.. include:: /index.rst
:start-after: start_hello_message
:end-before: end_hello_message
.. _py_room_monitor:
4.12 環境モニター
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**はじめに**
このレッスンでは、温度、湿度、周囲の明るさを読み取り、それらすべての値を 128×64 OLED 画面にリアルタイムで表示する **Environment Monitor Dashboard** を作成します。
このプロジェクトでは以下を使用します。
- 温度と湿度を測定する **DHT11 センサー**
- 周囲光レベルを測定するために Fusion HAT+ の ADC に接続された **LDR（光依存抵抗）**
- 環境データと動的なライトバーを表示する **SSD1306 OLED**
画面は継続的に更新され、DHT11 が有効な値を返したかどうかに応じて、ステータス表示（ ``OK`` または ``TIMEOUT``）も表示されます。
----------------------------------------------
**必要なもの**
このプロジェクトで必要なコンポーネントは以下のとおりです。
.. list-table::
:widths: 30 20
:header-rows: 1
* - COMPONENT INTRODUCTION
- PURCHASE LINK
* - :ref:`cpn_wires`
- |link_wires_buy|
* - :ref:`cpn_humiture_sensor`
- |link_humiture_buy|
* - :ref:`cpn_photoresistor`
- |link_photoresistor_buy|
* - :ref:`cpn_oled`
- \-
* - :ref:`cpn_fusion_hat`
- \-
* - Raspberry Pi
- \-
.. ----------------------------------------------
.. **回路図**
.. .. image:: img/fzz/4.12_room_monitor_sch.png
.. :width: 80%
.. :align: center
----------------------------------------------
**配線図**
各コンポーネントの組み立ては、以下の配線図を参照してください。
.. image:: img/fzz/4.12_room_monitor_bb.png
:width: 100%
:align: center
----------------------------------------------
**セットアップ手順**
.. #. Create and activate a virtual environment for this project:
.. .. raw:: html
..
.. .. code-block:: shell
.. cd ~
.. python3 -m venv 4.12_room_monitor_env --system-site-packages
.. source 4.12_room_monitor_env/bin/activate
#. 必要なライブラリをインストールします。
.. raw:: html
.. code-block:: shell
sudo pip3 install adafruit-circuitpython-ssd1306 --break
#. ``ai-lab-kit`` ディレクトリからサンプルコードを実行します。
.. raw:: html
.. code-block:: shell
cd ~/ai-lab-kit/python/
sudo python3 4.12_RoomMonitor.py
#. スクリプトを実行すると、次のように動作します。
* OLED に温度、湿度、明るさの割合が表示されます
* 横向きのバーグラフで現在の明るさレベルを表示します
* DHT11 の読み取り状態を示すために ``OK`` または ``TIMEOUT`` が表示されます
* データは 0.5 秒ごとに更新されます
* **Ctrl+C** を押すと終了し、画面はクリアされます
----------------------------------------------
**コード**
以下は、環境モニターダッシュボード用の Python スクリプトです。
.. raw:: html
.. code-block:: python
import time
from statistics import mean
from fusion_hat.modules import DHT11
from fusion_hat.adc import ADC
from PIL import Image, ImageDraw, ImageFont
import adafruit_ssd1306
import board
# ---------- Hardware configuration ----------
DHT_PIN = 17 # BCM numbering for the DHT11 data pin
LDR_CH = 0 # ADC channel for LDR (e.g., 0,1, ...)
I2C_ADDR = 0x3C # OLED I2C address (commonly 0x3C)
# ---------- OLED setup ----------
WIDTH, HEIGHT = 128, 64
i2c = board.I2C()
oled = adafruit_ssd1306.SSD1306_I2C(WIDTH, HEIGHT, i2c, addr=I2C_ADDR)
oled.fill(0)
oled.show()
# Framebuffer
image = Image.new("1", (WIDTH, HEIGHT))
draw = ImageDraw.Draw(image)
font = ImageFont.load_default()
def text_size(font, text):
l, t, r, b = font.getbbox(text)
return (r - l, b - t)
# ---------- Sensors ----------
dht = DHT11(pin=DHT_PIN)
ldr = ADC(LDR_CH)
# ---------- Light normalization ----------
# Map ADC raw (0..4095) to percentage (0..100). You can adjust the calibration
# range to your circuit by putting typical min/max readings below:
LDR_RAW_MIN = 0 # raw value in darkness (tune if needed)
LDR_RAW_MAX = 4095 # raw value in bright light (tune if needed)
def clamp(v, vmin, vmax):
return vmax if v > vmax else vmin if v < vmin else v
def linear_map(x, in_min, in_max, out_min, out_max):
if in_max == in_min:
return out_min
return (x - in_min) * (out_max - out_min) / (in_max - in_min) + out_min
# Simple moving average for light to reduce flicker
_light_window = []
def light_percent(raw):
"""Convert raw ADC to smoothed light percentage."""
