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2.2.3 DHT-11
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前書き
--------------

デジタル温湿度センサーDHT11は、温度と湿度の校正済みデジタル信号出力を含む複合センサーである。専用のデジタルモジュールコレクションの技術と温湿度検知の技術を適用して、製品の高い信頼性と優れた安定性を確保している。

センサーには、湿式素子抵抗センサーとNTC温度センサーが含まれており、高性能の8ビットマイクロコントローラーに接続されている。

部品
----------

.. image:: media/list_2.2.3_dht-11.png


原理
---------

DHT11は基本的な超低コストのデジタル温湿度センサーである。
容量性湿度センサーとサーミスタを使用して周囲の空気を測定し、
データピンにデジタル信号を出力する（アナログ入力ピンは不要）。

.. image:: media/image205.png
    :width: 200


VCC、GND、とDATAの三つのピンのみが利用できる。
通信プロセスは開始信号をDHT11に送信するDATAラインから始まり、
DHT11は信号を受信して応答信号を返す。次に、ホストは応答信号を受信し、
40ビットの湿度データ（8ビット湿度整数+ 8ビット湿度10進数+ 8ビット温度整数+ 8ビット温度10進数+ 8ビットチェックサム）の受信を開始する。
詳細については、DHT11データシートを参照してください。

回路図
-----------------

.. image:: media/image326.png


実験手順
-----------------------

ステップ1： 回路を作る。

.. image:: media/image207.png
    :width: 800



C言語ユーザー向け
^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^

ステップ2： コードのフォルダーに入る。

.. raw:: html

   <run></run>

.. code-block::

    cd ~/davinci-kit-for-raspberry-pi/c/2.2.3/

ステップ3： コードをコンパイルする。

.. raw:: html

   <run></run>

.. code-block::

    gcc 2.2.3_DHT.c -lwiringPi

ステップ4： EXEファイルを実行する。

.. raw:: html

   <run></run>

.. code-block::

    sudo ./a.out

コードの実行後、プログラムはDHT11によって検出された温度と湿度をコンピューター画面にプリントする。

**コード**

.. code-block:: c

    #include <wiringPi.h>
    #include <stdio.h>
    #include <stdlib.h>
    #include <stdint.h>

    #define MAXTIMINGS 85  // Maximum number of timing transitions

    int dht11_dat[5] = {0, 0, 0, 0, 0};  // Data array to hold sensor values

    // Function to read data from DHT11 sensor
    void read_dht11_dat(int GPIOPIN)
    {
        uint8_t currState;
        uint8_t laststate = HIGH;
        uint8_t counter = 0;
        uint8_t j = 0;
        uint8_t i;
        float f; // Temperature in Fahrenheit

        // Reset data array before each read
        dht11_dat[0] = dht11_dat[1] = dht11_dat[2] = dht11_dat[3] = dht11_dat[4] = 0;

        // Pull pin down for 18 milliseconds to initiate communication
        pinMode(GPIOPIN, OUTPUT);
        digitalWrite(GPIOPIN, LOW);
        delay(18);

        // Then pull it up for 40 microseconds
        digitalWrite(GPIOPIN, HIGH);
        delayMicroseconds(40); 

        // Prepare to read the pin
        pinMode(GPIOPIN, INPUT);

        // Detect change and read data
        for (i = 0; i < MAXTIMINGS; i++) 
        {
            counter = 0;

            // Count how long each state lasts
            while (digitalRead(GPIOPIN) == laststate)
            {
                counter++;
                delayMicroseconds(2);
                if (counter == 255) 
                {
                    break;
                }
            }

            // Save the current state
            laststate = digitalRead(GPIOPIN);

            if (counter == 255) break;

            // Ignore first 3 transitions (DHT11 response signal)
            if ((i >= 4) && (i % 2 == 0)) 
            {
                // Shift bits and store data
                dht11_dat[j/8] <<= 1;
                if (counter > 16)
                {
                    dht11_dat[j/8] |= 1;
                }

                j++;
            }
        }

        // Check if we received 40 bits (5 bytes) and verify checksum
        if ((j >= 40) && (dht11_dat[4] == ((dht11_dat[0] + dht11_dat[1] + dht11_dat[2] + dht11_dat[3]) & 0xFF)) ) 
        {
            // Convert temperature to Fahrenheit
            f = dht11_dat[2] * 9.0 / 5.0 + 32;
            printf("Humidity = %d.%d %% Temperature = %d.%d °C (%.1f °F)\n",
                   dht11_dat[0], dht11_dat[1], dht11_dat[2], dht11_dat[3], f);
        }
        else
        {
            printf("Data not good, skip\n");
        }
    }

    int main (void)
    {
        printf("Raspberry Pi wiringPi DHT11 Temperature test program\n");

