温室の温度をAmbientに投稿しつつ、時刻でLED照明を制御する（Ras Pi Zero⇔Arduino連動）のH/W

前回の投稿の続き。

やりたいこと
・照明の12V電源を朝7時にON、夜19時にOFFする
・温室内の4点の温度をAmbient.ioに毎分送信する

やり方
＜Arduino Nano＞
・LM61 * 4点のAnalog INを温度[℃]に変換し、1秒ごとにシリアルでPiに送る
・シリアルを監視し、「t or T」が来たらGPIOをON、「f or F」が来たらGPIOをOFFする
＜Raspberry Pi＞
・各点の温度を60秒間貯めて平均値を計算し、Ambientに送信する
・1分に1回時刻を見て、tもしくはfをシリアルで送信する

上記のような機能分担とした。
それぞれのソースコードは前回の投稿の後半を参照。近いうちに解説を書くかも。

H/Wは非常にシンプルで、次のような構成とした。
Fritzingだと綺麗に書けて気持ちよい！

青線部分は、実際にはmicroUSB-B otg + miniUSBケーブルで接続する。

実物の写真はこんな感じ。
時刻に応じて照明を消す機能はD3に割り当ててあるけど、H/Wの実装はまだ。
今はLEDでテスト中。

ブレッドボードの下側部分がLM61への配線。
D3部分は、後ほどLEDの代わりに照明への12VをON/OFFするためリレー回路を追加予定。

温室の温度をAmbientに投稿しつつ、時刻でLED照明を制御する（Ras Pi Zero⇔Arduino連動）

以前に温室の温度制御を追加したが、その温度データをリアルタイムでモニタリングしたくなった。
また、温度だけでなく日照不足も補うため、LED照明を追加した。
24時間点灯は植物の負担になるらしいので朝夕に手動でON/OFFしているが、
このON/OFFを自動化したい。（ときどき付け忘れるので…）

（↑こんな感じ　見た目はめちゃくちゃ怪しいけど、健全な草花なのでご安心を）


温度モニタリングと時間での照明ON/OFFを実現するため、
Raspberry Pi Zero WとArduino Nanoを連携させてシステムを構築した。

仕様は以下2つ。
・照明の12V電源を朝7時にON、夜19時にOFFする
・温室内の4点の温度をAmbient.ioに毎分送信する

先にAmbientの表示結果を載せる。
こんな風に4点がグラフ化できる。何か月分もさかのぼって見ることもできる優れもの。

環境検討

ESP32とかPi Zeroなら単独でもできないこともないが、
安いArduino Nano互換機を大量に持っているので2ボード構成を選択した。
わざわざ2つを繋ぐのは少しダサいけど、いくつかメリットもある。
ArduinoはAnalog INで直接読めるからLM35やLM61のような安い温度計測ICを使えるが、
Piから直接読めるセンサはお値段が高め。
ESP32はADCの誤差が大きい。また、ESP32自体がPi Zero Wより高い。
対して、Pi＋Arduinoなら、Internet部分をPythonで簡単に書けるうえに安く作れる。
その代わり、PiとArduinoのSerial通信を書く必要がある。

簡単に表にまとめるとこんな感じ。

	Arduino + Pi	Piのみ	ESP32
主要部品	Arduino Nano Pi Zero W LM61 *4	Pi Zero W DS18B20 *4	ESP32 LM61 * 4
概算費用	400円 1,320円 60円*4 （1,960円）	1,320円 320円*4 （2,540円）	2,200円 60円*4 （2,240円）
開発言語	C/C++ Python ※ボード間通信有	Python	C/C++

（Nanoが互換品前提なので少しずるい気もする）

ソース

本日はソースの掲示のみ。
中身の説明とハードウェアは後日掲載します。

・Raspberry Pi

#! /usr/bin/python3
import serial as sl
import ambient
from datetime import datetime as dt

am = ambient.Ambient(<AmbientのID>, "<AmbientのKey>")

tim = dt.now()
count = 0
acc = [0.0, 0.0, 0.0, 0.0]

s = sl.Serial("/dev/ttyUSB0", 9600)
while True:
    try:
        txt = s.readline()
        ary = txt.decode().strip().split(" ")
        if len(ary) != 11:
            continue
        else:
            t = [float(x) for x in [ary[1], ary[4], ary[7], ary[10]]]
            count += 1
            for idx in range(4):
                acc[idx] += t[idx]

            if (dt.now() - tim).total_seconds() >= 60:
                t = [x / count for x in acc]
                count = 0
                acc = [0.0, 0.0, 0.0, 0.0]
                tim = dt.now()
                tmp = {'d1':t[0], 'd2':t[1], 'd3':t[2], 'd4':t[3]}
                am.send(tmp) ## Ambientへ送信