global _light_window
# Windowed average of last few samples
_light_window.append(raw)
if len(_light_window) > 5:
_light_window.pop(0)
smooth_raw = int(mean(_light_window))
pct = linear_map(smooth_raw, LDR_RAW_MIN, LDR_RAW_MAX, 0, 100)
return int(clamp(pct, 0, 100)), smooth_raw
# ---------- UI drawing ----------
BAR_W, BAR_H = WIDTH - 16, 10 # width/height for the light bar
BAR_X, BAR_Y = 8, HEIGHT - 12 # position of the light bar
def draw_bar(x, y, w, h, percent):
"""Draw a horizontal bar [0..100]%."""
# Border
draw.rectangle((x, y, x + w, y + h), outline=255, fill=0)
# Fill
fill_w = int((w - 2) * percent / 100.0)
if fill_w > 0:
draw.rectangle((x + 1, y + 1, x + 1 + fill_w, y + h - 1), outline=0, fill=255)
def render_screen(temp_c, hum_pct, light_pct, raw_adc, status_text="OK"):
"""Render all text and graphics to the framebuffer."""
draw.rectangle((0, 0, WIDTH, HEIGHT), outline=0, fill=0)
# Title
title = "Env Monitor"
tw, th = text_size(font, title)
draw.text(((WIDTH - tw) // 2, 0), title, font=font, fill=255)
# Temperature & Humidity lines
line1 = f"Temp: {temp_c:.1f} degC"
line2 = f"Hum : {hum_pct:.1f} %"
draw.text((2, 16), line1, font=font, fill=255)
draw.text((2, 28), line2, font=font, fill=255)
# Light line and bar
line3 = f"Light: {light_pct:3d}% (raw {raw_adc})"
draw.text((2, 40), line3, font=font, fill=255)
draw_bar(BAR_X, BAR_Y, BAR_W, BAR_H, light_pct)
# Status (e.g., "OK" or "TIMEOUT")
sw, sh = text_size(font, status_text)
draw.text((WIDTH - sw - 2, 0), status_text, font=font, fill=255)
# ---------- Main loop ----------
# Keep last good readings so display stays meaningful if a DHT read times out
last_temp = 0.0
last_hum = 0.0
try:
while True:
# Read DHT11 (may return None / timeout)
status = "OK"
result = dht.read()
if result:
hum, temp = result # order per your DHT11 wrapper: (humidity, temperature)
last_temp, last_hum = float(temp), float(hum)
else:
status = "TIMEOUT"
# Read LDR
raw = ldr.read()
light_pct, raw_smooth = light_percent(raw)
# Draw to OLED
render_screen(last_temp, last_hum, light_pct, raw_smooth, status_text=status)
oled.image(image)
oled.show()
# Console log (optional)
# print(f"T={last_temp:.1f}C H={last_hum:.1f}% Light={light_pct}% (raw {raw_smooth}) [{status}]")
time.sleep(0.5)
except KeyboardInterrupt:
oled.fill(0)
oled.show()
print("\nExited.")
----------------------------------------------
**コードの解説**
1. **インポート**
このスクリプトでは、以下のモジュールを使用します。
- 温度と湿度の測定に使う ``DHT11``
- アナログ入力から LDR の明るさを読み取る ``ADC``
- OLED 描画用の ``PIL``
- OLED 制御用の ``adafruit_ssd1306``
- 明るさの値を平滑化するための ``mean()``
2. **OLED の設定**
128×64 の SSD1306 OLED を I2C で初期化します。
すべての UI 要素は、表示に送る前にフレームバッファ（Pillow の画像）へ描画されます。
.. code-block:: python
# ---------- OLED setup ----------
WIDTH, HEIGHT = 128, 64
i2c = board.I2C()
oled = adafruit_ssd1306.SSD1306_I2C(WIDTH, HEIGHT, i2c, addr=I2C_ADDR)
oled.fill(0)
oled.show()
# Framebuffer
image = Image.new("1", (WIDTH, HEIGHT))
draw = ImageDraw.Draw(image)
font = ImageFont.load_default()
3. **センサーの読み取り**
- DHT11 はときどき読み取りに失敗することがあります。その場合、スクリプトは ``TIMEOUT`` を表示しつつ、前回の有効な値を保持します。
- LDR の生の読み取り値（0..4095）は、ちらつきを減らすために移動平均で平滑化されます。
.. code-block:: python
# Read DHT11 (may return None / timeout)
status = "OK"
result = dht.read()
if result:
hum, temp = result # order per your DHT11 wrapper: (humidity, temperature)
last_temp, last_hum = float(temp), float(hum)
else:
status = "TIMEOUT"
# Read LDR
raw = ldr.read()
light_pct, raw_smooth = light_percent(raw)
4. **明るさのマッピング**
``linear_map()`` は生の ADC 値をパーセンテージ（0..100%）に変換します。
``clamp()`` は最終的な値が範囲内に収まるようにします。
.. code-block:: python
def light_percent(raw):
"""Convert raw ADC to smoothed light percentage."""
