平成21年度東京芸術大学公開講座：2009年8月8～9日

フィジカルコンピューティングワークショップ

小林茂1・原田克彦2・松村誠一郎3・星卓哉3

1 岐阜県立国際情報科学芸術アカデミー／2 東京工芸大学／3 東京芸術大学芸術情報センター

1日目の予定

• イントロダクション（10:00～11:00）• 基礎知識（11:00～12:00）• Funnelライブラリ紹介（13:00～14:30）• 無線通信とFIO（15:00～16:30）• アプリケーション紹介（16:30～17:00）• アイデアスケッチ（17:30～18:00）• スケッチ発表＆質疑応答（18:00～19:00）

2日目の予定

• 補足説明（10:00～12:00）• 制作（13:00～16:00）• プレゼンテーション＆体験（16:30～18:00）• 質疑応答＆まとめ（18:00～19:00）

配布物一覧（1/2）

品名 品番など 数Gainer I/Oモジュール 1個USBケーブル A-BとA-miniB 各1本ブレッドボード SAD-01 1個ジャンプワイヤ（柔） SPP-100 適量ジャンプワイヤ（硬） SKS-140 適量抵抗器（橙橙茶金） 330Ω 1個抵抗器（茶緑茶金） 150Ω 2個抵抗器（茶黒橙金） 10kΩ 1個ボリューム 10kΩ（Bカーブ） 1個CdSセル 5mm 1個LED 緑・青など 1個

配布物一覧（2/2）

品名 品番など 数加速度センサ KMX52-1050 1個フルカラーLED OSTA71A1D-A 1個距離センサ GP2Y0A21 1個距離センサ用ケーブル RBSCGP 1個タクトスイッチ 6mm角 1個

自己紹介

• 1970年愛知県名古屋市生まれ• ローランド株式会社（1993～2004）

– サウンドデザイナー– 技術研究所– ソフトウェアエンジニア

• IAMAS（2004～）– フィジカルコンピューティング– インタラクションデザイン

自己紹介：書籍（共著）

＋GAINER

GainerBook Labo＋くるくる研究室（九天社・2007年／オーム社・2008年）

自己紹介：書籍（監修）Making Things TalkArduinoで作る「会話」するモノたち

Tom Igoe 著・小林 茂 監訳・水原 文 翻訳（オライリー・2008年）

自己紹介：書籍（執筆）

Make日本語版Volume 04特集「Sketchーハードウェアでスケッチする」

オライリー・ジャパン編（オライリー・ジャパン・2008年）

自己紹介：書籍（執筆）

Make日本語版Volume 05「Sketch / Prototype―素材として使える電子回路」

オライリー・ジャパン編（オライリー・ジャパン・2008年）

自己紹介：書籍（執筆）

Make日本語版Volume 06「Prototyping Lab: オープンソースハードウェア開発の実際」

オライリー・ジャパン編（オライリー・ジャパン・2009年）

自己紹介：書籍（執筆）

Make日本語版Volume 07「Prototyping Lab: Jamming Gear」

オライリー・ジャパン編（オライリー・ジャパン・2009年）

ツールキット開発の動機

• ハードは気軽にスケッチできない• 実際に動くまでは想像で進めるしかない• デザイナーとエンジニアの共通言語がない

→プロトタイピングのプロセスで使える　メソッドとツールキットが必要なのでは？

フィジカルコンピューティングとは？

• ニューヨーク大学の ITP*1でTom Igoeらが中心となって教えているコースの名前

• インタラクションデザインを教えるための方法の1つ

• コンピュータが理解したり反応できる人間のフィジカルな表現の幅をいかに増やすか

• デザインやアート教育の1つの分野として定着

*1 Interactive Telecommunications Program

フィジカルコンピューティングの構成要素

• センサやカメラ（例：光、圧力、音、温度、加速度など）• アクチュエータ（例：LED、モータ、ソレノイドなど）• プロセッサ（例：マイコン、I/Oモジュール＋PCなど）

