.. include:: /index.rst
   :start-after: start_hello_message
   :end-before: end_hello_message

.. _py_fun_fan:

4.7 スマートファン
=========================

**はじめに**

このプロジェクトでは、手動モードと自動モードの両方で動作する「スマートファン」を作成します。モーター、ボタン、サーミスタを組み合わせることで、ファンの風量を調整できるだけでなく、温度変化にも応答できるようになります。モーター制御、温度検知、GPIO の使い方を学ぶのに最適な実験です。


----------------------------------------------


**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_breadboard`
        - |link_breadboard_buy|
    *   - :ref:`cpn_wires`
        - |link_wires_buy|
    *   - :ref:`cpn_resistor`
        - |link_resistor_buy|
    *   - :ref:`cpn_thermistor`
        - |link_thermistor_buy|
    *   - :ref:`cpn_button`
        - |link_button_buy|
    *   - :ref:`cpn_motor`
        - |link_motor_buy|
    *   - :ref:`cpn_fusion_hat`
        - \- 
    *   - Raspberry Pi
        - \-



----------------------------------------------

**回路図**

以下の回路図は、サーミスタ、ボタン、モータードライバー、およびモーターの接続方法を示しています。

.. image:: img/fzz/4.1.7_sch.png
   :width: 100%
   :align: center




----------------------------------------------

**配線図**

ブレッドボード上のレイアウトと配線接続は、以下の図を参照してください。


.. image:: img/fzz/4.1.7_bb.png
   :width: 80%
   :align: center



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**サンプルの実行**


このチュートリアルで使用するすべてのサンプルコードは ``ai-lab-kit`` ディレクトリに含まれています。 
以下の手順に従ってサンプルを実行してください。


.. raw:: html

   <run></run>

.. code-block:: shell
   
   cd ~/ai-lab-kit/python/
   sudo python3 4.7_SmartFan.py

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**コード**

以下は、このプロジェクトで使用する Python スクリプトです。



.. raw:: html

   <run></run>

.. code-block:: python

   #!/usr/bin/env python3

   from fusion_hat.motor import Motor
   from fusion_hat.pin import Pin, Mode, Pull
   from fusion_hat.adc import ADC
   from time import sleep, time
   import math

   BtnPin = Pin(22, mode=Mode.IN, pull=Pull.DOWN)
   motor = Motor("M0")
   thermistor = ADC("A3")

   level = 0
   currentTemp = None
   markTemp = None

   PRINT_INTERVAL = 1.0
   _last_print = 0.0

   button_event = False  # flag: button was pressed


   def temperature(samples=5, delay=0.01):
      """Read thermistor multiple times and return averaged Celsius (float) or None."""
      vals = []
      for _ in range(samples):
         analogVal = thermistor.read()
         Vr = 3.3 * float(analogVal) / 4095.0
         if (3.3 - Vr) <= 0.1:
               return None
         Rt = 10000.0 * Vr / (3.3 - Vr)
         tempK = 1.0 / (((math.log(Rt / 10000.0)) / 3950.0) + (1.0 / (273.15 + 25.0)))
         vals.append(tempK - 273.15)
         sleep(delay)
      return sum(vals) / len(vals)


   def motor_run(lv):
      lv = max(0, min(4, lv))
      motor.power(0 if lv == 0 else lv * 25)
      return lv


   def changeLevel():
      """Button press: cycle level 0~4 and set a flag for main loop to print."""
      global level, button_event
      level = (level + 1) % 5
      button_event = True


   BtnPin.when_activated = changeLevel


   def main():
      global level, currentTemp, markTemp, _last_print, button_event

      markTemp = temperature()
      while True:
         currentTemp = temperature()
         if currentTemp is None:
               print("Sensor read failed. Please check the sensor.")
               sleep(0.5)
               continue

         # Handle button event in main loop (stable timing)
         if button_event:
               button_event = False
               markTemp = currentTemp
               print(f"[Button] Level -> {level} | Temp: {currentTemp:.2f} °C | Mark: {markTemp:.2f} °C")

         # Periodic temperature print
         now = time()
         if now - _last_print >= PRINT_INTERVAL:
               if markTemp is None:
                  markTemp = currentTemp
               print(f"Temp: {currentTemp:.2f} °C | Mark: {markTemp:.2f} °C | Level: {level}")
               _last_print = now

         # Auto adjust level based on ±5°C
         if markTemp is None:
               markTemp = currentTemp

         if level != 0:
               diff = currentTemp - markTemp
               if diff <= -5:
                  level = max(0, level - 1)
                  markTemp = currentTemp
                  print(f"[Auto] Temp down -> Level {level} (Temp: {currentTemp:.2f} °C)")
               elif diff >= 5:
                  level = min(4, level + 1)
                  markTemp = currentTemp
                  print(f"[Auto] Temp up   -> Level {level} (Temp: {currentTemp:.2f} °C)")

         level = motor_run(level)
         sleep(0.5)


   try:
      main()
   except KeyboardInterrupt:
      print("\nExiting...")
   finally:
      motor.stop()
      sleep(0.1)



