二酸化炭素濃度を計測した話（１）

自宅で仕事をするようになり、換気の大切さを感じたという話です。
事務所ではたくさんの人が働いて窓も閉め切っていますが、床面積も広く以前よりはよく換気されている状態だと思います。（以前は昼過ぎになると妙に暑く、集中力がもたずウトウトするほどでした。）

一方、我が家はマンションの一室で、近くに幹線道路があるため防音対策がされている物件です。防音は良いのですが窓を閉め切るとほぼ密閉された状態になり、換気扇をつけると室内が減圧され玄関のドアが開きにくくなるほどです。閉じこもって作業するには良い環境とは言えません。

在宅勤務になる以前から、在宅勤務では換気が大切であることをTwitterで目にしていたので、以前買っていて使ってなかったCO2センサモジュールを用いて測定することにしました。（なぜセンサモジュールがあるのでしょうか）

用いたCO2センサはこれ

NDIR二酸化炭素センサーモジュール　MH-Z14A

RaspberryPiに繋いだので以下のサイトを参考に（ほぼそのまま利用）させていただきました。
『Raspberry PiでCO2センサーモジュール(MH-Z14A)を使って室内のCO2濃度測定 』https://qiita.com/_shin_/items/dfdab160a49feaf4ba66 

計測結果は以下です。

1日の二酸化炭素濃度[ppm]の変化

二酸化炭素濃度はppmという単位で計測され、
一般に外気は370~400ppm程度、ビル衛生管理法では1000ppm以下にすることが義務付けられています。

計測結果を見ると以下のことがわかります。
・睡眠時も緩やかに増加している(0:00~7:00)
・料理で換気扇を利用すると一時的に減少する(12:00)
・窓を全開 にして換気扇を使用すると急激に減少する(13:30)
・窓を全開にしても400ppmくらいになるには30分程度の時間が必要(13:30-14:00)
・換気終了後は増加する（増加量は大きい）(14:00-18:00)
・外出すると減少する (18:15)
・窓を開放するだけでは外気と同等になるまで時間がかかる(23:00-)

気付きをまとめると、以下の３点です。
・就寝時にも換気が必要
・換気しても１時間たたずに基準値を超える
・出社していた頃は外出時間として濃度が減少していたので問題なかった

一方、気になる点がいくつかあります。
①換気後の曲線が急激に増加して、ある値に漸近するのはなぜでしょうか。
②ほとんどの時間で基準値の1000ppmを超えていますが、特に気分が悪いなどの症状がでているわけではありません。なぜでしょうか。
③常に窓を開放するわけにもいかないし、１時間ごとに換気するというのも面倒です。実用上どの程度の換気が必要なのでしょうか。濃度を制御することは可能なのでしょうか。

これらの問いについて考えたことをこの休暇期間に記事にしていきたいと思います。

マラソンに挑戦したこと

技術的なことを共有するために作ったこのブログですが、
現在は個人的な製作活動はしていないので、ずっとほったらかしになっていました。
ここ最近考えていたことがひと段落したので３年半ぶりに投稿します。

フルマラソンを走りました

給水所に置いてあったドーナッツに飲んだはずの水分を奪われる

先日、友人と初めてフルマラソンを走りました。ちゃんとトレーニングできた期間は１ヶ月くらいでしたが、無事完走（歩き含む）できました。そもそも私は中学時代に陸上部で長距離を走っていました。高校でも陸上部に入部したのですが、１年の夏に退部しました。簡単に言うなれば挫折ですが、他にも色々ありました。それから１０年以上、運動経験などの説明を求められれば元陸上部（胸を張って言えない）ですと小声で言う人生を送ることになります。

趣味：映画鑑賞　の人

近所のTSUTAYAが返却もセルフレジになって子供向けアニメとかを借りる気まずさが消える

陸上部を辞めた私には趣味という趣味もなく、趣味の欄があれば映画鑑賞とでも書いていました。確かに映画を観ることは好きで、学生時代も今もTSUTAYAに足しげく通う日々です。

趣味：映画鑑賞の人曰く、映画の良さとは「映画の登場人物に自分を投影することでいろんな人生を味わうことができる」ことらしいです。かく言う私も映画の世界に没入する楽しみのために作品を貪り続けていた訳です。

