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パート2 「わくどきワークショップ」
阿部和広 青山学院大学・津田塾大学 非常勤講師
Raspberry Pi+Arduino+Scratchで フィジカルコンピューティング体験！
今日やること
• 背景
• Raspberry Piに触ってみる
• 用語について
• Arduinoに触ってみる
• LEDを点滅させる(LEDチカチカ=Lチカ)
• Scratchでネコを歩かせる
• ScratchでLチカ
• スイッチを作ってみる
• ゲームのコントローラーを作って遊ぶ
• ボリュームを作ってみる
• 全部はできないかも
Raspberry Piに触ってみる
Raspberry Piについて
• イギリスのケンブリッジ大学のエベン・アプトンさんたちが開発 – 4年間で500万台が出荷されています
• とても小さい(カードサイズ)
• とても安い(2,620円～4,800円)
• スマートフォンやタブレットと同じしくみ
• 10年前のパソコンと同じくらいの性能 – ARMv6 もしくは v7, 1～4 コア，700～900MHz
– RAM 256MB～1GB
• いろいろなものをつなげられる(GPIO)
Raspberry Piの各部の名前
Raspberry Pi Model B
Raspberry Piの特徴
• 地デジのテレビやアナログテレビにつながる – 映像出力はHDMIとコンポジット
• キーボードやマウスはパソコン用のもの – USB接続でそれぞれ1000円以下
• SDカードに記憶する – ハードディスクの代わり。8GBで1000円以下
• 電源はスマートフォンやタブレット用 – USB充電器も1000円以下
• ネットにもつながる – 有線LANは普通の100BASE-T(RJ45)
Raspberry Piについて
Raspberry Piのソフトウェア • ソフトウェアは無料
– OSはLinux (DebianベースのRaspbian)など
– ウィンドウシステム(X11, LXDE)はWindowsそっくり
• アプリケーションがたくさんある – Webブラウザー (Midori, Epiphany)
– オフィススイート (LibreOffice)
– グラフィックスソフト (GIMP, Inkscape)
– ゲーム (Minecraft Pi) など
• 自分でプログラムを書くためのソフトもたくさん – C, Python, Ruby, Java, JavaScript, ドリトル, Arduino
– Scratch, Squeak Etoys
Raspberry Piのデスクトップ
Raspberry Piを組み立てよう
※ 今回はVGAアダプター経由でディスプレイに接続
※ 今回は使用しない
組み立てる部品一式
Raspberry Piの起動
※ 差し込む前に、ディスプレイの電源を入れる。差し込むと同時に本体の電源が入る
Raspberry Piの起動
※ しばらくして、この画面が出れば起動成功
Raspberry Piの終了方法
シャットダウンボタン
「シャットダウン」ボタンをクリックし、「シャットダウンダイアログ」から、「シャットダウン」を選択 画面が暗転し、左上で点滅している横棒が消えたら、USB電源アダプターから、マイクロUSBケーブルを抜く
用語について
電圧・電流・抵抗
http://www.max.hi-ho.ne.jp/lylle/denryu5.html
電源
電位差
地面の高さ ||
グランド ||
GND
アナログ・デジタル
• アナログ
– 連続値
– 例) 1.43 V, 4.61 V
• デジタル
– 離散値
– 例) LOW, HIGH
• 0から5 Vの間のどこかに閾値 – 0から3.3 Vの場合も
アナログ入力・デジタルI/O • アナログ入力
– 入力のアナログ値を測定する
• 返り値は、0 V～5 Vを0～1023で表したものなど
• デジタルI/O
– I (Input; 入力)
• 入力のデジタル値を測定する – 返り値は、LOW, HIGHなど
– O (Output; 出力)
• 指定された値により出力する – LOWだと0 V, HIGHだと5Vなど
• PWM (Pulse Width Modelation; パルス幅変調) – オンオフを高速で繰り返すことで擬似的にアナログ出力する
– 512だと2.5 Vなど
USBコネクタ Bタイプ
DCジャック
デジタルI/Oピン
アナログ入力ピン 電源ピン
プルダウン・プルアップ
• 入力ピンになにも接続しないと、値が不安定になる
• プルダウン
– 入力ピンを抵抗を通して、GNDにつなぐ
– 通常はLOW, 入力ピンをGNDにつなぐとHIGH
• プルアップ
– 入力ピンを抵抗を通して、電源につなぐ
– 通常はHIGH, 入力ピンをGNDにつなぐとLOW