                # DC12VのON/OFF
                if 7 <= tim.hour and tim.hour <= 19:
                    s.write(b"t")
                else:
                    s.write(b"f")
    except Exception as e:
        print(e)

s.close()

・Arduino

void sendTemp();
bool serialFlag = false;
unsigned long tim = 0;
const unsigned char PWR = 3; // D3

void setup(){
  Serial.begin(9600);
  delay(20);
  pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT);
  pinMode(PWR, OUTPUT);
  digitalWrite(LED_BUILTIN, HIGH);
  digitalWrite(PWR, HIGH);
}

void loop(){
  if(millis() - tim > 1000){
    sendTemp();
    tim = millis();
  }
}

void serialEvent(){
  while(Serial.available()){
    char c = Serial.read();
    switch(c){
      case 'T': case 't': // AC12V ON
        digitalWrite(LED_BUILTIN, HIGH);
        digitalWrite(PWR, HIGH);
        break;
      case 'F': case 'f': // AC12V OFF
        digitalWrite(LED_BUILTIN, LOW);
        digitalWrite(PWR, LOW);
        break;
      default:
        break;
    }
  }
}

void sendTemp(){
  float t[4];
  t[0] = analogRead(A7) * 500.0/1024 - 60;
  t[1] = analogRead(A6) * 500.0/1024 - 60;
  t[2] = analogRead(A5) * 500.0/1024 - 60;
  t[3] = analogRead(A4) * 500.0/1024 - 60;
  Serial.write("S0: ");
  Serial.print(t[0]);
  Serial.write(" / S1: ");
  Serial.print(t[1]);
  Serial.write(" / S2: ");
  Serial.print(t[2]);
  Serial.write(" / S3: ");
  Serial.println(t[3]);
}

以上。続きは後編へ。

美咲フォント（misaki font）をPythonで扱う＜実装＞

直前の記事で美咲フォントのpng画像の扱い方を検討したが、
今度はPythonで実装を行う。
美咲フォントの詳細は直前の記事か、作成者様のサイトを参照してください。

2Byte文字1文字を入力して、美咲フォントの画像から必要な部分を切り出す。
画像を扱うのでOpenCVでやってみる。

import cv2
misaki_png_path = "[path]/misaki_mincho.png"
misaki_img = cv2.imread(misaki_png_path, 0)

def imshow(im):
    cv2.imshow("image", im)
    cv2.waitKey(0)
    cv2.destroyAllWindows()

def letter2glyph(chara):
    s = chara.encode("Shift-JIS")
    
    if s[0] < 0xA0:
        y = (s[0] - 0x81) * 2
    else:
        y = (s[0] - 0xE0 + (0x9F - 0x81 + 1)) * 2
    
    if s[1] < 0x7f:
        x = s[1] - 0x40
    elif s[1] < 0x9f:
        x = s[1] - 0x41
    else:
        x = s[1] - 0x9f
        y += 1
    
    return misaki_img[y*8:y*8+8, x*8:x*8+8]

ここで、

imshow(letter2glyph("松"))

と書くと、
「松」の画像部分を切り出して表示できる。

（8x8 pixelだからタイトルバーに比べて松の字は豆粒くらい・・・。）

簡単にコードの動作は以下の通り。
まず文字をShift-JISに変換し、s[0]＝1Byte目 で s[1]＝2Byte目に格納する。
そこからpng画像内の文字の位置を計算する。
(x, y)はpngファイル内の各文字の場所を指す。0始まりで、xが列、yが行。