global _light_window
# Windowed average of last few samples
_light_window.append(raw)
if len(_light_window) > 5:
_light_window.pop(0)
smooth_raw = int(mean(_light_window))
pct = linear_map(smooth_raw, LDR_RAW_MIN, LDR_RAW_MAX, 0, 100)
return int(clamp(pct, 0, 100)), smooth_raw
5. **ダッシュボードの描画**
OLED には次の内容が表示されます。
- タイトル
- 温度（°C）
- 湿度（%）
- 明るさの割合と ADC 生値
- 明るさを示す横向きのバーグラフ
- センサー状態を示すステータステキスト
.. code-block:: python
def render_screen(temp_c, hum_pct, light_pct, raw_adc, status_text="OK"):
"""Render all text and graphics to the framebuffer."""
draw.rectangle((0, 0, WIDTH, HEIGHT), outline=0, fill=0)
# Title
title = "Env Monitor"
tw, th = text_size(font, title)
draw.text(((WIDTH - tw) // 2, 0), title, font=font, fill=255)
# Temperature & Humidity lines
line1 = f"Temp: {temp_c:.1f} degC"
line2 = f"Hum : {hum_pct:.1f} %"
draw.text((2, 16), line1, font=font, fill=255)
draw.text((2, 28), line2, font=font, fill=255)
# Light line and bar
line3 = f"Light: {light_pct:3d}% (raw {raw_adc})"
draw.text((2, 40), line3, font=font, fill=255)
draw_bar(BAR_X, BAR_Y, BAR_W, BAR_H, light_pct)
# Status (e.g., "OK" or "TIMEOUT")
sw, sh = text_size(font, status_text)
draw.text((WIDTH - sw - 2, 0), status_text, font=font, fill=255)
6. **メインループ**
0.5 秒ごとに、次の処理を実行します。
- DHT11 を読み取る
- LDR を読み取り、平滑化する
- 画面を更新する
- 必要に応じてデバッグログを表示する
7. **安全な終了処理**
Ctrl+C が押されると、次の処理を行います。
- OLED をクリアする
- メッセージを表示する
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**トラブルシューティング**
- **DHT11 が頻繁に TIMEOUT を返す**
- 読み取り間隔を長くしてください
- 配線と信号ピンを確認してください
- 必要に応じてプルアップ抵抗が使われていることを確認してください
- **OLED が真っ白／真っ黒のままで何も表示されない**
- I2C アドレス（ ``0x3C`` ）を確認してください
- SDA/SCL の配線を確認してください
- ライブラリが正しくインストールされていることを確認してください
- **明るさの割合が逆に見える**
- ``LDR_RAW_MIN`` と ``LDR_RAW_MAX`` を入れ替えてください
- LDR 回路の向き（分圧回路）を確認してください
- **表示がちらつく**
- 明るさの平滑化ウィンドウを大きくしてください
- 更新頻度を下げてください（ ``time.sleep(1.0)`` を使用）
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**自分で試してみよう**
1. **華氏表示（°F）を追加する**
画面に °C と °F の両方を表示します。
2. **最大値／最小値の履歴を追加する**
温度、湿度、明るさの最高値／最低値を記録します。
3. **アラート機能を追加する**
湿度が低すぎる、または温度が高すぎるときに OLED の枠を点滅させます。
4. **グラフ表示モードを追加する**
温度や湿度の推移をスクロールグラフで表示します。
5. **アニメーションアイコンを追加する**
太陽、雨、温度計、水滴などの小さなビットマップを表示します。
これらのアイデアを加えることで、シンプルな環境モニターを高機能な環境ダッシュボードへ発展させることができます。