そして時は流れ、今年の２月の終わり頃、観ていた映画があまりにも面白くなく、なぜ好みではないのかを考えていました。そこで、私が映画に求めているのは、劇的に主人公のマインドが変化していくドラマチックなストーリーであることに気づきます。そして、自分の生活には起こらないドラマチックな変化を、フィクションに求めては消費し続けてることを省みて、少々落ち込みました。

趣味：ジョギング　の人

何かを目指して努力することに憧れてフルマラソンに参加登録し、完走を目指して週３くらいでジョギング（努力）していました。完走できたことにより、私は晴れて趣味：ジョギング　の人になることができました。

趣味：ジョギングの人曰く、ジョギングの良さとは「誰かと競争する訳ではなく、自分の限界を広げることができる」ことらしいです。かく言う私も自分の限界を広げる楽しみと健康志向な生活のためにジョギングをしていた訳です。

３時間分くらいのプレイリストを用意していたが、手違いにより終盤で聴きたいアゲアゲな曲が最初に流れる

何かを目指して努力すること

今後もジョギングを続けていきますが、マラソン大会に出ようとか、タイムを縮めようとかは考えていません。そもそもジョギング程度で自分がドラマチックに変わったとも思いません（体重もあまり変わりません）。ただ、漫然と他人のドラマを消費するのではなく、自らが何かを目指して努力することを続けていきます。

RaspberryPiをロボットに使うこと

コンテスト用のロボットにLinuxボードを使うことについて

RaspberryPiが登場したとき、当時マイコンに挫折してた僕の目は輝きました。そしてRaspberryPiを使ったロボットで２つのコンテストに参加しました。周囲にLinuxボードを使う人が増えてきたのは感じますが、ロボットのコンテスト界隈に変化は起きていないように感じます。対してArduinoは確実に浸透して、変化をもたらしたように思えます。そこで、なんでRaspberryPiでロボコンが難しいのかを考えてみました。

難しさ１：初期設定の手間

マイコンは基本的に初期設定とかないし、あるとしても決まった手順を行えばいいです。RaspberryPiなどの初期設定は自分の持っている環境にもよるし、そもそもOSが違えば全く別物なわけです。さぁ買って使おうというときにこうやってつまづくのはテンション下がる。調べた通りにやってるけど自分の環境のせいでうまくいかないなんてことがザラです。

難しさ２：起動時間

これがマイコンからRaspberryPiにすんなり移行できない最大の要因です。マイコンは電源を投入したらすぐ動いてくれます。（モノによってはスタートボタンがあったり）RaspberryPiの場合は電源を入れてプログラムが勝手に動くようにもできますが、OSの起動時間がしばらくあるのでコンテストの競技開始時にスイッチを入れる訳にはいかないのです。電源はあらかじめ入れておいて、スイッチか通信でプログラムを実行する他ありません。

難しさ３：できることの多さ

これはRaspberryPiを使う目的でもあるので、はまりがちなところ。ネットで調べれば分かるように何でもできるのですが、すべてを同時にできるとは限らなかったり、重要でない処理のために全体の処理能力に負担をかけたりします。

難しさ４：複数のプログラムの実行

LinuxというかOSというものは、複数のプログラムを実行するために存在しています。その技術の恩恵をうけて複雑なプログラムを機能ごとに分割したりできます。それに対してマイコンでは基本的に大きな１つの（全部入り）プログラムを書き込むという発想しかなかったので、こういった知識が足りず難儀します。（しました）
例えば...

