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Raspberry Pi + CO2-mini + Zabbixで室内CO2濃度を継続モニタリングする構築手順

Tue, 19 Jul 2022 00:00:00 +0000

コロナ禍をきっかけにCO2モニター「CUSTOM CO2-mini」を購入しました。USB給電で動作するこのセンサー、調べてみるとUSB経由でデータ取得もできることが判明。Raspberry Piに接続してZabbixで継続的に室内CO2濃度をモニタリングする仕組みを作ったので、構築手順をまとめます。

用意するもの

CO2-miniからのデータ取得（Python）

CO2-miniをRaspberry PiにUSB接続すると、特別なドライバーなしで認識されます。データ取得には heinemml/CO2Meter というPythonライブラリを使います。

ライブラリのインストール

Raspberry Pi OS Bookworm 以降では、システムの Python に直接 pip インストールすることが制限されています。仮想環境を作成してその中にインストールします。

python3 -m venv /root/co2env
/root/co2env/bin/pip install git+https://github.com/heinemml/CO2Meter

sudo pip3 install ... は Raspberry Pi OS Bookworm（2023年以降）では “externally managed environment” エラーになる場合があります。仮想環境を使う手順が安全です。

CO2・温度をShared Memoryに書き出すスクリプト

ZabbixエージェントからCO2値を読み取れるよう、取得した値を /dev/shm/ 以下のファイルに継続的に書き出します。

from CO2Meter import *
import time

sensor = CO2Meter("/dev/hidraw0") # 環境によって hidraw1 などになる場合があります

while True:
 time.sleep(1)
 data = sensor.get_data()
 if 'temperature' in data and 'co2' in data:
 with open('/dev/shm/co2', 'w') as f:
 f.write(str(data['co2']))
 with open('/dev/shm/temperature', 'w') as f:
 f.write(str(data['temperature']))

/dev/hidraw0 のデバイスパスは環境によって異なります。ls /dev/hidraw* で確認し、CO2-miniが認識されているパスを指定してください。

起動時に自動実行する（crontab）

rootでないとデバイスにアクセスできないため、root権限で起動するシェルスクリプトを作成します。

/root/co2.sh

#!/bin/bash
sleep 5
/root/co2env/bin/python3 /root/co2.py

crontabに追加して起動時に自動実行するよう設定します。

@reboot /root/co2.sh

Zabbixの設定

ZabbixからRaspberry Piのデータを収集するには、zabbix-serverとzabbix-agentの両方を設定する必要があります。

方針

Raspberry PiのShared Memory（/dev/shm/）にCO2値と温度を常時書き出す
Zabbixエージェントはそのファイルを cat して返す

zabbix-server側：ホストとアイテムの作成

Raspberry Piにzabbix-agentをインストールし、zabbix-serverでホストを追加します。

Zabbixでホストを作成する

CO2濃度と温度の2つのアイテムを作成します。

CO2濃度と温度のアイテムを作成する

アイテムのキー設定（UserParameterと対応させる）

アイテムキーは以下にしました。

co2.co2 （CO2濃度）
co2.temp （温度）

zabbix-agent側：設定ファイルの編集

/etc/zabbix/zabbix_agentd.conf でサーバーアドレスを指定します。

Server=<zabbix-serverのアドレス>
ServerActive=<zabbix-serverのアドレス>
Include=/etc/zabbix/zabbix_agentd.conf.d/*.conf

UserParameterの設定

/etc/zabbix/zabbix_agentd.conf.d/userparameter_co2.conf を作成します。Shared Memoryのファイルを cat して返すだけです。

UserParameter=co2.co2,cat /dev/shm/co2
UserParameter=co2.temp,cat /dev/shm/temperature

設定後、zabbix-agentを再起動します。

sudo systemctl restart zabbix-agent

動作結果

CO2濃度と温度をZabbixでグラフ化できました。

CO2濃度のZabbixグラフ。換気のタイミングで値が下がるのがわかる

設置してからの長期推移。冬は換気すると室温も下がるため、CO2上昇を許容しがち

CO2モニターを導入してから、換気の頻度が体感でかなり上がりました。数値で見ると「換気が必要なタイミング」が一目瞭然です。

まとめ

構成要素	役割
CO2-mini	USB接続でCO2濃度・温度を計測
Raspberry Pi	センサーからデータを取得・Shared Memoryに保存
Python（CO2Meterライブラリ）	CO2-miniとの通信・データ取得
Zabbix（agent + server）	データの収集・グラフ化・長期記録

