */ unsigned int temp_pins[] = {0, 1, 2}; // アナログピン0,1,2 unsigned int temp_sensor_type[] = {1, 1, 1}; // 使用センサタイプ(temp_pins の値に対応) float temp_gain[] = {3.1, 3.1, 3.1}; // Op-amp ゲイン(temp_pins の値に対応) /* 照度センサ  type / 0:S9648-100 */ unsigned int illumi_pins[] = {3}; // アナログピン3 unsigned int illumi_sensor_type[] = {0}; // 使用センサタイプ(illumi_pins の値に対応) #define  ILLMI_MAX_LX (ARDUINO_VCC * 1000)            // S9648-100使用時の最大計測照度(lx) /* 気温・湿度・露点  type / SHT71 */ #define SHT_CLOCK_PIN 7                               // CLOCK(デジタルピン) #define SHT_DATA_PIN  8                               // DATA(デジタルピン) /* センサのカウント回数 */ #define CNT_TEMP_PINS  sizeof(temp_pins) / sizeof(temp_pins[0])      // 温度センサ #define CNT_ILLMI_PINS sizeof(illumi_pins) / sizeof(illumi_pins[0])  // 照度センサ #define CNT_SHT        3                                             // SHTセンサ(センサ数) /* 計測値格納用 */ float temp_data[CNT_TEMP_PINS]; // 温度データ格納 int illmi_data[CNT_ILLMI_PINS]; // 照度データ格納 float sht_data[CNT_SHT]; // SHTデータ格納 /* SDカード関連 */ #define SD_ERROR_OK         0 #define SD_ERROR_CARD_INIT  2 #define SD_ERROR_FAT16_INIT 3 #define SD_ERROR_OPEN       4 #define SD_ERROR_WRITE      5 #define SD_ERROR_CLOSE      6 unsigned int sd_error_no; // SDエラー番号格納 // エラー文字列 char *sd_error[] = {        "no error.",        " ",        "error about sd card init.",        "error about sd fat16 init.",        "error about sd open.",        "error about sd write.",        "error about sd close.",      }; #define SD_LOG_DELIMITER ',' // 記録時のデータ区切り文字 ','(カンマ) #define LOG_FILE_NAME    "log_data.csv" // 記録ファイル名 /* 計測時の確認用点滅LED */ #define LED_PIN 9 /* ライブラリのインスタンス化 */ Sensirion obj_sht = Sensirion(SHT_DATA_PIN, SHT_CLOCK_PIN); WatchdogClass obj_watchdog = WatchdogClass(); SdCard        obj_card; Fat16         obj_file; //////////////////////////////////////////////////// // setup /////////////////////////////////////////// //////////////////////////////////////////////////// void setup() {   // デバッグ時のみ   //Serial.begin(9600);      // 処理確認LED   pinMode(LED_PIN, OUTPUT);      // 外部EEPROM(I2Cデバイス)に接続   Wire.begin(EEPROM_DEV_ADDRESS);      // Watchdogとスリープの設定   obj_watchdog.systemResetEnable(false); // スリープからの自動復帰時にスケッチがリセットされないように設定   obj_watchdog.enable(WatchdogClass::TimeOut1s); // スリープ間隔を1秒間にセット   cnt_interval_full         = LOGGING_INTERVAL_SEC / WATCHDOG_TIMER_SLEEP_INTERVAL;  // 1秒間に設定されたスリープの繰り返し回数      // 変数初期化   time1                     = 0;   time2                     = 0;   integrated_time           = 0;   cnt_interval              = 0;   retouch_cnt_interval_full = 0;      // タイムスタンプ初期化   log_timestamp = i2cEeprom4BRead(EEPROM_DEV_ADDRESS, 0);                            // 外部EEPROMにタイムスタンプが記録されていたら読み込む   if (log_timestamp == 0) { // そうでないならばDatetime設定値(最初のセッティング時のみ)     DateTime.sync(DateTime.makeTime(second, minute, hour, day, month, year)); // DateTime初期化     log_timestamp = DateTime.now() - TIMESTAMP_JST_DEF_SEC; // 日本標準時(JST) = グリニッジ標準時(GMT) - 9時間   } } //////////////////////////////////////////////////// // loop //////////////////////////////////////////// //////////////////////////////////////////////////// void loop() {   // スリープ開始から設定間隔で自動復帰      time1 = micros();      // 計測と記録   if ((cnt_interval >= cnt_interval_full)) {         /* 処理確認用LED ON */     digitalWrite(LED_PIN, HIGH);     delay(100);     digitalWrite(LED_PIN, LOW);         /* 時刻関連処理 */     // タイムスタンプ追加     log_timestamp += LOGGING_INTERVAL_SEC;          // タイムスタンプを外部EEPROMに記録     i2cEeprom4BWrite(EEPROM_DEV_ADDRESS, 0, log_timestamp);          // スリープカウント初期化     cnt_interval = 0;          // タイムスタンプ修正までのカウントを加える     retouch_cnt_interval_full += LOGGING_INTERVAL_SEC;              /* 計測処理 */          // 温度     float integrated_temp = 0;     for (int i = 0; i < CNT_TEMP_PINS; i++) {              // スムージング処理:複数回計測の平均値を算出       for (int j = 0; j < SMOOTHING_DELAY_NUM; j++) {         integrated_temp += tempCalc(ARDUINO_VCC, temp_sensor_type[i], analogRead(i), temp_gain[i]);         delay(SMOOTHING_DELAY_M_SEC);       }       temp_data[i] = integrated_temp / SMOOTHING_DELAY_NUM;       integrated_temp = 0;     }          // 照度     float integrated_illmi = 0;     for (int k = 0; k < CNT_ILLMI_PINS; k++) {       int l = CNT_TEMP_PINS + k;              // スムージング処理:複数回計測の平均値を算出       for (int m = 0; m < SMOOTHING_DELAY_NUM; m++) {         integrated_illmi += (analogRead(l) * ILLMI_MAX_LX) / 1024;         delay(SMOOTHING_DELAY_M_SEC);       }       illmi_data[k] = integrated_illmi / SMOOTHING_DELAY_NUM;       integrated_illmi = 0;     }          // 気温 & 湿度 & 露点     obj_sht.measure(&sht_data[0], &sht_data[1], &sht_data[2]);              /* SDカードに記録 */     sd_error_no = dataToSdFileWrite (log_timestamp, temp_data, illmi_data, sht_data, CNT_TEMP_PINS, CNT_ILLMI_PINS, CNT_SHT);     // エラー時はエラーNo.分だけ点滅     if (sd_error_no != SD_ERROR_OK) {       for (int n = 1; n <= sd_error_no; n++) {         digitalWrite(LED_PIN, HIGH);         delay(100);         digitalWrite(LED_PIN, LOW);       }       // デバッグ       //Serial.print(" error! : ");       //Serial.println(sd_error[sd_error_no]);     }              /* 処理確認用LED OFF */     digitalWrite(LED_PIN, HIGH);     delay(100);     digitalWrite(LED_PIN, LOW);               // デバッグ /*     Serial.println("==========");     Serial.print("timestamp : ");     Serial.println(log_timestamp);     Serial.print("temp1 : ");     Serial.println(temp_data[0]);     Serial.print("temp2 : ");     Serial.println(temp_data[1]);     Serial.print("temp3 : ");     Serial.println(temp_data[2]);     Serial.print("illmi1 : ");     Serial.println(illmi_data[0]);     Serial.print("sht temp : ");     Serial.println(sht_data[0]);     Serial.print("sht humidity : ");     Serial.println(sht_data[1]);     Serial.print("sht dewpoint: " );     Serial.println(sht_data[2]);     Serial.println("==========");     Serial.println(); */            // カウントアップ   } else {          cnt_interval++;   }         // 計測間隔による時刻カウントのずれの修正   time2            = micros();   integrated_time += (time2 - time1);   if (retouch_cnt_interval_full >= RETOUCH_INTERVAL_SEC) {     cnt_interval             += (int)(integrated_time / 1000000) / WATCHDOG_TIMER_SLEEP_INTERVAL;     retouch_cnt_interval_full = 0;     integrated_time           = 0;   }         // デバッグ /*   Serial.println("==========");   Serial.print("integrated_time : ");   