文字コードからx,yを求める部分は、前回検討した内容が重要になる。

図の分断された4つの領域からpngの連続空間にマップするため、
x,yそれぞれに1つずつ条件分岐が必要になる。
加えて、列数を半分にする条件が1つ入る。

ここが上位1Byte：0x81～0x9F、 0xE0～0xEFの条件。
前半部分は、0始まりにするため0x81を引く。
後半部分は、0xE0を引いたうえで、前半部分の行数を足している。
最後に2倍にしているのは、列が半分になる＝行が2倍になる部分を反映している。
奇数行の部分は後で。

    if s[0] < 0xA0:
        y = (s[0] - 0x81) * 2
    else:
        y = (s[0] - 0xE0 + (0x9F - 0x81 + 1)) * 2

こちらは下位1Byte：0x40～0x7E、 0x80～0xFCの条件。
0x9F未満の部分は条件そのままで、その先は次の行になる部分のため、
0x41ではなく0x9Fを引いて0列目からとし、行数も1加算して奇数行にする。

    if s[1] < 0x7F:
        x = s[1] - 0x40
    elif s[1] < 0x9F:
        x = s[1] - 0x41
    else:
        x = s[1] - 0x9F
        y += 1

文字を抜き出す部分は以上。
これで、8x8のndarrayを抜き出せる。
モノクロビットマップなので、全要素は0 or 255になっている。

おまけ

char[8]への変換と、「■」と「　」での表示。

def mat2char8(mat):
    m = (1 - mat / 255) * 2 ** np.arange(7, -1, -1)
    return np.add.reduce(m, axis=1).astype(np.uint8)

def mat2Dprint(mat):
    print("\n".join(["".join(["■" if y==0 else "　" for y in x]) for x in mat]))

両方とも、実行効率改善や文字数を減らす余地がありそう。
こんな感じで遊べる。

txt = "松―ログ"
matList = [letter2glyph(c) for c in txt]
mats = np.concatenate(matList, axis=1)

mat2Dprint(mats)

charList = np.array([mat2char8(m) for m in matList])
print(charList)

表示結果↓

　■　■　■　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　■　■　　
■■　■　■　　　　　　　　　　■■　　■■■　　　　■■■■　
　■■　　　■　　　　　　　　　　■■■　　■　　　　■　　■　
■■　　■　　　■■■■■■■■　■　　　■　　　■■　　　■　
■■　　■　　　　　　　　　　　　■　　　■　　　　　　　■　　
　■　■　■　　　　　　　　　　　■■■■■■　　　　　■　　　
　■■■■　■　　　　　　　　　　■　　　　　　　　■■　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
[[ 84 212  98 200 200  84 122   0]  # 松
 [  0   0   0 255   0   0   0   0]  # －
 [  0 206 114  68  68 126  64   0]  # ロ
 [ 20  30  18  98   4   8  48   0]] # グ

char[8]の結果は全角ハイフンがわかりやすい。

「グ」も、下4桁が4→8→16+32→0となっていて直感的に計算できる。

次回は、この結果をマトリクスLEDに表示して遊んでみる予定。

新幹線のインジケータを作るってわけです。

美咲フォント（misaki font）をPythonで扱う＜事前検討＞

（実装だけが必要の場合、こちらのページへGo！）

8x8ドットの日本語ビットマップフォント、美咲フォントをPythonで取り扱ってみる。
JIS第一、第二水準をサポートで、ゴシック/明朝のTTF形式とPNG形式がある。
8x8なら、char[8]で格納でき、ダイナミック制御でセレクタを3bitにすることもでき、
データや信号線の取り回しも非常にやりやすい。
こんな素晴らしいものがフリーで公開されているとは！
（公開元のウェブサイト）

TTF形式も公開されているのでfonttoolsを使えば汎用的に扱えるが、
今回使うのは8x8だけなのでコンパクトなPNG形式を対象にした。 　
　misaki_mincho.png　・・・　54kB
　misaki_mincho.ttf　・・・　1,092kB
 　約20倍の差がある

このため、png画像から必要な部分を抜き出すことにする。
美咲フォントのpng画像はこんな感じの並び。

　（↑PNG版の美咲フォント明朝から一部抜粋）

この並びはShift-JISの2Byte文字部分のよう。
（参考：文字コード表 シフトJIS(Shift_JIS)より）

■Shift-JIS

Shift-JISを構成する範囲は以下の通り。
　 上位1Byte：0x81～0x9F、 0xE0～0xEF
　 下位1Byte：0x40～0x7E、 0x80～0xFC

