水耕栽培で自作LED駆動 Raspberry PiとWiring PiでPWM制御

更新日：2020年5月3日
公開日：2017年5月20日

水耕栽培で使っているラズベリーパイでPWM制御をしている様子。オシロスコープの画面。

水耕栽培ではLEDのパルス駆動にメリットがあることは LEDのパルス制御で成長促進と消費電力節約の一石二鳥でご紹介しました。

パルス制御を実現するために、Raspberry Piで制御を行います。前回PythonでPWM制御をしようとして失敗したので、今回はWiringPiを使います。うまくいきましたよ！

パルス制御

パルスって矩形(くけい)と言う意味です。矩形制御ってなに？という話があるかと思いますが、on/offする時にスイッチonとoffを繰り返すことをパルス制御と言います。下の図のように確かに四角い・矩形がたくさん出てきます。

パルス制御は消費電力が低い、発熱しにくい

Steve Jobs率いる初期のAppleがApple II のパソコンの電源にスイッチング電源を使った話は有名です。無駄な電力を消費しないように必要な時に電気を流すという制御をしています。今の世の中、スイッチング電源でない電源は圧倒的に少ないでしょうから、それだけみなさんの身近にあることになります。

パルス制御の重要な2つのパラメータ

パルス制御する上で重要な2つのパラメータがあります。一つは周期、もう一つはDuty比というものです。

周期 : 図のTで矩形の周期ですね。
Duty比 : a / T (%)

例えばDuty比、50%というと、2a = Tが成り立ちます。

パルス制御の一般的な呼び方

パルス制御のことはPWM(Pulse Width Modulation)というのが一般的です。PWM制御ができるかどうかは接続する素子の応答特性によるものが大きいです。蛍光灯はもちろんできなくて、LEDであれば可能な制御方法です。

蛍光灯はPWMで制御できない

蛍光灯は応答特性が良くないため、PWM制御ができません。LEDを使うメリットはここにもあります。

Raspberry PiとWiringPiの導入

Raspberry Piってなに？

Raspberry Piってご存知でしょうか。小型のパソコンでGPIO(General Purpose I/O ) portがついています。I/O portがあるので電子工作と非常に相性がいいです。またパソコンですのでOSを入れれば簡単にプログラムを動かすことができます。

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Raspberry Piで使用するPort

Raspberry PiのGPIOはPWM出力に対応したportがひとつ用意されています。Port 18です。このPortのPWMはハードウェア制御なので誤差が少ないです。ソフトウェアでのPWMではパソコンと同じで動いているソフトの影響を受け、制御が不安定になります。このportで最適なPWM制御を実現しましょう！

PORTの制御はWiringPiを使います。

Wiring Piを使う理由

前回Pythonで失敗しました。Software制御しかできなかったのが大きな原因です。今回はRaspberry PiのハードウェアPWM制御を使いたいと思います。Wiring Piはハードウェア制御をサポートしているので今回は失敗しないはずです。

Wiring Piってなに？

WiringPiはGordon Hendersonさんが開発したRaspberry PiのGPIOを簡単に制御できるライブラリです。ライブラリはC言語で動くように準備されています。今回は触れませんが、他の言語でも動作できるようにラッパーが用意されているようです。

Wiring Piのインストール方法

//今は使用しませんが、I2Cのライブラリのinstallをしましょう。
$sudo apt-get install libi2c-dev

//GITにsource codeがあります。GITにアクセスできるように準備しましょう。
$sudo apt-get install git-core

//GITからWiringPiのファイルをダウンロードします。
$git clone git://git.drogon.net/wiringPi

//wiringPiのフォルダができているはずです。そのフォルダに移動してコンパイルしましょう。
$cd wiringPi
$./build

//installが完了したかを確認します。version情報がでれば十分です。
$gpio -v

//今は使用しませんが、I2Cのライブラリのinstallをしましょう。

$sudo apt-get install libi2c-dev

//GITにsource codeがあります。GITにアクセスできるように準備しましょう。

$sudo apt-get install git-core

//GITからWiringPiのファイルをダウンロードします。

$git clone git://git.drogon.net/wiringPi

//wiringPiのフォルダができているはずです。そのフォルダに移動してコンパイルしましょう。

$cd wiringPi

$./build

//installが完了したかを確認します。version情報がでれば十分です。

$gpio -v

WiringPiのライブラリの確認

Raspberry PiでLEDを制御するためにはGPIOの制御が必要です。GPIOの制御とPWM制御するために必要な関数について説明します。

wiringPiSetupGpio

Raspberry PiにはBroadcomという会社のSoC(System On Chip)が載っており、GPIOを制御します。この関数を呼ぶとそれぞれのGPIOポートを番号で呼ぶことができるようになります。

