Raspberry Pi GPIOをPythonでマスター：ステップバイステップチュートリアル

GPIOピンは、すべての種類のRaspberry Piマイクロコントローラの主要な特徴です。その入力は、シングルボードコンピュータ（SBC）の機能拡張において特に重要です。PiのGPIOピンを詳細に探り、Python言語でプログラミングする方法をこのRaspberry Pi GPIOチュートリアルで紹介します。

GPIOとは、どう動作するか

図1：GPIOピン

General Purpose Input Output（GPIO）は、Raspberry PiマイクロコントローラやSBCで一般的なインターフェースを表します。これらはRaspberry Pi Zeroや他のRaspberryモジュールの入出力ピン端子です。

したがって、これらのピンを通じて赤外線送信機やモーターなどの電子部品を接続できます。また、Raspbianのどのバージョンにもある穴の列は、外部物理コンポーネントからのデータ受信に役立ちます。これにはスイッチやセンサーモジュールが含まれます。

まず、ピンが要求通りに機能するようハードウェアセットアップを正しく行う必要があります。次に、あらゆるタイプのPiモデルでピンの動作を容易にするためのソフトウェア設定も必要です。

Raspberry Pi GPIOピンアウトの解説

図2：Raspberry Piマイクロコントローラ

Raspberry Pi B+、Raspberry Pi Zero、またはRaspberry Pi OSを搭載したマイクロコントローラでは、40ピンヘッダーがあります。

しかし、初期のRaspberry Piバージョンの物理コンピューティングは異なりました。例：Raspberry Pi Model Bは26ピンでした。

注目すべきは、Raspberry Pi OSのすべての40 GPIOピンにはそれぞれ固有の機能があることです。したがって、初期セットアップ時に機能を正しく把握することが不可欠です。

各ピンモードの詳細な説明です。

Raspberry Pi GPIOピンをPythonでプログラミングする方法

図3：Pythonコーディング概念のイラスト

このGPIOチュートリアルでは、GPIOピンを通じてPiで実行されるソフトウェアによるハードウェアコンポーネントの制御方法を探ります。

ハードウェアセットアップ

このPi GPIOチュートリアルのハードウェアセットアップには、Pi Wedgeブレークアウトキットが推奨されます。ただし、これがない場合は、オス-メスジャンパーワイヤーを使って、利用可能なブレッドボードメイトへの接続を支援できます。

以下のコンポーネントも必要です：

• ブレッドボードとブレッドボードレール
• オスジャンパーワイヤーとメスジャンパーワイヤー
• プルアップ抵抗（内部プルアップ）とプルダウン抵抗
• 330Ω抵抗
• 受動赤外線センサーまたはLED

Python Gpiozero APIライブラリ

Raspberry Piの入出力ピンをPythonで制御するにはこのライブラリが必要です。Python-Projectsディレクトリにアクセスして動作を理解する必要はありません。ほとんどのPiコンポーネントがライブラリで定義されているからです。

Python (RPi.GPIO) APIのセットアップ方法

図4：Python言語の概念

Raspbian OSを使用する場合、Python GPIOライブラリをダウンロードする必要はありません。デフォルトで利用可能だからです。しかし、Raspbian以外の場合、他のプログラミング言語でインストールするための特定のコマンドを使用する必要があります。

Raspbian OSをインストールしたら、Gpiozero Importのインポートパスを実行してインポートします。インポート時間は長くなく、完了したら次のステップに進めます。

注：PythonをインストールするためにOSが必ずしもRaspbianである必要はありません。Raspbian OSはPythonライブラリのセットアップへの簡単なパスを提供します。

Pythonのセットアップ

主に、このプロジェクトにはRPi.GPIOモジュールが必要です。前述の通り、Python (RPi.GPIO) APIを使えば、GPIOピンの動作を有効化するためにファイルをダウンロードする必要はありません。

セットアップ手順

まず、以下のステートメントを実行します：

次に、このプロジェクトで使用する理想的なピン番号体系を選択します。以下の番号スキームから選べます：

• Broadcomチップ固有のピン（BCMモード）
• ボード番号スキーム

次に、ピンモードを設定します。以下のコマンドを実行するとピンモードのセットアップが容易になります。

Raspberry Pi GPIOプロジェクト

図5：Raspberry Pi

ハードウェアとソフトウェアの設定が理解できたら、Raspi-Configツールを使って以下のようなクールなプロジェクトが可能です。上記のPi GPIOチュートリアルを理解すれば、さまざまなフィジカルコンピューティングプロジェクトに取り組めます。

可能なPi GPIOチュートリアルプロジェクト：

• Raspberry Pi赤外線モーションセンサー / モーションイベント検出器
• Raspberry Piモーション検知アラーム
• Raspberry Pi Imagerプロジェクト

結論

以上が、GPIOヘッダーピンをさまざまな外部コンポーネントや各種入力への接続とともに設定する方法です。ピンヘッダー行（GPIOピン）がRaspberry Pi Zeroを驚異的なコンピューティングデバイスにしています。この必須ツールについてさらにご質問があれば、いつでもお問い合わせください。