・実行するプログラムが増えると処理が落ちる

・どれか１つのプログラムが異常終了してたりする

・機能を細分化しすぎて無駄ができる

難しさ５：ノウハウ

研究でLinuxベースのロボットを作ってたりとなると、ここに書いたようなノウハウがあるのだろうけどみんながそうではないですよね。そういうのってノウハウが一般的（あたりまえ）なことすぎて教科書レベルのことから勉強しなくちゃいけなかったり、それこそ経験しないと身に付かないものだったり。RaspberryPi用のロボットOSを勉強するのもアリかもしれません。

結論

コンテスト用のロボット制作というのは、プログラムを書いてテストして修正するのを何回できるかが大きく結果に関わります。そのルーチンをどれだけ速く回せるかにかかってるのに、OSの起動時間なんて待ってられません。今のところの経験をまとめると３点。

• RaspebrryPiは起動した状態で扱うこと

なるべく早い段階からモバイルバッテリーなど駆動用とは別の長時間つかえる電源で開発を進めましょう。

• 確実な通信を確保すること

有線LANで直接パソコンにつなぐ通信がベスト。代替えとしてシリアル通信もあり。とにかく通信できないのが一番焦る。

• 操作基板をつくること

スイッチやインジケーターを載せた基板を使って開発する。単独でも機能するのが１番強い。

従来のマイコンの代わりように使うことが必ずしも良いとは限りません。また、RaspberryPiを使いこなせばマイコンなんて要らないということもないでしょう。うまく使っていきたいものです。

ArduinoでのGPSのデータ処理（ver2）

このブログのアクセス解析を見るとArduinoでGPSを使う記事がよく見られています。
だけど昔に書いたコードだし、いろいろプログラムとしては微妙だなぁと心苦しかったので書き直しました。

String型のDataという配列のData[0]から順番にNMEAのデータが入っていくようになっています。緯度と経度と方位を取得したいのでGPRMCのフォーマットを想定して書いてあります。

学部１年生にも理解してもらえるようにしたかったので、本当はString型の変数を使わないで、char型だけで数値まで持ってきたかったのだけど、汚くなるので断念。String型はメモリも消費する気がするので、多用したくないね。便利だけど。
あと、文字を判定するif文はswitch case文にしてもいいかもね。

フローチャートはこんな感じ。

まだ一般性のあるプログラムとも言えないですが、前よりは良くなったと思います。

簡単に説明すると、
・１文字ずつ読み込んで、文字列にしています。
・NMEAデータをカンマ区切りで文字列型の配列に入れています。
・NMEAデータを１行ごとにデータ処理（数値に変換）しています。
・緯度と経度をlong int 型に変換しているけれど、本当に使う下部分だけにすればint型で十分です。

そのタイミングでロボットの制御をすれば取得周期（だいたいのGPSモジュールは1秒）で制御できます。
もっと制御したい場合は工夫してください（丸投げ）

能代宇宙イベント2015に参加してきました

すこし報告が遅くなったけど、能代宇宙イベントに参加してきました。
能代に行くのは２度目で２年ぶりです。

機体名は「CLOVER」（クローバー）で、ミツバのクローバーのように３方向にプロペラがついています。パラシュートによって減速しながら推進する方針です。

CLOVERの外観
オレンジのがプロペラで
上についてる白いのがパラシュート

ハードウェア構成は

・RaspberryPi

・ブラシレスモータ

・ブラシレスモータ用のスピードコントローラ

・Li-Poバッテリー

・センサ類（地磁気、加速度ジャイロ、気圧、距離）

・GPS

・Xbee

ソフトはほぼ全てPythonで書きました。
プログラムについては備忘録の意もこめてまた後で詳しく書きます。

結果はブラシレスモータが駆動せず、投下、ログ取り実験に終わりました。
それ以外のセンサやGPSやXbeeの通信はうまくいったので悔しいです。
自作のパラシュートがうまく開いてきれいに減速できてたのは満足しました。

ブラシレスモータが駆動しなかったことを詳しく説明すると、
ブラシレスモータのスピードコントローラの設定がうまくできませんでした。
原因はおそらくRaspberryPiのソフトウェアPWMが安定していないことです。
回路的に作り出したPWM信号ではないため、他の処理に影響されて信号のduty比が乱れます。
設定がうまくいったとしても、実際の駆動が安定したかも保証できません。

現在はPWM信号の発生を専用のICに任せる方針で調整しています。

RaspberryPi 起動したらプログラムが動いてほしい

RaspberryPiを買って、ずっとHDMIとかでディスプレイにつなげて使ってる人は稀ですよね。最初の設定でちょっと使うけれど、ネットワークの設定とかが済んだらパソコンからssh接続したほうが楽ですからね。