        // Initialize wiringPi using BCM GPIO pin numbering
        if (wiringPiSetupGpio() == -1)
        {
            exit(1);
        }

        while(1) 
        {
            // Read data from DHT11 connected to GPIO pin 17
            read_dht11_dat(17);
            delay(1000); // Wait 1 second before next read
        }

        return 0;
    }


**コード説明**

#. ヘッダーのインクルード: コードには、wiringPi関数と標準入出力に必要なヘッダーが含まれています。

   .. code-block:: C

        #include <wiringPi.h>
        #include <stdio.h>
        #include <stdlib.h>
        #include <stdint.h>

#. 定義：

   * ``MAXTIMINGS`` ： DHT11 センサーから予期される最大タイミング遷移数（85）。
   
   .. code-block:: C

        #define MAXTIMINGS 85  // Maximum number of timing transitions

#. グローバルデータ配列：

   * ``dht11_dat[5]`` ： DHT11 センサーから受信した 5 バイトのデータを格納する配列。
   
   .. code-block:: C

        int dht11_dat[5] = {0, 0, 0, 0, 0};  // Data array to hold sensor values

#. 関数 ``read_dht11_dat(int GPIOPIN)``： 指定した GPIO ピンに接続された DHT11 センサーからデータを読み取ります。
   
   * 初期化： 各読み取り前に ``dht11_dat`` 配列をゼロにリセットします。
   
     .. code-block:: C

        dht11_dat[0] = dht11_dat[1] = dht11_dat[2] = dht11_dat[3] = dht11_dat[4] = 0;

   * スタート信号： DHT11 にデータ送信を開始するように信号を送るために、GPIO ピンを少なくとも 18 ミリ秒間低にします。
   
     .. code-block:: C

        pinMode(GPIOPIN, OUTPUT);
        digitalWrite(GPIOPIN, LOW);
        delay(18);  // 18 milliseconds

   * GPIO ピンを 40 マイクロ秒間高にします。
   
     .. code-block:: C

        digitalWrite(GPIOPIN, HIGH);
        delayMicroseconds(40);  // 40 microseconds

   * センサーからのデータを読み取るために GPIO ピンを入力モードに設定します。
   
     .. code-block:: C

        pinMode(GPIOPIN, INPUT);

   * データ読み取りループ： ``MAXTIMINGS`` 回までループしてデータビットを読み取ります。

     各遷移（高から低、または低から高）に対して、ピンが各状態に滞在する時間を測定します。

     .. code-block:: C

        for (i = 0; i < MAXTIMINGS; i++) 
        {
            counter = 0;
            while (digitalRead(GPIOPIN) == laststate)
            {
                counter++;
                delayMicroseconds(2);
                if (counter == 255) 
                {
                    break;
                }
            }
            laststate = digitalRead(GPIOPIN);
            // ... rest of the loop
        }

   * データビット抽出： 最初の 3 つの遷移は、DHT11 の初期応答の一部であるため無視されます。

     各データビットについて、ピンが高状態に滞在する期間に基づいてビットが 0 か 1 かを判定します。

     .. code-block:: C

        if ((i >= 4) && (i % 2 == 0)) 
        {
            dht11_dat[j/8] <<= 1;
            if (counter > 16)
            {
                dht11_dat[j/8] |= 1;
            }
            j++;
        }

   * チェックサム検証： すべてのビットを受信後、データの整合性を保証するためにチェックサムを検証します。
   
     .. code-block:: C

        if ((j >= 40) && (dht11_dat[4] == ((dht11_dat[0] + dht11_dat[1] + dht11_dat[2] + dht11_dat[3]) & 0xFF)) )

   * チェックサムが正しい場合、湿度および温度の値を出力します。
   
     .. code-block:: C

        f = dht11_dat[2] * 9.0 / 5.0 + 32;
        printf("Humidity = %d.%d %% Temperature = %d.%d °C (%.1f °F)\n",
               dht11_dat[0], dht11_dat[1], dht11_dat[2], dht11_dat[3], f);

   * チェックサムが一致しない場合、エラーメッセージを出力します。
   
     .. code-block:: C

        else
        {
            printf("Data not good, skip\n");
        }

#. メイン関数：

   * スタートメッセージを出力します。

   .. code-block:: C

        printf("Raspberry Pi wiringPi DHT11 Temperature test program\n");

   * BCM GPIO ピン番号を使用して WiringPi を初期化します。
   
   .. code-block:: C

        if (wiringPiSetupGpio() == -1)
        {
            exit(1);
        }

   * DHT11 センサーから毎秒データを読み取る無限ループに入ります。
     
     .. code-block:: C

        while(1) 
        {
            read_dht11_dat(17);
            delay(1000); // wait 1 second
        }