→ものすごく簡単にまとめると　プログラミング＋電子工作

作品紹介1：Mountain Guitar

• 金箱淳一• 音楽表現のためのギター型インタフェース

– 親しみやすさ– 演奏の奥深さ

• 各種センサ＋ I/Oモジュール＋PC

• IAMAS東京展「いまからだ」などで展示• 学生CGコンテストなど受賞多数

作品紹介1：Mountain Guitar（展示）• Ars Electronica 2007 campus2.0

リンツ（オーストリア）• IAMAS東京展「いまからだ」青山スパイラルガーデン（東京）

• アジアデジタルアート2007大賞展福岡アジア美術館（福岡）

• 第11回 文化庁メディア芸術祭国立新美術館（東京）

作品紹介2：Jamming Gear

• 菅野創×西郷憲一郎• ギヤの組合せにより音楽を演奏

– 歯数が異なるギアの組合せによる変化– ミニマルミュージックを視覚的に表現

• 各種センサ×FIO×Max/MSP×PC

• Ars Electronica 2009 Digital Music部門Honorary Mention受賞

作品紹介3：アクション！ ゆびにんぎょう

• 笠原友美• ゆびにんぎょうが歩くと音が出る• 各種センサ×XBee×Funnel×PC

• Make: Tokyo Meeting 01-02やIAMAS Gangu Project展などで展示

プロトタイピング・メソッド

• リサーチ• アイデアスケッチ• ハードウェアスケッチ• プロトタイプ制作• 展示• リフレクション

ハードウェアスケッチ？

• 安価で簡単に加工できる材料で作る• センサやアクチュエータも組込む• 体験さえできれば最終で想定しているのと異なる実現方法でも構わない

※参照：littleBits coffemaker*2

*2 http://www.vimeo.com/1389390

ハードウェアスケッチのメリット

• 早い段階で面白いかどうかを判断できる– 時間やお金をかけると捨てられなくなる– 作りながら考えることができる

• 体験を共有しながらディスカッションできる– アイデアと人格を分離できる– 過去の経験にとらわれずに判断できる

フィジカルコンピューティングとは？

一般的なPCから見た人間は？

• キー情報（ASCIIキーボードから）• マウス情報（1つのマウスから）

→帯域幅はいったい何bps？

Alto (1973)

出典：http://toastytech.com/guis/

プログラミング＋電子工作？

フィジカルコンピューティングは難しい？

• プログラミングはそれなりのスキルが必要（例：ActionScript、C、C++、Javaなど）• 電子工作にもそれなりのスキルが必要（例：回路設計、実装、検証）• 両方のスキルが必要ということは…

プログラミング＋電子工作？

フィジカルコンピューティングは難しい？

• 確かに習得するまでにはそれなりの努力が必要• できあがった結果は直接的に人間の感覚に訴えるものになる（はず）

プログラミング＋電子工作？

最近では扱いやすいプラットホームが登場

• プログラミング– Flash

– Processing

– Max/MSP

• 電子回路のスケッチ– Gainer

– Arduino

– Phidgets

フィジカルな世界とつなぐ方法

マイコンのみ（例：Arduino、Wiring、PIC）a

b

c

d

A

B

C

D

マイコンmicrocontroller

program

a0]=ain.o;aout.1 = 255;

フィジカルな世界とつなぐ方法

マイコン＋PC（例：Arduino、Wiring）a

b

c

d

A

B

C

D

マイコンmicrocontroller

PC

USB

program

a0]=ain.o;aout.1 = 255;

program

a0]=ain.o;aout.1 = 255;

Arduinoボード

写真：SparkFun Electronics

フィジカルな世界とつなぐ方法

I/Oモジュール＋PC（例：Gainer、Phidgets）a

b

c

d

A

B

C

D

I/OモジュールI/O module

PC

USB

program

a0]=ain.o;aout.1 = 255;