そうやってRaspberryPiを使ってて不安なのは、起動はしてるだろうけど、どこまで起動したかわからない。ssh接続したいけど、もう起動したかな・・もうちょっとかな・・。っていうのを毎回考えてしまいます。

それとはまた別で、自律ロボットのためにRaspberryPiを使っている人は分かるとおもうのですが、毎回電源入れてネットワークで接続してプログラムを起動するというのは手間です。それに、ネットワークがない場所（屋外とか）で動かすときや万が一ネットワークがダメなときに、電源を入れ直したら動作するようになっていて欲しいのです。

少なくとも「GPIOピンに繋げたスイッチを押すとプログラムが動き出す」っていうプログラムが起動して欲しいわけです。（ややこしいけどわかるかな？）

最初に書いた起動してるか分からない問題も、起動したらLEDを点滅させるとかネットワークでなんかするとかいうプログラムを書けば解決ですよね。

起動したらプログラムが動く方法その１

Linuxが起動するときに実行させる

LinuxのOSが起動するときに、最初から入ってるプログラムがばーっと動いて実行されます。RaspberryPiをディスプレイに繋げて起動したときに見える大量の文字列は、初期設定とかネットワーク接続とかいろんな作業をしてくれているわけです。

そのうちの１つとして実行する方法があります。

/etc/rc.local

というファイルの exit 0 の前に書き込む方法です。
このファイルで実行するのは初期設定の変更関係にしましょう。
ネットワークのIPアドレスだとかの設定に使えます。

起動したらプログラムが動く方法その２

ログインしたときに実行させる

もう１つの方法はログインしたときに実行する方法です。

ログインしたときにプログラムを起動するのはMacやWindowsでもある機能ですよね。

/etc/profile

にrc.localと同様に書き込むとログイン時に動作します。
あとは起動したときに自動ログインをするようにすればよいですね。

/etc/inittab  の

1:2345:respawn:/sbin/getty　38400　tty1

をコメントアウトしてその下に

1:2345:respawn:/bin/login -f ユーザー名　tty1 </dev/tty1>/dev/tty1 2>&1

って書いて保存っと。

これで起動→ログイン→プログラムが起動という流れになります。

ちなみにsshでログインするともう１つ余分にプログラムが回るので注意。

ちょっとしたメモ

Pythonのプログラムを起動するとき普通は、

$    Python ./program.py

見たいなコマンドにしますが、GPIOとかファイル操作をするときは実行権限がないとプログラムが途中で止まってしまいます。なので自動実行させる時はsudoで実行しましょう。

$   sudo python ./program.py

それと、バックグラウンド処理（背後でプログラムを動かして他の処理をする） をしたい場合はアンパサンドをつけましょう。

$   sudo python ./program.py &

sudoで実行することのもう一つの利点は、sudoのプロセスを止めるとプログラムが止まってくれることです。 killallってコマンドで一斉停止ができます。

$   sudo killall sudo

なんかプログラムが暴走してるときとかに便利です。 

３軸デジタルコンパスHMC5883L ３軸の謎

Amazonとかで手軽に買えるデジタルコンパスにHMC5883Lがあります。

データシート（http://www51.honeywell.com/aero/common/documents/myaerospacecatalog-documents/Defense_Brochures-documents/HMC5883L_3-Axis_Digital_Compass_IC.pdf）

これは３軸コンパスといってX軸、Y軸、Z軸方向にかかっている磁場を測定できます。
普通のコンパス用途ならX軸、Y軸の値だけでかまわないし、海外のサイトでもZ軸を扱っていない場合が多いです。

基本的なデータの取得に関しては他のサイトやブログで十分なので、取得できた値をどうすればよいかという話を書いていきます。

補正

まず、重要なのはデジタルコンパスは使うためには補正が必要だということです。

このコンパスをきれいに使うには２つの補正が必要！

理解するためには計測している対象である地磁気について知っておく必要があるかもしれません。（参考：国土地理院のページ）
地磁気は地球上どこでも、南極から北極にむかう方向の矢印だと思ってください。
その大きさは東京付近で約45000nTだそうです。（wikipedia より）