pinMode

I/OのInput / Outputの設定をします。OUTPUTの場合はOUTPUTを指定します。PWMの場合はPWM_OUTPUTです。InputはINPUTです。

pwmSetMode

SoCがBalancedとMarked Spaceという二つのPWMをサポートしています。こちらに仕様がかいてあります。Balancedは高速切り替えが必要なモードに使われ、Marked Spaceは高速な切り替えが必要なものに使われるようです。Marked Spaceは周期的なDutyや周波数が変わらないもので仕様するのであれば問題ありません。

pwmSetRange/pwmSetClock

周波数がこれらで決まります。Raspberry Piはベースの周波数が19.2MHzです。これに対しこの関数で設定した値で割った値が周波数になります。

19.2MHz / (pwmSetRange * pwmSetClock)が周波数となります。

pwmWrite

Duty比を決めます。pwmSetRangeが基準となりますので、pwmWrite/pwmSetRangeがDuty比になります。

プログラムの作製

サンプルプログラムを作製してみました。

CPUへの負荷低減のため、10秒ごとに時間のチェックをするようにしています。
Dutyの比は引数として受け取ります。
PWM周波数はこちらできめた200us=5000Hzで固定です。
- 植物の光合成は200usおきに行われるようなので400usの周期で200us on / 200us offにするのがおすすめです。今回のプログラムは200usの周期なのでご注意ください。
昼間は赤色が点灯するようにしています。夜は青です。

#include <time.h>
#include <wiringPi.h>
#include <iostream>
#include <string>
#include <unistd.h>
#include <cstdint>
#include <algorithm>

constexpr uint8_t PORT_PWM = 18;

const char* getCmdOption(char** begin,
                         char** end,
                         const std::string& option,
                         const std::string& retDefault) 
{
  char** itr = std::find(begin, end, option);
  if (itr != end && ++itr != end) {

    return *itr;
  }
  return retDefault.c_str();
}

int init(int duty, int32_t port_1, int32_t port_2)
{
  if (wiringPiSetupGpio() == -1) {

      printf("setup failed\n");
      return -1;
  }

  //set source output mode
  pinMode(port_1,   OUTPUT);
  pinMode(port_2,   OUTPUT);
  pinMode(PORT_PWM, PWM_OUTPUT);
  
  // pwm setting
  pwmSetMode(PWM_MODE_MS);
  pwmSetRange(192);
  pwmSetClock(20);
  int dutyToSet = static_cast<int>(1.92 * static_cast<float>(duty));
  pwmWrite(PORT_PWM, dutyToSet);

  return 0;
}

int main(int argc, char* argv[]) {

  struct tm* now;
  time_t     t;

  const int32_t     pwmDuty   = atoi(getCmdOption       (argv, argv + argc, "-pwm",   "50"));
  const int32_t     port_1    = atoi(getCmdOption       (argv, argv + argc, "-port1", "17"));
  const int32_t     port_2    = atoi(getCmdOption       (argv, argv + argc, "-port2", "23"));
  const std::string mode      = std::string(getCmdOption(argv, argv + argc, "-mode",  "save"));
  const int32_t     dayStart  = atoi(getCmdOption       (argv, argv + argc, "-start", "600"));
  const int32_t     dayEnd    = atoi(getCmdOption       (argv, argv + argc, "-end",   "1800"));

  std::cout << "-mode  " << mode    << std::endl;
  std::cout << "-pwm   " << pwmDuty << std::endl;
  std::cout << "-port1 " << port_1  << std::endl;
  std::cout << "-port2 " << port_2  << std::endl;