Phidgets

Gainerとは？

オープンソース・ハード＆ソフトのツールキット

• I/Oモジュール• ソフトウェア・ライブラリ

– ActionScript 2/3

– Processing

– Max/MSP

Gainer I/Oモジュール

写真撮影：高尾俊介

I/Oモジュール＋ブレッドボード

写真撮影：高尾俊介

さまざまな電子部品

写真撮影：高尾俊介

I/Oモジュール＋ブレッドボード＋部品

写真撮影：高尾俊介

入力：曲げ

写真撮影：高尾俊介

出力：LEDアレイ

写真撮影：高尾俊介

出力：振動モータ

写真撮影：高尾俊介

ワークショップのデザインと実践について

• 2008年度には公開・非公開合わせて8回のワークショップを開催（参加人数：約130名）

• 主な参加者層– デザインやアートを専攻する学生– 企業のインハウスデザイナー– エンジニア

ワークショップの構成

• イントロダクション• 電子回路の基礎知識• 基本的な入出力• 入出力に対するさまざまな処理• テーマ設定• 制作• プレゼン

以上を最短2時間から最長3日間までで行う

ワークショップの例

HELLO!!フィジカルコンピューティング

• 日時：2007.12.22-23

• 場所：山口情報芸術センター• 参加者：19名• 言語：日本語• 環境：Processing×Funnel×Gainer I/O

ワークショップのデザイン

• ワークショップ中では一貫して「スケッチ」という用語を用いる

• ハードウェアでのスケッチをデザインプロセスの中の一部として位置づける

• 最後に課題に基づく制作を行ってプレゼン• 体験の一部を実現できていればOK

イントロダクションのおわりに今後携帯電話は、人々にとってどのような存在になるのか？あんなに小さなキーを押して長いメールの文章をやり取りするなどということは誰も想像ができなかったと思います。携帯情報機器の進化は人間が持ち合わせた機能やセンサーの優秀さや精密さをあらためて人間に教えてくれます。予想もできなかった人間の隠された能力や機能がこのような電子機器によって露になるということがいえます。これからの驚きは、機械の進化ではなく、それを使いこなす人間の機能に気づくことだと思います。

深澤直人（携帯電話のデザインロジック・2008年）

電圧～電流～抵抗

電気の流れは水の流れのようなもの

• 電圧– 2点間の高度（電位）の違い– 基準点が必要（GND）– 単位はボルト（V）

電圧のイメージ図

低高

電圧～電流～抵抗

電気の流れは水の流れのようなもの

• 電流– 電圧の高いところから低いところに流れる– 単位はアンペア（A）

電流のイメージ図

少多

電圧～電流～抵抗

電気の流れは水の流れのようなもの

• 抵抗– 電流の流れにくさ– 単位はオーム（Ω）

抵抗のイメージ図

低 高

電圧～電流～抵抗

よく出てくる補助単位の例

• 1,000倍を表すキロ（例：1kΩ）• 1,000,000倍を表すメガ（例：1MΩ）• 1

1,000を表すミリ（例：1mA）• 1

1,000,000を表すマイクロ（例：50µA）

回路図ってなに？

回路図ってなに？

回路図は電子回路の設計図

• シンボルで表した電子部品の接続を示したもの• シンボルに若干のバリエーションはあるが、基本的には全世界共通

電源の回路図シンボル

+5V GND

スイッチの回路図シンボルと部品例

抵抗器の回路図シンボルと部品例

可変抵抗器の回路図シンボルと部品例

LEDの回路図シンボルと部品例

ブレッドボードってなに？

• 部品の足を穴にさすことで電子回路を形成• はんだ付け不要

– 部品を再利用できる– 回路を組み間違えてもやり直しできる– 耐久性にはやや注意が必要

ブレッドボードの構造

• 横方向のブロックは背面で接続• 縦方向のブロックは未接続• 電源用のエリアは専用に用意されている

LEDを点灯させてみよう

LEDを点灯させてみよう

どうして抵抗器が必要なの？

• LEDには適切な電流の範囲がある（例：20mA）• その範囲を超えると簡単に焼き切れてしまう• 適切な値の抵抗器を用いて電流を制限する• 適切な抵抗値はどうやって求める？→オームの法則を用いて計算する