Python言語ユーザー向け
^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^

ステップ2： コードのフォルダーに入る。

.. raw:: html

   <run></run>

.. code-block::

    cd ~/davinci-kit-for-raspberry-pi/python/

ステップ3： EXEファイルを実行する。

.. raw:: html

   <run></run>

.. code-block::

    sudo python3 2.2.3_DHT.py

コードの実行後、プログラムはDHT11によって検出された温度と湿度をコンピューター画面にプリントする。

**コード**


.. note::

   以下のコードを **変更/リセット/コピー/実行/停止** できます。 ただし、その前に、 ``davinci-kit-for-raspberry-pi/python`` のようなソースコードパスに移動する必要があります。 
   
.. raw:: html

    <run></run>

.. code-block:: python

   from gpiozero import OutputDevice, InputDevice
   import time

   class DHT11():
      MAX_DELAY_COUINT = 100
      BIT_1_DELAY_COUNT = 10
      BITS_LEN = 40

      def __init__(self, pin, pull_up=False):
         self._pin = pin
         self._pull_up = pull_up


      def read_data(self):
         bit_count = 0
         delay_count = 0
         bits = ""

         # -------------- send start --------------
         gpio = OutputDevice(self._pin)
         gpio.off()
         time.sleep(0.02)

         gpio.close()
         gpio = InputDevice(self._pin, pull_up=self._pull_up)

         # -------------- wait response --------------
         while gpio.value == 1:
               pass
         
         # -------------- read data --------------
         while bit_count < self.BITS_LEN:
               while gpio.value == 0:
                  pass

               # st = time.time()
               while gpio.value == 1:
                  delay_count += 1
                  # break
                  if delay_count > self.MAX_DELAY_COUINT:
                     break
               if delay_count > self.BIT_1_DELAY_COUNT:
                  bits += "1"
               else:
                  bits += "0"

               delay_count = 0
               bit_count += 1

         # -------------- verify --------------
         humidity_integer = int(bits[0:8], 2)
         humidity_decimal = int(bits[8:16], 2)
         temperature_integer = int(bits[16:24], 2)
         temperature_decimal = int(bits[24:32], 2)
         check_sum = int(bits[32:40], 2)

         _sum = humidity_integer + humidity_decimal + temperature_integer + temperature_decimal

         if check_sum != _sum:
               humidity = 0.0
               temperature = 0.0
         else:
               humidity = float(f'{humidity_integer}.{humidity_decimal}')
               temperature = float(f'{temperature_integer}.{temperature_decimal}')

         # -------------- return --------------
         return humidity, temperature


   if __name__ == '__main__':
      dht11 = DHT11(17)
      while True:
         humidity, temperature = dht11.read_data()
         print(f"{time.time():.3f}  temperature:{temperature}°C  humidity: {humidity}%")
         time.sleep(2)


**コードの説明**

.. code-block:: python

      def read_data(self):
         bit_count = 0
         delay_count = 0
         bits = ""

         # -------------- send start --------------
         gpio = OutputDevice(self._pin)
         gpio.off()
         time.sleep(0.02)

         gpio.close()
         gpio = InputDevice(self._pin, pull_up=self._pull_up)
         #...

この関数はDHT11の関数を実装するために使用される。それは検出されたデータを ``bits[]`` 配列に保存する。
DHT11は一度に40ビットのデータを点灯する。
最初の16ビットは湿度に関連し、中央の16ビットは温度に関連し、最後の8ビットは検証に使用される。
データ形式は次のとおりである：

8ビット湿度整数データ +8ビット湿度10進データ +8ビット温度整数データ + 8ビット温度10進データ + 8ビットチェックビット。

チェックビットを介して有効性が検出されると、関数は2つの結果を返す：1. エラー; 2.湿度と温度。

.. code-block:: python

      _sum = humidity_integer + humidity_decimal + temperature_integer + temperature_decimal

      if check_sum != _sum:
            humidity = 0.0
            temperature = 0.0
      else:
            humidity = float(f'{humidity_integer}.{humidity_decimal}')
            temperature = float(f'{temperature_integer}.{temperature_decimal}')

たとえば、受信した日付が00101011（湿度整数の8ビット値）00000000（湿度10進数の8ビット値）00111100（温度整数の8ビット値）00000000（温度10進数の8ビット値）01100111（チェックビット）の場合

**計算:**

00101011+00000000+00111100+00000000=01100111.

最終結果がチェックビットデータと等しい場合、データ送信は異常である：Falseを返す。

最終結果がチェックビットデータと等しく、受信データは正しい場合、
``humidity`` と ``temperature`` が返され、「Humidity = 43％、Temperature= 60C」が出力される。

現象画像
------------------

.. image:: media/image209.jpeg