字面だけではイメージしづらいので、0xFF×0xFFのドットマトリクスで示す。

何故隙間だらけかというと、ASCIIや他のコードと識別しやすくするためらしい。
特に上位1ByteがASCIIの0x20(半角スペース)や0x41(A), 0x61(a)と同じだと、
日本語なのかASCIIなのか1Byte目だけでは判別できなくなってしまうからだ。

これに対し、PNG画像の並びでいくつか注意が必要な部分がある。

➀開始点のオフセット

（※画像はhttp://charset.7jp.net/様より一部借用）

実際の文字コードは0x8140からスタートする。
それに対し、png画像は最初の8x8が対応するので、このオフセットを考慮しないといけない。

②1Byte目0xA0～0xDFと、2Byte目0x7Fの空白部分

図の通り、Shift-JISの中にはドデカい空白部分がある。
対して、美咲フォントのpng画像は空白部分を詰めている。

③png画像は行数2倍、列数1/2

2つの行頭を見比べると、pngのほうは「ぁァАА・・・亜院押」なのに対し、
Shift-JISの表は「ァА・・・院魁」となっている。
これは、pngのほうが区/点を基準とした表示なのに対し、
Shift-JISの表は16進数基準の表示になっているためである。
つまり、図で示すとおり元々の1行がpng画像では2行分になっている。

これら①②③を考慮すれば、あとは文字コード変換と簡単な画像処理でうまく扱えるはず。
続きは次回。

Project Euler（21 - 27） ※27で断念

21

In [179]: def divisors(n):
     ...:     ret = []
     ...:     for i in range(1, int(n**0.5+2), 1):
     ...:         if n%i == 0:
     ...:             if int(n/i) == i:
     ...:                 ret += [i]
     ...:             else:
     ...:                 ret += [i, int(n/i)]
     ...:     return list(set(ret))

まずは約数のユニークなリストを出す

In [180]: lst = []
     ...: for i in range(2, 10000, 1):
     ...:     ami = sum(divisors(i)) - i
     ...:     if i != ami and i == sum(divisors(ami)) - ami:
     ...:         lst += [i, ami]
     ...: int(sum(lst)/2)

Out[180]: 31626

友愛数のリストを作って合計する
重複するので2で割っておく

22

In [192]: score = 0
     ...: with open("p022_names.txt") as f:
     ...:     lst = sorted(f.readlines()[0].strip().replace('"', '').split(","))
     ...:     i = 1
     ...:     for name in lst:
     ...:         score += i * sum([ord(x)-64 for x in name])
     ...:         i+=1
     ...: score
Out[192]: 871198282

Pythonのsortedはアルファベット順に並び替えてくれるのでそのまま使える
あとは文字をforで切り出してordでASCIIコードに変えると簡潔に記述できる

23

In [197]: def isAbundant(n):
     ...:     if n < sum(divisors(n)) - n:
     ...:         return True
     ...:     else:
     ...:         return False

上記の関数でabundant number＝過剰数というのを判定させる

28123 - 12以下のすべてのnに対して、過剰数リストを作る

In [236]: abundantList = []
     ...: for i in range(12, 28124, 1):
     ...:     if isAbundant(i):
     ...:         abundantList.append(i)

ついで、1から28123までで、過剰数の和で表せるものをユニークなリストにする
ここで、i = j となる12+12=24のような数も含まれるのでrangeの条件式に注意（見事にハマりました）

In [282]: lst = []
     ...: for i in range(len(abundantList)):
     ...:     for j in range(i, len(abundantList), 1):
     ...:         n = abundantList[i]+abundantList[j]
     ...:         if n < 28123:
     ...:             lst.append(n)
     ...: lst = sorted(list(set(lst)))

最後に、総数から過剰数の和で表せる数の合計を引けばOK

In [283]: sum([x for x in range(28123)]) - sum(list(set(lst)))
Out[283]: 4179871

24
先に問題を整理する
1th 0123456789　←下1桁の入れ替えは1!=1パターン（実質入れ替えなし）
2nd 0123456798　←下2桁の入れ替えは1th, 2ndの2!=2パターン
3rd 0123456879　
4th 0123456897
5th 0123456978
6th 0123456987　←下3桁の入れ替えは1st-6thの3!=6パターン
つまり、n! < 1000 < (n+1)!のところを探せばかなり範囲が絞れる