Arduinoに触ってみる
Arduinoとは
• Arduino(アルドゥイーノ)は、AVRマイコン、入出力ポートを備えた基板、C++風のArduino言語とそれの統合開発環境から構成されるシステム。Arduino LCC および Arduino SRL が設計・製造を行い、登録商標を持っている。 – https://ja.wikipedia.org/wiki/Arduino
• Arduino LCC – https://www.arduino.cc/
• Arduino SRL – http://www.arduino.org/
• オープンソースハードウェア
Arduino UNO R3 • マイコンチップ:ATmega328P
• 動作電圧:5V
• 入力電圧（推奨）:7～12V （DCジャックもしくはVIN端子から入力）
• デジタルI/Oピン:14本（うち6本はPWM出力可能）
• アナログ入力ピン:6本（デジタルI/Oピンとしても利用可能）
• DC出力電流:1つのI/Oピン当り20mA程度、I/Oピン全部の合計100mAまで （1ピンあたり40mA以上流すと壊れます）
• DC出力電流:3.3V出力ピン 50mA
• Flashメモリ:32KB （うち0.5KBをブートローダーで使用）
• SRAM:2KB
• EEPROM:1KB
• クロックスピード:16MHz – https://www.switch-science.com/catalog/789/
重要な端子
• USBコネクタ（Bタイプ）
– パソコンにつないでシリアル通信と電源供給
• DCジャック（7～12V）
– 電源供給 （消費電力の大きなデバイスを使うときなど）
• デジタルI/Oピン
– 14本（うち6本はPWM出力可能）
• アナログ入力ピン
– 6本（デジタルI/Oピンとしても利用可能）
Arduino IDE
今回使うのは、中国製 Arduino UNO R3 互換機
本家との違い
• マイコンチップ – ATmega328P → ATmega328P-AU
– DIPから表面実装に
– 取り外し、交換が困難
• USBシリアル変換器 – ATmega16U2 → CH340
– CH340のドライバが必要(Windows, Mac, Linux) • 「CH340 ドライバ」で検索
• http://www.wch.cn/download/CH341SER_ZIP.html
• Raspbianにはデフォルトでインストール済
• 本日お持ち帰りいただけるのはArduino互換機本体とUSBケーブル(Bタイプ)
LEDを点滅させる (LEDチカチカ=Lチカ)
ブレッドボード
• はんだ付け不要で、リード線を差し込むだけで配線できる
※ 縦の5つの穴は中でつながっている
ジャンパーワイヤー
• Arduinoやブレッドボードの配線に使う
• ピンがある方がオス、ソケットの方がメス
– 今回はオス-オスとメス-メスを使う
– オス-メスにしたいときは、オス-オスとメス-メスをつなぐ
LED
• LED(発光ダイオード)
– 豆電球と違って、極性がある
• 逆につなぐと光らない
– 大電流を流すと壊れる
足が長い
足が短い
抵抗
• LEDに流れる電流を制限するため、LEDと直列につなぐ
– 今回は1KΩを使用
• カラーコードは、 茶黒赤金
– ブレッドボードに 差すときはリード 線をコの字に曲げ て使う
– 極性なし
このように配線します
＋
－
足が長い
オス-オスの ジャンパー ケーブル
デジタル13番ピン GNDピン
USBケーブルをつないでからArduino IDEを起動
ボードの種類を選択
Arduino Uno
シリアルポートを選択
/dev/ttyUSB0
サンプルスケッチ「Blink」を開く
※ プログラム = スケッチ
コンパイルと書き込み
Scratchでネコを歩かせる
Scratchって？
• 米マサチューセッツ工科大学(MIT)メディアラボのミッチェル・レズニックさんたちが開発
• ものづくりを楽しみながら学べる
• ビジュアルプログラミング言語
– マウス操作で命令のブロックを組み立てる
– エラーが起こらない
• いろいろなパソコンで動く
– Windows, Mac OS X, Linux
• 作品をネットに共有して、みんなで見られる
三鷹市立中原小学校 中原はちのすけクラブ
仙台市立 荒町小学校
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「試行錯誤するようになった」 「自ら進んで取り組むようになった」 パパートの言う「学ぶことを学ぶ」ができている
学年 科目 単元
1年生 市民科 パソコンをつかおう(パソコンの基本操作)
2年生 算数科 かけ算(1)
3年生 理科 風やゴムのはたらき
4年生 国語科 言葉から風景を想像しよう～短歌をデジタル画で味わおう～
5年生 音楽科 音楽づくり