作成したスクリプト一式はGitHubで公開しています。

GitHub - yukishita/co2-mini：CUSTOM CO2-miniをZabbixで記録するプログラム

Raspberry Pi + Google Drive でクラウド対応フォトフレームを自作する【rclone + fbi + Python】

Tue, 19 Jul 2022 00:00:00 +0000

写真が趣味で、2003年からデジタル一眼を使い始めて今に至ります。気づけば総撮影枚数は388,524枚。これだけ撮り溜めた写真を、スライドショー形式でリビングに飾りたいと思っていました。

市販のデジタルフォトフレームでは解決できなかった問題

市販のフォトフレームは、SDカードやUSBメモリにデータを入れて表示する仕組みが主流です。7〜10インチのものが多く、Amazonのランキングでも選択肢は豊富にあります。

ただ、週1ペースで写真を撮り続ける身としては**「毎回SDカードに写真を入れ直す」運用が億劫**で、すぐに使わなくなりそうでした。

クラウドから自動で写真を取得するフォトフレームのイメージ

Google Driveなどのクラウドストレージから自動で写真を取得して表示するフォトフレームが欲しかったのですが、市販品では見つからなかったため、自分で作ることにしました。

用意したもの

Raspberry Pi 4

常時通電するフォトフレーム用途には、消費電力が低く小型なRaspberry Piが適しています。

【国内正規代理店品】Raspberry Pi4 ModelB 4GB ラズベリーパイ4 技適対応品

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モバイルモニター

写真を表示するためのモニターです。FullHD・IPSパネルのモバイルモニターを選びました。市販のフォトフレームは視野角が狭いパネルが多いですが、パーツを自分で選べるのが自作の醍醐味です。モバイルモニターは電源が小型で設置の自由度も高いです。

モバイルモニター 15.6インチタッチパネルモバイルディスプレイ

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microSDカード・電源

SanDisk 高耐久ドライブレコーダーアクションカメラ対応 microSDHC 32GB

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Miuzei Raspberry Pi 4 電源 USB-C 5.1V 3A スイッチ付き PSE認証

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システム構成

OS：Raspberry Pi OS

Raspberry Pi OS をSDカードに書き込んで使います。フォトフレーム用途なのでデスクトップ環境は不要で、CLIのみの Lite 版でセットアップします。

画像表示：fbi

CLIから直接フレームバッファに画像を表示できる fbi を使います。以前はUbuntu上のGUIで動かすバージョンも作りましたが動作が不安定だったため、CLIベースの構成に切り替えました。

クラウドストレージとの連携：rclone

rclone を使ってGoogle Drive上の写真を定期的にダウンロードします。Google Drive以外にもDropbox・S3など70以上のクラウドサービスに対応しています。

rcloneで写真をダウンロード → fbiでスライドショー表示、という流れです。

セットアップ

Raspberry Pi OS のインストール

Raspberry Pi Imager を使ってSDカードにイメージを書き込みます。

Raspberry Pi Imager でOSを書き込む

32bit・64bitどちらでも問題なく動作します。

fbi のインストール

sudo apt-get -y install fbi

パーミッションの付与

デフォルトではスーパーユーザー以外は fbi で画像を表示できません。pi ユーザーを video グループに追加します。

pi@raspi3-photo:~ $ ls -Fla /dev/fb0
crw-rw---- 1 root video 29, 0 Apr 7 10:33 /dev/fb0

sudo usermod -aG video pi

rclone のインストール

curl https://rclone.org/install.sh | sudo bash

インストール後、rclone config でGoogle Driveとの認証設定を行います。

SSH接続のみのヘッドレス環境では、rclone config 実行中にブラウザ認証用のURLが表示されます。そのURLをPC側のブラウザで開いてGoogleアカウントを認証してください。

スライドショープログラムの実装

アルゴリズム

以下の流れで動作します。

rclone ls でクラウドストレージ上の指定フォルダの画像一覧を取得
一定数取得できた時点でランダムに画像のダウンロードを開始
ダウンロードできた画像から順に fbi で表示
バックグラウンドで次の画像を取得し続ける
指定時間が来たらランダムに次の画像へ切り替え
重み付きランダム選択で、表示済み画像の優先度を下げ偏りを防ぐ
週1回 rclone ls でデータベースをマージして新着写真を反映
データベースはファイルではなくメモリ上に保持（マージ速度改善）

言語：Python

スライドショー制御スクリプトはPythonで実装しました。オブジェクト指向で設計し直した改良版では、起動から最初の画像表示までの時間を旧バージョン比1700%高速化しています。