このとき、n!thの数字は、下n桁が逆転した数値になる
2ndなら8,9が逆転で、3!＝6thなら7,8,9が987になっている

In [291]: [factorial(x) for x in range(2,13,1)]
Out[291]: [2, 6, 24, 120, 720, 5040, 40320, 362880, 3628800, 39916800, 479001600]

これより、9! - 10!の間を探せばよい
362,880thは9桁逆転なので、0987654321となる
362,881thは1023456789で、そこから8!=40,320進むとここから下8桁が逆転になる
つまり403,300thは1098765432
362,880thから9!進んだときも、同様に362,880thのうち下9桁が逆転するので、
9!*2thは1987654320となるはず

上記より、1Mthが階乗の和で表して、各桁の状態を推定する

In [313]: factorial(9)*2+factorial(8)*6+factorial(7)*6+factorial(6)*2+factorial(5)*5+factorial(4)+factorial(3)*2+factorial(2)*2
Out[313]: 1000000

つまり、9!x2+8!x6+7!x6+6!x2+5!x5+4!+3!x2+2!+1!=999,999

まず、9!x2thは1987654320, 9!x2+1th = 2013456789
ここから8!x6なので2798654310, 9!x2+8!x6+1th = 2
こうしてみると、各i!の係数aがi+1桁目の数に対応しているとわかる
n番目の数を求めるとき、n!=sigma i! x A(i)と表すと、i=10桁から順番に、i桁目には残った0-9の数字の中でA(i-1)+1番目に小さい数を当てはめていく

In [338]: n=""
     ...: nums = [0,1,2,3,4,5,6,7,8,9]
     ...: for i in [2,6,6,2,5,1,2,1,1,0]:
     ...:     n+=str(nums[i])
     ...:     nums.remove(nums[i])
     ...: int(n)
Out[338]: 2783915460

25

In [341]: a, b = 1, 1
     ...: i = 2
     ...: while len(str(b)) < 1000:
     ...:     a, b = b, a+b
     ...:     i+=1
     ...: i
Out[341]: 4782

関数を作らなくても、Whileで回すだけで十分

26

In [398]: def countDivLoop(n):
     ...:     ans = "0.0"
     ...:     lst = [10]
     ...:     divided = 100
     ...:     while True:
     ...:         a = int(divided / n)
     ...:         ans += str(a)
     ...:         divided = divided % n
     ...:         if divided == 0 or lst.count(divided) > 0:
     ...:             break
     ...:         lst.append(divided)
     ...:         divided *= 10
     ...:     return ans, lst

普通の割り算ではだめなので、割り算のループが発生するまでのリスト長さを図る関数を作成

In [403]: countDivLoop(12)
Out[403]: ('0.083', [10, 4])

In [404]: 1/12
Out[404]: 0.08333333333333333

In [405]: countDivLoop(13)
Out[405]: ('0.0769230', [10, 9, 12, 3, 4, 1])

In [406]: 1/13
Out[406]: 0.07692307692307693

In [407]: countDivLoop(14)
Out[407]: ('0.0714285', [10, 2, 6, 4, 12, 8])

In [408]: 1/14
Out[408]: 0.07142857142857142

うまく動いたので、あとは11 - 1000で最長を求める

In [412]: maxNum = 0
     ...: maxLst = []
     ...: for i in range(11, 1000, 1):
     ...:     n, lst = countDivLoop(i)
     ...:     if len(lst) > len(maxLst):
     ...:         maxNum, maxLst = i, lst
     ...: maxNum, len(maxLst)
Out[412]: (983 982)

27

In [416]: 999**2+999*999+1000
Out[416]: 1997002

この2次関数の最大値は1997002なので、それ以下の素数の列を作っておく
毎回素数判定で割り算するのはもったいないので

In [420]: def PrimeNumList(n):
     ...:     primeNumList = [2]
     ...:     i = 3
     ...:     while primeNumList[-1] < n:
     ...:         for d in primeNumList:
     ...:             if i%d == 0:
     ...:                 i+=2
     ...:                 break
     ...:             if i**0.5<d:
     ...:                 primeNumList.append(i)
     ...:                 i+=2
     ...:                 break
     ...:     return primeNumList

これに最大値を入れてリスト化しておく
これで愚直に解こうとしたけど、計算が遅すぎて断念
また練り直します