（※）1nT(テスラ) = 10μG(ガウス)なので 45000nT=0.45G
センサは±8Gまで測定できます（0.45 < 8 はずいぶん大きい）
測定範囲を設定することができるようです。（データシートP13）
こうした方が精度良く測定できそうですね。（最小範囲は±0.88G : 分解能は0.73mG）
デフォルトでは±1.33G : 分解能は0.92mGになっています。

よく scale = 0.92 という変数がプログラムに散見されたが、このことだったのか。
つまり、センサの値を丁寧にガウスに変換してたのね。
でも最終的に角度が欲しいだけならそんな几帳面さ要りません。
角度は比率でとっちゃうし、地磁気の大きさなんて実際つかえない。

地磁気の大きさ以外に、向きも場所によって変わります。
それが変わっちゃお手上げなのですが、そんなにコロコロ変わるものでもありません。

偏角と伏角（へんかくとふっかく）

偏角は水平方向の角度で、コンパスが指す方向と北極の方向のズレです。
東京では+7°くらいずれます。最終的な方角に-7°してあげましょう。
GPSによって取得できる緯度は北極方向の測地線なので、GPSとコンパスを使う場合には少し気にしましょう。
伏角は磁場が地面にめりこんでる角度です。
僕もこれを知るまでは地磁気は地面に平行だとおもっていたのですが、結構めりこみます。東京で地面の下に49°くらいの角度です。
つまりデジタルコンパスのZ軸方向の値は負です。
図にするとこんな感じ。

センサの内部的な問題

偏角と伏角のように場所に依存するのではなく、センサの内部的な問題で磁気が記憶されて電圧が多く乗ってしまったりということがあるようです。（よくわかってない）

具体的にどういうことになるかというとこんな感じです。

定常的に誤差がのるので使う直前にこの誤差をオフセットとして算出して打ち消すようにします。

どうやるかというと、一定時間センサで値を取り続けながらセンサをグルグル回します。センサをいろんな角度になるようにしてください。グルグルというより、ぐるんぐるんに回さないといい補正はできません。そのようにして取った値を３次元空間にプロットすると、上の図のような球面になります。その中心を計算してオフセットとして差し引きます。簡単に計算するために

球の中心のx座標 = (xの最大値 - xの最小値) /2
球の中心のy座標 = (yの最大値 - yの最小値) /2
球の中心のz座標 = (zの最大値 - zの最小値) /2

としてますが、もっと正確には、数値解析的に最適にフィットする球面で近似して中心を求めた方が良さそうです。（あ、これやってみたい）

角度へ変換

ここまでだとまだセンサの値はx,y,z方向にかかる地磁気の強さです。

補正されたとしても、これを見て方角が分かる人はそんなにいないでしょう。

(x,y,z)という変数の直行座標系を(r,θ,φ)という変数の球面座標系に変換します。

r : 地磁気の大きさ
θ : z軸からの角度
φ： xy平面に投影したときのx軸からの角度

基本的に方角を知る上で必要となるのはφ(xy平面上の角度)だけですね。

θを使えばセンサの傾きも取得できるはずなのですが、うまくできません。

変換公式

逆三角関数をつかうのでマイコンによってはヘビーかもしれません。

また、地磁気の向きがz軸と重なるとφの値が定まりません。

（なるべく水平に使った方がφが安定するよということ）

置き方によってそうなるかもしれない場合は変数を調整するといいかもしれません。

式を見るとわかるようにφの式にzは使われません。

ということで結局z軸の値はあまり使われないということでした。

でも３軸である以上は何か使い道があるはず。

１つは傾きを知れることなのですが、傾きすぎると方位の値がぶれます。

よく考えたら、方位磁針を縦向きに置いたら方位がわからなくなるのはあたりまえですね。

地磁気センサ単体で傾きを知るのは難しいかもしれないので、加速度ジャイロセンサと組み合わせることで、加速度ジャイロセンサの示す姿勢に対して地磁気がどちらに働いているかというのを提示するというのがいいのかもしれません。

球体方位磁針のように考えて、制御に活かせると新しいかもしれませんね。

３次元方向に制御できる対象というのも普及していることですし。