Pythonの学習には現役シリコンバレーエンジニアが教えるPython 3 入門 + 応用（Udemy）が参考になりました。

ソースコード

作成したプログラムはGitHubで公開しています。

GitHub - yukishita/photoView4：クラウド対応スライドショープログラム

使い方

crontab に以下を追加して、起動時に自動実行します。

@reboot /home/pi/photoView4/photoView4.sh

デモンストレーション

改良版（v4）のデモ動画です。旧バージョンと比べて起動から表示までの時間が大幅に短縮されています。

旧バージョン（参考）

ファイルリストをすべて取得してから動作するため起動が遅い版です。

Tips：指定時刻にディスプレイの電源を切る

24時間表示し続けると電気代がかさむため、HDMI接続時は vcgencmd で電源スケジュールを設定できます。

0 0 * * * /usr/bin/vcgencmd display_power 0
30 6 * * * /usr/bin/vcgencmd display_power 1

上記の例では午前0時にOFF・午前6時30分にONとなります。人感センサーや照度センサーと組み合わせてさらに自動化することも可能です。

まとめ

構成要素	役割
Raspberry Pi 4	メインコンピューター（低消費電力・常時稼働）
モバイルモニター	FullHD・IPS・高視野角で写真を高品質表示
fbi	CLIからフレームバッファに直接画像を表示
rclone	Google Driveから写真を自動ダウンロード
Python	スライドショー制御・重み付きランダム選択

Raspberry Pi 4を使いましたが、Raspberry Pi Zero 2 Wでも同様の構成で動作可能です。常時通電する用途なので、消費電力の小さい機種を選ぶとランニングコストを抑えられます。

Raspberry Pi 3 + 公式7インチタッチスクリーンで照度センサー対応フォトフレームを自作する【BH1750FVI + I2C + Python】

Tue, 19 Jul 2022 00:00:00 +0000

以前 Raspberry Pi 4 でクラウド対応フォトフレームを作りましたが、今回は余っていた Raspberry Pi 3 と公式7インチタッチスクリーンで別バージョンを構築しました。さらに照度センサーを追加して、部屋の明るさに応じてディスプレイ輝度が自動調整される機能を実装しています。

用意するもの

Raspberry Pi 3

Raspberry Pi 3 Model B シングルボードコンピュータ

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Raspberry Pi 公式7インチタッチスクリーン

800×480px・24ビットRGBカラー・60fps対応。最大10点のマルチタッチに対応しています。

Raspberry Pi 公式 7インチタッチスクリーン LCD

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公式タッチスクリーン用ケース

Raspberry Pi 3 Model B と7インチディスプレイを一体で収納できるケースです。

Raspberry Pi & 7インチ LCDタッチスクリーン拡張ボードケース ABS樹脂（黒）

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ディスプレイの接続

Raspberry Pi Touch Display 公式ドキュメントを参考にリボンケーブルと電源を接続します。

Raspberry Pi を背面ディスプレイに取り付ける場合、リボンケーブルの向きに注意してください。電源ケーブル（赤/黒）は、赤を5Vピン・黒をGNDピンに接続します。

公式ディスプレイの画面回転設定

デフォルト状態では表示が180度回転しているため、設定ファイルで反転します。

以下の lcd_rotate=2 は Raspberry Pi OS Bullseye 以前（レガシー/FKMSモード）向けの設定です。Bookworm（2023年以降）では lcd_rotate は公式には非推奨で、画面回転には「Screen Configuration」GUIツールの使用が案内されています。

また、config.txt のパスも OS バージョンによって異なります。

Bullseye 以前：/boot/config.txt
Bookworm 以降：/boot/firmware/config.txt

Bullseye 以前（レガシー/FKMSモード）の場合：

sudo vi /boot/config.txt

以下を追記します。

lcd_rotate=2

スライドショー用プログラム

スライドショー制御には、別記事で紹介している自作Pythonスクリプト（photoView4）を流用しています。

ディスプレイの輝度調整

フォトフレームとして常時表示していると、夜間など暗い環境では画面が眩しく感じます。公式7インチディスプレイは、以下のコマンドでバックライト輝度を変更できます。

echo "100" | sudo tee /sys/class/backlight/rpi_backlight/brightness

/sys/class/backlight/rpi_backlight/brightness に0〜255の値を書き込むことで輝度を制御できます。

照度センサー（BH1750FVI）の追加

輝度を手動設定するだけでなく、部屋の明るさに応じて自動で輝度を変えたいと考え、照度センサーを追加しました。

使用パーツ

BH1750FVI 周囲光トランスデューサ I2C 出力エレクトロニクス向けの連続および単一測定アプローチ環境光観測コンポーネント

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ELEGOO 120本デュポンワイヤージャンパーワイヤーオス-メス/オス-オス/メス-メスセット