  //initialization
  if(init(pwmDuty, port_1, port_2) != 0) {

    printf("initialization fail\n");
    return -1;
  }

  // rounte for each mode
  if(mode.compare("save") == 0) {

    std::cout << "save is selected" << std::endl;
    std::cout << "LED on time: "
              << dayStart
              << " - "
              << dayEnd
              << std::endl;

    while(1) {

      time_t     t       = time(NULL);
      struct tm* now     = localtime(&t);
      uint32_t   curTime = now->tm_hour * 100 + now->tm_min;

      if((curTime > dayStart) && (curTime < dayEnd)) {
        
        digitalWrite(port_1, 0);
        digitalWrite(port_2, 0);
      }
      else {

        digitalWrite(port_1, 1);
        digitalWrite(port_2, 1);
      }

      sleep(10);
    }
  }
  else if (mode.compare("run") == 0) {

    std::cout << "run is selected" << std::endl;
    digitalWrite(port_1, 1);
    digitalWrite(port_2, 1);
  }
  else {

    std::cout << "unknown mode: "
              << mode
              << " is set. save or run is a mode"
              << std::endl;
    return -1;
  }

  return 0;
}

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#include <time.h>

#include <wiringPi.h>

#include <iostream>

#include <string>

#include <unistd.h>

#include <cstdint>

#include <algorithm>

constexpr uint8_t PORT_PWM = 18;

const char* getCmdOption(char** begin,

char** end,

const std::string& option,

const std::string& retDefault)

{

char** itr = std::find(begin, end, option);

if (itr != end && ++itr != end) {

return *itr;

}

return retDefault.c_str();

}

int init(int duty, int32_t port_1, int32_t port_2)

{

if (wiringPiSetupGpio() == -1) {

printf("setup failed\n");

return -1;

}

//set source output mode

pinMode(port_1, OUTPUT);

pinMode(port_2, OUTPUT);

pinMode(PORT_PWM, PWM_OUTPUT);

// pwm setting

pwmSetMode(PWM_MODE_MS);

pwmSetRange(192);

pwmSetClock(20);

int dutyToSet = static_cast<int>(1.92 * static_cast<float>(duty));

pwmWrite(PORT_PWM, dutyToSet);

return 0;

}

int main(int argc, char* argv[]) {

struct tm* now;

time_t t;

const int32_t pwmDuty = atoi(getCmdOption (argv, argv + argc, "-pwm", "50"));

const int32_t port_1 = atoi(getCmdOption (argv, argv + argc, "-port1", "17"));

const int32_t port_2 = atoi(getCmdOption (argv, argv + argc, "-port2", "23"));

const std::string mode = std::string(getCmdOption(argv, argv + argc, "-mode", "save"));

const int32_t dayStart = atoi(getCmdOption (argv, argv + argc, "-start", "600"));

const int32_t dayEnd = atoi(getCmdOption (argv, argv + argc, "-end", "1800"));

std::cout << "-mode " << mode << std::endl;

std::cout << "-pwm " << pwmDuty << std::endl;

std::cout << "-port1 " << port_1 << std::endl;

std::cout << "-port2 " << port_2 << std::endl;

//initialization

if(init(pwmDuty, port_1, port_2) != 0) {

printf("initialization fail\n");

return -1;

}

// rounte for each mode

if(mode.compare("save") == 0) {

std::cout << "save is selected" << std::endl;

std::cout << "LED on time: "

<< dayStart

<< " - "

<< dayEnd

<< std::endl;

while(1) {

time_t t = time(NULL);

struct tm* now = localtime(&t);

uint32_t curTime = now->tm_hour * 100 + now->tm_min;

if((curTime > dayStart) && (curTime < dayEnd)) {

digitalWrite(port_1, 0);

digitalWrite(port_2, 0);

}

else {

digitalWrite(port_1, 1);

digitalWrite(port_2, 1);

}

sleep(10);

}

else if (mode.compare("run") == 0) {

std::cout << "run is selected" << std::endl;

digitalWrite(port_1, 1);

digitalWrite(port_2, 1);

}

else {

std::cout << "unknown mode: "

<< mode

<< " is set. save or run is a mode"

<< std::endl;

return -1;

}

return 0;

}

実験結果

うまく動きました。意図した通り、5000kHzになっております。

まとめ

WiringPiを使えば正確に周波数制御ができることが確認できました。Sampleプログラムも紹介しましたので、PWM制御をするのであればWiringPiを使用することをお勧めします！

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