Serial.println(integrated_time);   Serial.print("retouch_cnt_interval_full : ");   Serial.println(retouch_cnt_interval_full, DEC);   Serial.println("==========");   Serial.println(); */         // スリープ開始   WatchdogClass::timerReset();   SleepClass::powerDown(); } //////////////////////////////////////////////////// // function //////////////////////////////////////// //////////////////////////////////////////////////// /*  * func name  : dataToSdFileWrite  * processing : SDカード記録  * param      : log_timestamp  / タイムスタンプ  *              temp_data      / 温度データ格納配列  *              illmi_data     / 照度データ格納配列  *              sht_data       / SHTデータ格納配列  *              cnt_temp_pins  / 温度データ数  *              cnt_illmi_pins / 照度データ数  *              cnt_sht        / SHTデータ数  * return     : エラー番号  */ int dataToSdFileWrite (unsigned long log_timestamp, float *temp_data, int *illmi_data, float *sht_data, int cnt_temp_pins, int cnt_illmi_pins, int cnt_sht) {   if (!obj_card.init()) return SD_ERROR_CARD_INIT;   if (!Fat16::init(&obj_card)) return SD_ERROR_FAT16_INIT;   // O_CREAT : ファイルが存在しなかったら作成する   // O_APPEND : 書き込み前に、ファイル内のデータの最後尾を探す(追記)   // O_WRITE : 書き込みのためにファイルを開く   if (!obj_file.open(LOG_FILE_NAME, O_CREAT | O_APPEND | O_WRITE)) return SD_ERROR_OPEN;   obj_file.writeError = false;      // タイムスタンプ記録   obj_file.print(log_timestamp);   obj_file.print(SD_LOG_DELIMITER);      // 温度記録   for (int i = 0; i < cnt_temp_pins; i++) {     obj_file.print(temp_data[i]);     obj_file.print(SD_LOG_DELIMITER); // 区切り文字     if (obj_file.writeError) return SD_ERROR_WRITE;   }      // 照度記録   for (int j = 0; j < cnt_illmi_pins; j++) {     obj_file.print(illmi_data[j]);     obj_file.print(SD_LOG_DELIMITER); // 区切り文字     if (obj_file.writeError) return SD_ERROR_WRITE;   }      // SHTデータ記録   for (int k = 0; k < cnt_sht; k++) {     obj_file.print(sht_data[k]);     // 最後のデータだったら改行     if (k == (cnt_sht - 1)) {       obj_file.println(" ");     // それ以外は区切り文字     } else {       obj_file.print(SD_LOG_DELIMITER);     }     if (obj_file.writeError) return SD_ERROR_WRITE;   }      if (!obj_file.close()) return SD_ERROR_CLOSE;      return SD_ERROR_OK; } /*  * func name  : i2cEeprom4BWrite  * processing : 4byte値をI2C外部EEPROMに書き出す  * param      : deviceAddress      / I2C外部EEPROMのデバイスアドレス  *              startMemoryAddress / EEPROM上の書き込み開始アドレス  *              longParam          / 書き込む4byteのデータ  * summary    : デバイスの0番目の番地 / 32〜25bit  *                        1番目の番地 / 24〜17bit  *                        2番目の番地 / 16〜9bit  *                        3番目の番地 / 8〜1bit  * return     :  */ void i2cEeprom4BWrite(int deviceAddress, unsigned long startMemoryAddress, long longParam) {   Wire.beginTransmission(deviceAddress);   Wire.send((int)(startMemoryAddress >> 8));   Wire.send((int)(startMemoryAddress & 0xFF));      byte byteArray[sizeof(long)] = {          (byte)(longParam >> 24),          (byte)(longParam >> 16),          (byte)(longParam >> 8),          (byte)(longParam >> 0)        };      for (int i = 0; i < sizeof(long); i++) {     Wire.send(byteArray[i]);   }      Wire.endTransmission();   delay(5); } /*  * func name  : i2cEeprom4BRead  * processing : 4byte値をI2C外部EEPROMから読み出す  * param      : deviceAddress      / I2C外部EEPROMのデバイスアドレス  *              startMemoryAddress / EEPROM上の読み込み開始アドレス  * return     : return_long        / 読み込んだ4byteデータ  */ long i2cEeprom4BRead(int deviceAddress, unsigned long startMemoryAddress) {   Wire.beginTransmission(deviceAddress);   Wire.send((int)(startMemoryAddress >> 8));   Wire.send((int)(startMemoryAddress & 0xFF));   Wire.endTransmission();   Wire.requestFrom(deviceAddress, sizeof(long));   delay(5);      long received_long;   long return_long = 0;   int cnt = sizeof(long) - 1;      for (int i = 0; i <= cnt; i++) {     if (Wire.available()) {       received_long = Wire.receive();       return_long  |= (received_long << (8 * (cnt - i)));     }   }   return return_long; } /*  * func name  : tempCalc  * processing : 温度センサ処理  * param      : arduinoVcc / Arduino 基準電圧  *              sensor     / 0 : LM35DZ  *                           1 : LM60BIZ  *                           2 : LM61CIZ  *              analogVal  / Analog値(0-1023)  *              gain       / Op-amp ゲイン  * return     : temp       / 計測温度(℃)  */ float tempCalc (float arduinoVcc, int sensor, int analogVal, float gain) {   float dc_offset; // DCオフセット電圧(V)   float factor; // 温度係数(V/1℃)      switch (sensor) {          // LM35DZ     // DCオフセット 0V     // +10mV/℃     case 0:       dc_offset = 0;       factor    = 0.01;       break;            // LM60BIZ     // DCオフセット 424mV     // +6.25mV/℃     case 1:       dc_offset = 0.424;       factor    = 0.00625;       break;            // LM61CIZ     // DCオフセット 600mV     // +10mV/℃     case 2:       dc_offset = 0.6;       factor    = 0.01;       break;            define:       return 0;       break;   }      return (((arduinoVcc * analogVal) / 1024) - (dc_offset * gain)) / (factor * gain); } 5分間隔で計測し、SDカードにデータを記録する。 温度と照度は一度の計測につき5回センシングしてその平均値を採用する。 1時間に一度、タイムスタンプのブレを修正する。 SDカード記録時のエラーはLEDの点滅回数で表す。 Watchdogとスリープ制御処理も記述する。 上記スケッチをアップロードする前に外部EEPROMをクリアしなければならない。 以下のスケッチをアップロードすると、D13のLEDが点灯する。 そうしたらクリア完了。 Source code: eeprom_I2C_clear ▼ /*  * sketch name   : eeprom_I2C_clear  * summary       : 外部EEPROMのクリア  */ #include <Wire.h> #define EEPROM_DEV_ADDRESS 0x50  // I2CEEPROM 24LC64 #define CLEAR_BYTE_LEN     10    // クリアするbyte数 void setup(void) {   Wire.begin(EEPROM_DEV_ADDRESS);      i2cEepromClear(EEPROM_DEV_ADDRESS, 0, CLEAR_BYTE_LEN);        // turn the LED on when we're done   digitalWrite(13, HIGH); } void loop() {} /*  * func name  : i2cEeprom4BWrite  * processing : 4byte値をI2C外部EEPROMに書き出す  * param      : device_address        / I2C外部EEPROMのデバイスアドレス  *              start_memory_address  / EEPROM上の書き込み開始アドレス  *              clear_length          / クリアするbyte数  * return     :  */ void i2cEepromClear(int device_address, unsigned long start_memory_address, long clear_length) {   Wire.beginTransmission(device_address);   Wire.send((int)(start_memory_address >> 8));   Wire.send((int)(start_memory_address & 0xFF));      for (int i = 0; i < clear_length; i++) {     Wire.send(0);   }      Wire.endTransmission(); }

20分後にSDカードを取り出してデータを見てみた。 ","（カンマ）区切りで、左からタイムスタンプ、温度１、温度２、温度３、照度、気温、湿度、露点のデータが記録されている。 次回は、屋外に設置して計測をしてみたいと思います。