※抵抗器で電流を制限する方法が全てではありません

オームの法則

電圧～電流～抵抗の関係

V = I × R

• Vは電圧で単位はV（ボルト）• Iは電流で単位はA（アンペア）• Rは抵抗で単位はΩ（オーム）

オームの法則

電源電圧− LEDの電圧 = LEDに流したい電流× R

Rを求めるためにこの式を変形

R =電源電圧− LEDの電圧LEDに流したい電流

例：電源電圧が5.0V、LEDの電圧が1.8V、電流が10mA

R =5 − 1.8

0.01=

3.2

0.01= ？

※実際には計算結果に近い値の抵抗器を用いる

例：LEDを点灯させてみる

参照：ジャンプワイヤの色分け

• 赤：電源の＋側（+5V）• 黒：電源のー側（GND）• 白・青・黄：センサとの接続など

例：LEDを点灯させてみる（NG）

の方向が違うワイヤをさす位置が違う

にささっていない

実習：LEDをスイッチでオン／オフさせてみる

実習：LEDをスイッチでオン／オフさせてみる

7

physical × wonderflで試してみよう

フィジカルコンピューティングの難しさ

• 実際にハードウェアがないと体験できない• さまざまなコード例を一度にみることができない

wonderflとは？

http://wonderfl.net

• 面白法人カヤックによるウェブサービス• ウェブブラウザ上でFlashを作成

– スクラッチから作る– 既存のコードから fork（派生）させる

• 2008年12月の公開後9,000人以上の登録ユーザと28,000以上の実働するAS3用サンプル

physical × wonderflとは？

http://physical.wonderfl.net

• IAMASとカヤックの産学共同研究• wonderflにフィジカルコンピューティング用の機能を追加– ソフトウェアライブラリ（Funnel）を変更– 配線図用の画像や動画の埋め込み– ハードウェアなしで利用できるGUI

• 2009年7月24日に公開

プロジェクトメンバー

• wonderfl開発チーム– 橋本 和宏– 大塚 雅和

• IAMAS wxpプロジェクト– 小林 茂・平林 真実・古堅 真彦・鈴木 宣也– 金 聖勲（hoonida-kim）・三宅 太門– 江島 和臣・大総 佑馬・菊地 礼雄・金 正運小牧 栞奈・竹本 香織・朴 永孝・三澤 太智

デモ：physical × wonderfl

• オンラインでコードを書く• ハードウェアなしで動かしてみる• ハードウェアありで動かしてみる

登録ユーザができること

• コードを書いて公開する• フィードバックを得る• 共有する• 質問する

潜在ユーザができること

• ハードウェアなしで試す• フィジカルコンピューティングの可能性を感じる

• 実働するサンプルで学ぶ

physical × wonderflのサンプルを試してみよう

• http://tinyurl.com/nbspoe

• http://tinyurl.com/nho2rx

Funnelとは？：背景

Gainerで入門した後の「壁」

• Gainerはいわばシンプルなドライバ• 実世界の情報を扱うのは容易ではない• 時間軸を扱うプログラミングは複雑になりがち• プロトタイプにはそれなりのクオリティが必要

Funnelとは？：背景

全用途をカバーできるツールキットはない

• 段階や目的に応じて使い分けた方が効率的• 多くのライブラリは特定のハードウェアに特化• ツールキットの使い分けは容易ではない

Funnelとは？：背景

有線接続だと体験に制限がでてしまう

• 有線と比較して無線は敷居が高い– バッテリ駆動が面倒– トラブルシューティングが大変– コストがかかる– メッセージが届かないかもしれない

• 簡単に利用できる無線接続が必要

Funnelとは？：基本方針

• シンプルで透明• スケッチ～プロトタイプまで使える• デザイナーとエンジニアの「共通言語」に

Funnelとは？：関連Sketching User ExperiencesGetting the Design Right and the Right Design

Bill Buxton（Morgan Kaufmann Pub・2007年）

Funnelとは？：関連

出典：Bill Buxton, Sketching User Experiences (2008)

Funnelの特徴

• 入出力をより簡単に扱うためのフィルタ– 不要な変動を除去（Convolution）– 入力を設定した閾値で分割（SetPoint）– スケーリング（Scaler）– オシレータ（Osc）

• 複数の I/Oモジュールに対応

Funnelの構成

USB XBeeBridge

GainerI/O Module

Arduino(with Firmata)

USB XBeeBridge

Funnel Server

ActionScript 3 ProcessingMax/MSPetc.