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Raspberry Pi と I2C 接続

BH1750FVI は I2C プロトコルで通信します。Raspberry Pi GPIO ピン配置を参照して接続します。

Raspberry Pi GPIOピン配置図（出典：Raspberry Pi公式ドキュメント）

接続対応表

Raspberry Pi	GPIOピン番号	BH1750FVI
GPIO2 (SDA)	3	SDA
GPIO3 (SCL)	5	SCL
5V Power	2	VCC
Ground	14	ADO
Ground	20	GND

BH1750FVI をI2Cで接続した配線の様子

照度センサーの動作確認（Python）

接続後、Python で照度データを取得できるか確認します。参考コード（GitHub）を参考に実装しました。

#!/usr/bin/python3

import smbus

Bus = smbus.SMBus(1)
Addr = 0x23
LxRead = Bus.read_i2c_block_data(Addr, 0x11)
print("照度: " + str(LxRead[1] * 10) + " ルクス")
LxRead2 = Bus.read_i2c_block_data(Addr, 0x10)
print("輝度: " + str((LxRead2[0] * 256 + LxRead2[1]) / 1.2))

実行すると照度が取得できます。

root@raspi3-photo:~# python br.py
照度: 1650 ルクス
輝度: 990.8333333333334

輝度自動調整プログラムの実装

取得した照度に応じてバックライト輝度を滑らかに変化させるため、10ms周期で動作するPythonプログラムを作成しました。

仕組みは以下のとおりです：

照度レベルごとにターゲット輝度を定義
取得した照度に応じてディスプレイ輝度を1ステップずつインクリメント/デクリメント
SMBus（I2C）通信は取得間隔を300ms以上空けないと正常な値が取れないため、300ms周期でポーリング

照度センサーの設置

センサーは前面から光が当たる背面の出っぱった部分に設置しました。

照度センサーをケース背面に設置した様子

ソースコード

作成したプログラムはGitHubで公開しています。

GitHub - yukishita/lcdBrightness2：BH1750FVI 照度センサーで Raspberry Pi 公式ディスプレイ輝度を自動調整するプログラム

デモ動画

照度に応じてディスプレイ輝度が滑らかに変化する様子です。

まとめ

構成要素	役割
Raspberry Pi 3	メインコンピューター
公式7インチタッチスクリーン	フォトフレーム表示（800×480px）
GY-30 BH1750FVI	I2C接続の照度センサー
Python（smbus）	I2C通信・輝度自動調整制御

照度センサーを追加することで、昼は明るく・夜は暗くと自動で輝度が変わり、実用的なフォトフレームになりました。Raspberry Pi Zero 2 W でも同様の構成で動作すると思われます。

電波時計が受信できない部屋でM5StickC / ATOM LiteとJJYシミュレータを使って時刻合わせを自動化した

Thu, 12 May 2022 00:00:00 +0000

引越しを機に電波時計が電波を受信しなくなった問題を、M5StickC / ATOM LiteとJJYアンテナ基板を使ったJJYシミュレータで解決した記録です。

問題：引越し後に電波時計の時刻が狂い始めた

電波時計は電波で自動的に時刻を合わせてくれるため、手動調整が不要で便利です。ところが引越し後、自宅では電波を受信しなくなり、時刻が少しずつ狂うようになってしまいました。

窓際に持っていけば受信できるものの、時刻合わせのたびに窓際まで運ぶのは手間です。何か恒久的な解決策を探すことにしました。

市販の電波送信機は高価

調べると「電波時計用送信機」という製品が存在します。NTPサーバーやGPSから正確な時刻を取得し、室内にJJY信号（日本の標準電波）を再送信するものです。

共立電子産業 AC同期式時刻送信機 P18-NTPAC

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ケイシーズ GPS式電波時計用リピータKEISEEDS P18-NTPGR

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電波時計信号送信機能付き時計(白) P18-NTPLR

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機能的には理想的ですが、どれも1〜3万円前後とそれなりの値段です。「電波時計1台のためにそこまで出すのは…」と躊躇していました。

解決策：M5StickC + JJYアンテナ基板で自作する

「安く自作できないか」と思い、スイッチサイエンスで探したところ、まさにそのものズバリな製品を見つけました。

JJY とは

JJYとは、情報通信研究機構（NICT）が送信している日本の標準電波の呼出符号です。40kHz（福島局）と60kHz（佐賀局）の2波で日本全国をカバーしており、電波時計はこの信号から正確な時刻を受け取っています。