この Python スクリプトは、モーター、ボタン、および温度センサーを組み合わせて、温度に応じて動作し、速度を調整できるファンシステムを作成します。実行すると、次のように動作します。

1. **温度の測定**: サーミスタを使用して現在の摂氏温度を読み取ります。

2. **手動での風量調整**:

   - GPIO22 に接続されたボタンにより、ユーザーは 5 段階の風量レベル（0～4）を順番に切り替えることができます。
   - ボタンを押すたびに風量レベルが 1 段階上がり、モーターは対応する速度で動作します。レベル 0 ではモーターが停止します。

3. **自動風量制御**: システムは温度変化に応じてモーター速度を自動調整します。

   - 温度が 5°C 以上上昇すると、風量レベルが 1 段階上がります（最大レベル 4）。
   - 温度が 5°C 以上低下すると、風量レベルが 1 段階下がります（最小レベル 0）。

4. **継続的な監視**: システムは温度を継続的に監視し、それに応じてファン速度を調整します。

5. **安全な終了**: ``Ctrl+C`` を押すと、モーターを停止し、スクリプトは安全に終了します。

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**コードの解説**

1. **温度の計算:**

   .. code-block:: python

      def temperature(samples=5, delay=0.01):
         """Read thermistor multiple times and return averaged Celsius (float) or None."""
         vals = []
         for _ in range(samples):
            analogVal = thermistor.read()
            Vr = 3.3 * float(analogVal) / 4095.0
            if (3.3 - Vr) <= 0.1:
                  return None
            Rt = 10000.0 * Vr / (3.3 - Vr)
            tempK = 1.0 / (((math.log(Rt / 10000.0)) / 3950.0) + (1.0 / (273.15 + 25.0)))
            vals.append(tempK - 273.15)
            sleep(delay)
         return sum(vals) / len(vals)


   ``temperature()`` 関数は、サーミスタのアナログ値を複数回読み取り、抵抗値へ変換し、数式を用いて対応する温度を計算します。


2. **モーター速度制御:**

   .. code-block:: python

      def motor_run(lv):
         lv = max(0, min(4, lv))
         motor.power(0 if lv == 0 else lv * 25)
         return lv


   ``motor_run()`` 関数は、 ``level`` 変数に応じてモーター速度を調整します。速度は 0～4 の範囲に制限され、それに応じた出力が設定されます。


3. **手動での風量調整:**

   .. code-block:: python

      def changeLevel():
         """Button press: cycle level 0~4 and set a flag for main loop to print."""
         global level, button_event
         level = (level + 1) % 5
         button_event = True


      BtnPin.when_activated = changeLevel

   ``changeLevel()`` 関数は、ボタンが押されるたびに風量レベルを 0～4 の範囲で順番に切り替えます。


4. **自動での風量調整:**

   .. code-block:: python

      def main():
         global level, currentTemp, markTemp, _last_print, button_event

         markTemp = temperature()
         while True:
            currentTemp = temperature()
            if currentTemp is None:
                  print("Sensor read failed. Please check the sensor.")
                  sleep(0.5)
                  continue
         ...

   ``main()`` 関数は温度を継続的に監視し、基準温度から 5°C 以上ずれた場合にファン速度を自動調整します。



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**トラブルシューティング**

1. **モーターが動作しない** :

   - **原因** : 配線ミス、または電源不足。
   - **対処方法** :

     - モーターが M0 に接続されていることを確認してください。
     - モーターの電源が必要電圧を満たしていることを確認してください。

2. **温度読み取りが正しくない**:

   - **原因** : サーミスタの不具合。
   - **対処方法**:

     - サーミスタの配線を確認し、仕様範囲内で使用されていることを確認してください。

3. **ボタン入力が検出されない** :

   - **原因** : ボタン配線または GPIO 設定の誤り。
   - **対処方法** :

     - ボタンが GPIO22 と GND に接続されていることを確認してください。
     - ボタン単体で、押したときに回路が閉じるかどうかをテストしてください。

4. **風量レベルが自動で変わらない**:

   - **原因** : 温度差の計算が正しくありません。
   - **対処方法** : ``main()`` 関数内で ``currentTemp`` と ``markTemp`` が正しく更新されていることを確認してください。


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**拡張アイデア**


1. **過熱アラート**: 温度が危険なしきい値を超えたときに、ブザーや LED で警告を出します。

     .. code-block:: python

         if currentTemp > 50:
             buzzer.on()

2. **スマートボタン機能**: ボタンの長押しで風量レベルを 0 にリセットしたり、自動／手動モードを切り替えたりできるようにします。

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**まとめ**

スマートファンのプロジェクトでは、手動制御と自動制御を 1 つのシステムに統合する方法を学べます。これは、センサー、モーター、ユーザー操作を組み合わせた、実用的で効率的な設計例です。さらに機能を追加して、自分だけの温度制御システムへ発展させてみてください。