Ruby

AS3 Library Processing Library OSC LibrariesRuby Library

FIO XBeeFIO XBee

なぜActionScritpt 3とProcessingか

• ActionScript 3

– デザイナーとエンジニア双方が利用する言語– さまざまな開発環境がある– 教育～商用まで幅広く利用される

• Processing

– 無償で利用できる– サンプルが充実– Javaによる拡張が容易

ソフトウェアライブラリの基本方針

• 独自のプログラミング言語を設計しない• ベースとする言語に溶込む言語拡張ライブラリ• 新規性よりも普遍性を重視

プログラム例（Gainer）

コード例 1 ボタンが押されたらサウンドを再生

var lastState = -1; // 前回の状態を記憶するための変数var t = 127; // 閾値（この値を基準にセンサの状態を判断）var h = 20; // ヒステリシス（誤動作を防ぐための遊び部分）var gio = new Gainer();

function loop():void

var state = lastState;

var val = gio.analogInput[0]; // センサ（アナログ入力0）の値if (val < (t - h)) // 値が一定値より小さければ

state = 0; // 状態を0 にセットelse if (val > (t + h)) // 値が一定値より大きければ

state = 1; // 状態を1 にセットif (lastState == 0 && state == 1) // 前回が0で今回が1なら

sound.start(); // サウンドを再生するlastState = state; // 現在の値を前回の値として記憶

プログラム例（Funnel）

コード例 2 ボタンが押されたらサウンドを再生

var gio = new Gainer();

// 指定した値で入力を分割するフィルタをセットgio.addFilter(new SetPoint(0.5, 0.1));

// 値が０から０以外に変化するイベントに対してリスナをセットgio.addEventListener(RISING_EDGE, onButtonPress);

// イベントが発生した時に以下を実行function onButtonPress(e:Event):void

sound.start(); // サウンドを再生する

フィジカルなUIをシンプルに表現するクラス

• ボタン• ボリューム• 加速度センサ• LED

• フルカラーLED

• モータドライバ（Hブリッジ）

フィジカルなUIをシンプルに表現する

コード例 3 ボタンでLEDをコントロールする例

var gio:Gainer = new Gainer();

// ボタンが押されたらgio.button.addEventListener(PRESS, function(e:Event):void

gio.led.blink(200, 1); // LEDを200ms周期で1回点滅);

// ボタンが長押しされたらgio.button.addEventListener(LONG_PRESS, function(e:Event):void

gio.led.blink(200, 3); // LEDを200ms周期で3回点滅);

Gainer I/Oの入力について

入力には2種類ある

• デジタル入力（din：0か1かの2段階）– スイッチなど– 状態がシンプルで取扱が簡単

• アナログ入力（ain：0～1の256段階）– 出力電圧が変化するセンサなど– 連続変化を扱うことができる

din 0にスイッチを接続

din 0にスイッチを接続

入力が変化した瞬間をとらえる

• 前回の値と現在の値を比較する• 変化した瞬間をイベントとしてとらえる

– 立ち上がり（rising edge）– 立ち下がり（falling edge）

Funnelでのイベント処理

参照：http://tinyurl.com/no7bvt

コード例 4 立ち上がりと立ち下がりを検出する例

var gio:Gainer = new Gainer();

gio.digitalInput(0).addEventListener(RISING_EDGE, function(e:Event):void

// 立ち上がり（0から1への変化）);

gio.digitalInput(0).addEventListener(FALLING_EDGE, function(e:Event):void

// 立ち下がり（1から0への変化）);

ain 0にボリュームを接続

ain 0にボリュームを接続

ain 0にボリュームを接続

• SignalScope（http://tinyurl.com/kovuvl）を実行

• ボリュームを回して変化を確認• ain 1が不安定なのはなぜ？• どうしてボリュームを回すと電圧が変わるの？

抵抗分圧

抵抗分圧

ain 0に光センサ（CdSセル）を接続

ain 0に光センサ（CdSセル）を接続

ain 0に光センサ（CdSセル）を接続

参照：http://tinyurl.com/mbh74x

• ボリュームの場合と何かが違う？• SignalScopeで入力の範囲を調べる• スケーリングを適切に設定する• 意図した通りになったかどうか確認

Scalerを使ったスケーリング

参照：http://tinyurl.com/ktt7w8

コード例 5 Scalerを使ったスケーリングの例

gio = new Gainer();

gio.analogInput(0).filters = [new Scaler(0.2, 0.6, 0, 1, Scaler.LINEAR, true)];