6年生 市民科 自分たちの学校, プレゼンテーション力をつける
品川区立京陽小学校 全校児童にRaspberry Piを配布
総合ではなく教科の授業でScratchを活用
教科の学習とScratch
第2 各分野の目標及び内容 2 内容
D 情報に関する技術 （3） プログラムによる計測・制御について，次の事項を指導する。 ア コンピュータを利用した計測・制御の基本的な仕組みを知ること。 イ 情報処理の手順を考え，簡単なプログラムが作成できること。
中学校学習指導要領 第2章 各教科 第8節 技術・家庭 http://www.mext.go.jp/a_menu/shotou/new-cs/youryou/chu/gika.htm
ものづくり教育とScratch
計測・制御との親和性
• センサー入力とモーター出力のための仕組みを備える
– センサーボード
• スライダー, 音, 光, ボタン, 抵抗x4
– LEGO WeDo
• 傾き, 距離, モーター
• 外部機器接続のためのインタフェース
– ユーザーの拡張により、任意の機器を接続可能
– Kinect, Wiiリモコン, Arduino, Mindstorms
– Raspberry PiのGPIO(汎用入出力)
PicoBoard (Scratchセンサーボード)
NanoBoardAG (Arduino互換機)
Raspberry PiのGPIOからモーターを制御 (ScratchGPIO)
上板橋第二中学校 技術・家庭科でRaspberry Pi, Scratch, Arduinoを活用
スクラッチの起動方法
• デスクトップのネコのアイコンをダブルクリック
– 初回の起動にはしばらくかかる
– 何度もダブルクリックすると、複数起動してしまうので、その場合は右上の「x」をクリックして閉じる
Scratchで簡単プログラミング体験
スクラッチでゲームを作ろう
• 例題「ネコからにげろ！」
– http://swikis.ddo.jp/abee/77
ScratchでLチカ
ラズベリーパイのGPIO • GPIO(General Purpose Input Output)
– 汎用入出力端子
• 電源: 3.3V 50mA: 1, 17 5V 300mA: 2, 4 • 入力: 3, 5, 7, 8, 10, 19, 21, 22, 23, 24, 26
– Scratch GPIOでは、すべての入力ピンは最初プルダウンされている(プルダウン抵抗あり)
• 出力: 11, 12, 13, 15, 16, 18 – 電圧は0～3.3Vの間で可変(PWM) – 電流は最大で16mA
Arduinoにつないでいたジャン パーワイヤーを抜き、メス-メス のジャンパーケーブルで延長 して差し込む
ジャンパーワイヤーの差し替え
Scratch GPIOの使い方
• GPIOを制御するために、専用のスクラッチ「Scratch GPIO」を使う
• Scratch GPIOを起動するには、デスクトップの「Scratch GPIO4」のアイコンをダブルクリックする
– 「Scratch GPIO4plus」は使わない
– 「遠隔センサ接続が有効になりました」のダイアログは「OK」で閉じる
LEDを点滅させる例題
• 「ファイル」メニューから、「開く…」を選び、「blink11」を選んで「OK」ボタンをクリックする。すると例題が開く
• 緑の旗をクリックすると LEDが1秒点灯、2秒消灯 を繰り返す
• 「pin11highを送る」で 11番ピンが3.3V(HIGH)になる
• 「pin11lowを送る」で 11番ピンが0V(LOW)になる
• 秒数の数字をクリックして キーボードから数値を入力 できる(入力後Enterキー)
スイッチを作ってみる
段ボールスイッチをつくろう！
• 約10cm x 20cmに切った段ボールを二つに折り曲げ、その支点の近くに、少し離した2本アルミテープを貼ります
• それぞれのアルミテープにワニ口クリップをつけます
• この開閉により、スイッチをオンオフできます
• カスタネットのように握っても良いし、椅子に置いても良いです
• このスイッチをユーザーインターフェースとして、いろいろな応用ができます
それぞれのワニ口ケーブルから、 オス-オス、メス-メスのジャンパー ワイヤーで延長してつなぎます。 極性はありません。
スイッチの配線
スイッチでLEDを制御するスクリプト
ゲームのコントローラーを作って遊ぶ
Pongを開く • 「ファイル」メニューから、「開く…」、「例」、「Games」、
「4 Pong」を選んで「OK」ボタンをクリックする。
Pongを改造する
• 右下のスプライトの一覧から「paddle」をクリックして選び、スクリプトを書きかえる
• 段ボールスイッチでパドルをコントロールできる
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