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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。

【Mac】DjangoをHomebrewでインストールしてローカルサーバーを起動する方法【初心者向け】

Fri, 15 Apr 2022 00:00:00 +0000

MacにDjangoをインストールしてローカルサーバーを起動するまでの手順を初心者向けにまとめます。Homebrewを使ったPythonの導入から、仮想環境の作成、Djangoプロジェクトの起動まで順を追って解説します。

検証環境

項目	バージョン
端末	MacBook Pro (Apple Silicon)
OS	macOS Monterey 12.3.1

Django とは？

Django は Python で書かれたオープンソースの Web フレームワークです。管理画面・認証・ORM（データベース操作）などの機能があらかじめ揃っており、Webアプリケーションを効率よく開発できます。Instagram や Disqus など大規模サービスでの採用実績もあります。

この記事では、まず Django を起動するところを目標にします。

ステップ1：Homebrew のインストール

Djangoは Python で動くため、まず Python を用意します。Mac への Python 導入方法はいくつかありますが、パッケージ管理が楽な Homebrew を使う方法がおすすめです。

ターミナルに以下のコマンドを貼り付けて実行します。

/bin/bash -c "$(curl -fsSL https://raw.githubusercontent.com/Homebrew/install/HEAD/install.sh)"

管理者パスワードを入力するとインストールが始まります。Installation successful! が表示されれば完了です。

ステップ2：Python のインストール

Homebrew がインストールできたら Python をインストールします。

brew install python3

インストール後、バージョンを確認します。

python3 --version
# Python 3.x.x と表示されればOK

ステップ3：Python のパスを通す

Homebrew でインストールした Python は /opt/homebrew/bin/ 以下に置かれます。システムのデフォルト Python（/usr/bin/python3）より優先して使われるよう、パスを設定します。

現在のパスを確認します。

which python3
# /usr/bin/python3 と表示される場合は設定が必要

~/.zprofile にパスを追記します（macOS Monterey 以降、zsh ではこのファイルがログイン時に自動読み込みされます）。

echo 'export PATH=/opt/homebrew/bin/:$PATH' >> ~/.zprofile

ターミナルを再起動後、確認します。

which python3
# /opt/homebrew/bin/python3 と表示されればOK

ステップ4：Django のインストール

作業フォルダの作成

任意の作業ディレクトリを作成して移動します。

mkdir myproject && cd myproject

Python 仮想環境のセットアップ

Python の 仮想環境（venv） とは、プロジェクトごとに独立したパッケージ環境を作る仕組みです。異なるプロジェクトで異なるバージョンのライブラリを使い分けられるため、開発では必ず利用することが推奨されています。

django という名前の仮想環境を作成し、有効化します。

python3 -m venv django
source ./django/bin/activate
# (django) がプロンプトの先頭に表示されれば有効化成功

pip で Django をインストール

仮想環境が有効な状態で Django をインストールします。

pip3 install django

Successfully installed django-x.x.x と表示されればインストール完了です。

ステップ5：Django プロジェクトの作成と起動

プロジェクトの作成

django-admin startproject <プロジェクト名> でプロジェクトの雛形を生成します。

django-admin startproject firstproject
cd firstproject

ローカルサーバーの起動

python3 manage.py runserver

起動に成功すると以下のように表示されます。

Watching for file changes with StatReloader
Performing system checks...

System check identified no issues (0 silenced).

You have 18 unapplied migration(s). Your project may not work properly until you apply the migrations for app(s): admin, auth, contenttypes, sessions.
Run 'python manage.py migrate' to apply them.

Django version 4.0.4, using settings 'firstproject.settings'
Starting development server at http://127.0.0.1:8000/
Quit the server with CONTROL-C.

unapplied migration(s) という警告が表示されますが、これはDjangoの内部データベース（管理画面・認証機能用）がまだ初期化されていないためです。動作確認だけなら無視して問題ありません。後で python3 manage.py migrate を実行すると解消できます。

ブラウザで http://127.0.0.1:8000/ を開き、Djangoのウェルカムページが表示されれば成功です。

まとめ

MacへのDjangoインストール手順をまとめます。

Homebrew をインストール
brew install python3 で Python を導入
~/.zprofile でパスを設定
python3 -m venv で仮想環境を作成・有効化
pip3 install django でインストール
django-admin startproject でプロジェクト作成
python3 manage.py runserver でサーバー起動

次のステップとして、Django公式チュートリアルを進めると、ビュー・モデル・テンプレートの基本が体系的に学べます。

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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

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

【Mac】DjangoをHomebrewでインストールしてローカルサーバーを起動する方法【初心者向け】

検証環境

Django とは？

ステップ1：Homebrew のインストール

ステップ2：Python のインストール

ステップ3：Python のパスを通す

ステップ4：Django のインストール

作業フォルダの作成

Python 仮想環境のセットアップ

pip で Django をインストール

ステップ5：Django プロジェクトの作成と起動

プロジェクトの作成

ローカルサーバーの起動

まとめ