入力を複数の範囲に分割する

• 閾値とヒステリシス– 閾値は判断の基準となる値– ヒステリシスは不要な変動を取り除くための不感帯

• 条件分岐を組み合わせて複数の範囲に分割

SetPointを使った場合

参照：http://tinyurl.com/mku948

コード例 6 SetPointを使った範囲分割の例

gio = new Gainer();

gio.analogInput(0).filters = [new SetPoint([0.5, 0.1])];

gio.analogInput(0).addEventListener(RISING_EDGE, onRisingEdge);

gio.analogInput(0).addEventListener(FALLING_EDGE, onFallingEdge);

ain 0に曲げセンサを接続

ain 0に距離センサを接続

ain 0に距離センサを接続

ain 0に距離センサを接続

• PSD測距センサの出力はリニアではない• 距離に変換するためには直線ではない→スケーリングが必要

（参考）ain 0に感圧センサを接続

（参考）ain 0に感圧センサを接続

（参考）ain 0にSoftPotを接続

（参考）ain 0にSoftPotを接続

0°

（参考）ain 0にSoftPotを接続

• 押さえている間は値が安定• 指を離すと値が不定になる• どうすれば指を離した時を検出できる？

ainに加速度センサを接続

ainに加速度センサを接続

加速度センサの用途

• 動きの検出• 傾きの検出→なぜ加速度センサで傾きが検出できるの？

傾きを検出する原理

センサの出力から角度を求める

参照：http://tinyurl.com/l2ojfc

• フィルタで細かい動きを取り除く• -1から+1までにスケーリングする• 逆sin関数を用いて角度に変換する• 必要に応じてラジアンから度に変換する

フィルタリング

• 細かな変動を取り除く（移動平均）• 高い周波数の変動成分を取り除く（LPF）• 低い周波数の変動成分を取り除く（HPF）

Convolutionを使った移動平均

参照：http://tinyurl.com/nb6xto

コード例 7 Convolutionを使った移動平均フィルタの例

gio = new Gainer();

gio.analogInput(0).filters = [new Convolution(Convolution.MOVING_AVERAGE)];

加速度センサで表示をコントロールする

コード例 8 加速度センサの出力で角度をコントロールする例

public function GainerAccelerometer()

gio = new Gainer();

board = new Shape();

...

this.addChild(board);

var smoother:Convolution = new Convolution(Convolution.MOVING_AVERAGE);

var scaler:Scaler = new Scaler(0.30, 0.70, -1, 1, Scaler.LINEAR, true);

gio.analogInput(1).filters = [smoother, scaler];

addEventListener(Event.ENTER_FRAME, loop);

private function loop(event:Event):void

board.rotation = Math.asin(gio.analogInput(1).value) / Math.PI * 180;

Gainer I/Oの出力について

出力には2種類ある

• デジタル出力（dout：0か1かの2段階）– LED、モータなど– 状態がシンプルで取扱が簡単

• アナログ出力（aout：0～255の256段階）*3

– LED、モータなど– 連続的な変化を扱うことができる

*3 実際にはPWMによる疑似アナログ出力

マウスによる制御

コード例 9 マウスで I/Oモジュール上のLEDを制御

public function GainerLED()

...

var circle:Sprite = new Sprite();

...

this.addChild(circle);

circle.addEventListener(MouseEvent.MOUSE_DOWN, mousePressed);

circle.addEventListener(MouseEvent.MOUSE_UP, mouseReleased);

private function mousePressed(e:MouseEvent):void

gio.led.value = 1;

private function mouseReleased(e:MouseEvent):void

gio.led.value = 0;