今回使うのは、このJJY信号を模擬して室内に送信するボード（シミュレータ）です。

必要な部品

JJYアンテナ基板（M5StickCまたはATOM用）とM5本体を組み合わせて使います。

製品	リンク	備考
M5StickC用JJYアンテナ基板	スイッチサイエンス	M5StickC専用
M5Atom用JJYアンテナ基板	スイッチサイエンス	ATOM Lite/Matrix用
M5StickC	スイッチサイエンス	現在販売終了
ATOM Lite	スイッチサイエンス	現在も入手可能・推奨
ATOM Matrix	スイッチサイエンス	現在も入手可能

M5StickCは現在販売終了しています。新たに購入する場合は ATOM Lite と M5Atom用JJYアンテナ基板 の組み合わせがおすすめです。

筆者が購入した時点では基板とM5本体を合わせても5,000円以内でした（価格は変動するため、購入時にご確認ください）。市販の専用送信機と比べると大幅に安価です。

セットアップ手順

スイッチサイエンスの製品ページに掲載されているGitHubリポジトリの手順に沿ってセットアップします。

手順通りにプログラムを書き込むだけで、特にハマりどころなく完了しました。

動作確認

プログラムを書き込んだM5StickCをJJYアンテナ基板に接続し、電波時計のそばで動かします。

電波時計のすぐ横に置いて受信させる

電波の到達距離は短く、**時計のすぐ隣（数cm〜数十cm程度）**でないと受信しません。ただし電波時計は一度時刻合わせが完了すれば、次の合わせまでしばらくは正確な時刻を保持するため、実用上は問題ありませんでした。

課題

一点だけ気になった点として、電子レンジのそばで使用するとWiFi接続が切れ、再接続しないことがありました。その場合は手動で再起動が必要です。電子レンジと離れた場所に設置するか、定期リセットを組み込む改良が考えられます。

まとめ

市販の電波送信機を買わずとも、M5StickC / ATOM LiteとJJYアンテナ基板の組み合わせで、数千円台で電波時計の自動時刻合わせ問題を解決できました。

コスト：数千円台（筆者購入時は5,000円以内、市販送信機の1/3〜1/6程度）
難易度：GitHubのコードを書き込むだけ、はんだ付け不要
注意点：電波の到達距離が短いため、時計のすぐ隣に設置が必要

電波が届かない部屋で電波時計を使いたい方の参考になれば幸いです。

IoT | Tomokatsu Yukishita | yre.jp

Raspberry Pi + CO2-mini + Zabbixで室内CO2濃度を継続モニタリングする構築手順

用意するもの

Raspberry Pi

CO2-mini（CUSTOM CO2モニター）

電源・microSDカード

CO2-miniからのデータ取得（Python）

ライブラリのインストール

CO2・温度をShared Memoryに書き出すスクリプト

起動時に自動実行する（crontab）

Zabbixの設定

方針

zabbix-server側：ホストとアイテムの作成

zabbix-agent側：設定ファイルの編集

UserParameterの設定

動作結果

まとめ

Raspberry Pi + Google Drive でクラウド対応フォトフレームを自作する【rclone + fbi + Python】

市販のデジタルフォトフレームでは解決できなかった問題

用意したもの

Raspberry Pi 4

モバイルモニター

microSDカード・電源

システム構成

OS：Raspberry Pi OS

画像表示：fbi

クラウドストレージとの連携：rclone

セットアップ

Raspberry Pi OS のインストール

fbi のインストール

パーミッションの付与

rclone のインストール

スライドショープログラムの実装

アルゴリズム

言語：Python

ソースコード

使い方

デモンストレーション

旧バージョン（参考）

Tips：指定時刻にディスプレイの電源を切る

まとめ

Raspberry Pi 3 + 公式7インチタッチスクリーンで照度センサー対応フォトフレームを自作する【BH1750FVI + I2C + Python】

用意するもの

Raspberry Pi 3

Raspberry Pi 公式7インチタッチスクリーン

公式タッチスクリーン用ケース

ディスプレイの接続

公式ディスプレイの画面回転設定

スライドショー用プログラム

ディスプレイの輝度調整

照度センサー（BH1750FVI）の追加

使用パーツ

Raspberry Pi と I2C 接続

接続対応表

照度センサーの動作確認（Python）

輝度自動調整プログラムの実装

照度センサーの設置

ソースコード

デモ動画

まとめ

電波時計が受信できない部屋でM5StickC / ATOM LiteとJJYシミュレータを使って時刻合わせを自動化した

問題：引越し後に電波時計の時刻が狂い始めた

市販の電波送信機は高価

解決策：M5StickC + JJYアンテナ基板で自作する

JJY とは

必要な部品

セットアップ手順

動作確認

課題

まとめ