ボタンによる制御

コード例 10 ボタンで I/Oモジュール上のLEDを制御（LED button.fla）

public function GainerLED()

gio = new Gainer();

gio.button.addEventListener(PinEvent.RISING_EDGE, buttonPressed);

gio.button.addEventListener(PinEvent.FALLING_EDGE, buttonReleased);

private function buttonPressed(e:PinEvent):void

gio.led.value = 1;

private function buttonReleased(e:PinEvent):void

gio.led.value = 0;

dout 0にLEDを接続

dout 0にLEDを接続

デジタル出力の制御

参照：http://tinyurl.com/mtrq6f

aout 0にLEDを接続

aout 0にLEDを接続

アナログ出力の制御

参照：http://tinyurl.com/nbspoe

OscでLEDを点滅させる

参照：http://tinyurl.com/nh4287

Flash IDEで試してみる

• wonderflでサンプルを選ぶ• wonderflからコードをダウンロード• ファイル名をクラス名に応じて変更• flaファイルのメインクラスに指定• マウス入力をセンサ入力で置き換える

配布物一覧（追加）

FIO 1個ブレッドボード EIC-801 1個ピンヘッダ 1個バッテリ 1個XBee 2個XBee Explorer USB 1個

FIO (Funnel I/O)とは？

• LilyPad Arduino v1.6がベース• リチウムポリマー電池用の充電器を搭載• XBeeを搭載可能

FIO (Funnel I/O) v1.3

FIO (Funnel I/O) v1.3

FIO (Funnel I/O) v1.3

+-

FIO (Funnel I/O) v1.3

FIO v1.3 vs Funnel IO Remixed

Arduinoとは？

• Hernando Barraganが IDII*4にいた時に開発を始めたWiringがベース

• 電子回路をプロトタイピングするためのオープンソースのプラットフォーム

• IDEとArduino I/Oボードから構成される

*4 Interaction Design Institute Ivrea

Wiring

写真：SparkFun Electronics

Arduino Duemilanove

写真：SparkFun Electronics

Arduino IDE

オープンソース・ハードウェアとは？

• ハードウェアのデザインデータがオープン– 回路図– 基板レイアウト

• ライセンスに基づいて自由に改変できる

LilyPad Arduino

写真：SparkFun Electronics

Arduino Pro Mini

写真：SparkFun Electronics

Arduino ProtoShield

写真：SparkFun Electronics

Arduino XBee Shield

写真：SparkFun Electronics

Arduinoの各部紹介

デジタル入出力 x14

アナログ入力 x6GND +5V

GND

Gainer I/OとArduinoの比較

Gainer I/O Arduino Duemilanove

入出力ピン 16 20

A/D 8（8bit） 6（10bit）PWM 8（8bit） 6（8bit）

ユーザボタン 1 0

ユーザLED 1 1（D13に接続）オープンソース Yes Yes

スタンドアロン No Yes

重点 簡単 拡張性

Arduinoを用いるメリットは？

• シンプルに記述できる• 非プログラマでも取り組みやすい• 多くの利用例が公開されている• 登場する「おまじない」が少ない

比較：ArduinoでのLED点滅

コード例 11 Arduino言語でのLED点滅

int ledPin = 13;

void setup()

pinMode(ledPin, OUTPUT);

void loop()

digitalWrite(ledPin, HIGH);

delay(1000);

digitalWrite(ledPin, LOW);

delay(1000);

比較：通常のC言語でのLED点滅

コード例 12 通常のC言語でのLED点滅の例

#include <avr/io.h>

#include <avr/pgmspace.h>

#include <avr/delay.h>

#define CLK_CALIB_DATA (FLASHEND - 3)

void init()

uint8_t osccal_data = pgm_read_byte(CLK_CALIB_DATA);

if (osccal_data != 0xff) OSCCAL = osccal_data;

DDRB = 0xff;

DDRD = 0xff;

return;

比較：通常のC言語でのLED点滅

コード例 13 通常のC言語でのLED点滅の例（続き）

void delay_ms(uint16_t t)

while (t--) _delay_ms(1);

int main(void)

init();

for (; ;)

PORTB = 0xff;

delay_ms(500);

PORTB = 0x00;

delay_ms(500);

return 0;

Arduinoを用いるデメリットは？

• C/C++ベースなのでサイズが大きくなりがち• 実行速度の面で不利な場合もある• デバッガは利用できない

ArduinoとPCをつなぐ方法

• 有線– シリアル– USB

– Ethernet

• 無線– Bluetooth

– IEEE 802.15.4 / ZigBee

どのようにデータをやり取りするかについて取り決め（＝プロトコル）が必要

プロトコル：Firmata

http://firmata.org/

• Hans-Christoph Steinerが提案• MIDIを参考にしたプロトコル• Arduino 0012から標準に

Firmataに対応したPC側のライブラリ

• Pd (aka Pure Data)

• Processing

• Funnel

• Linux C++

• C++/openFrameworks

さまざまな無線通信の方式

BAN PAN LAN MAN

伝送速度

伝送距離1m 10m 100m 1km

1k

10k

100k

1M

10M

100M

ZigBee/IEEE 802.15.4

Bluetooth

ANT

IEEE 802.11b

IEEE 802.11a/g

IEEE 802.11n

10G

0.1m

さまざまな無線通信の方式とその特徴

Wi-Fi Bluetooth 802.15.4/ZigBee

IEEE規格 802.11a/b/g/n 802.15.1 802.15.4

周波数帯 2.4GHz/5GHz 2.4GHz 866MHz/915MHz/2.4GHz

通信距離 最大100m程度 最大100m程度 100m以上（2.4GHz）最大通信速度 最大300Mbps 最大3Mbps 最大250kbps（2.4GHz）接続ノード数 32 7 65535

電池寿命 数時間 数日 数年ネットワーク構成 スター型 スター型 スター型・メッシュ型など

主な用途 無線LAN 携帯電話 セキュリティ機器

表1 主な無線通信規格の比較

IEEE 802.15.4デバイスの種類

• コーディネータ（1個）• エンド・デバイス（複数）

IEEE 802.15.4で可能なネットワークトポロジ

Point to Point

Point to Multi

Star

802.15.4 Coordinator802.15.4 End Device

ZigBeeデバイスの種類

• コーディネータ（1個）• ルータ（複数）• エンド・デバイス（複数）

ZigBeeで可能なネットワークトポロジ

MeshCoordinator

End DeviceRouter

XBeeの特長

• IEEE 802.15.4とZigBeeの2つのモデル*5

– XBee 802.15.4

– XBee ZB ZigBee PRO

• 比較的低価格（国内モデルで約3500円）• 日本国内でも利用できるよう認証取得済み• 利用方法を解説した書籍がある

*5 モデル間での相互接続性はない

XBeeの注意点

• 電源電圧は5Vではない• UDPと同様に相手にパケットが届くことが保証されない

• 同じチャンネルを使用するデバイス全体で帯域幅は100kbps程度

XBeeの設定方法

以下をそれぞれのXBeeについて設定

• hardware/fio/tool/XBeeConfigToolを起動• シリアルポートを選択• PAN IDを設定• コーディネータ／エンドデバイスを選択• エンドデバイスの場合はMY IDを設定• Configureボタンで設定を書込み

FIO：動作確認

• XBee Explorer USBをPCに接続• Arduino 16を起動• Tools→BoardからArduino Pro/ Pro Mini

(8MHz)を選択• Tools→Serial Portからシリアルポートを選択• Open→Examples→Digital→Blinkを選択• Upload to I/O Boardでアップロード

FIO：準備

• hardware/fio/firmware/FioStandardFirmataを選択

• Upload to I/O Boardでアップロード

FIO：動作確認

• FIOの電源をオンにする• XBee Explorer USBをPCに接続• Funnel Serverを起動• 次のサンプルで確認

– http://tinyurl.com/n4c7a5

– http://tinyurl.com/kp7jqs

FIOにLEDを接続

FIOに加速度センサを接続

平成21年度東京芸術大学公開講座：2009年8月8～9日

フィジカルコンピューティングワークショップ

小林茂1・原田克彦2・松村誠一郎3・星卓哉3

1 岐阜県立国際情報科学芸術アカデミー／2 東京工芸大学／3 東京芸術大学芸術情報センター