20ドルで実現するZigbeeドアチャイム - スマートホーム音声アラート

プロジェクト概要

SmartThingsなどのホームオートメーションシステムを構築していると、ドアや窓の開閉、異常気象の警告、育児室の温度上昇など、家屋内の状態変化を音で知らせる「ドアチャイム」のニーズが出てきます。市販のセキュリティシステムでは標準的な機能ですが、Zigbee/Z-Waveメッシュネットワークに対応したシンプルなチャイム製品は見当たりませんでした。

課題と解決策

既存の選択肢は、大音量サイレンを鳴らすものや、SONOSスピーカー連携（高価）、IFTTT経由の複雑な連携（遅延大）など、いずれも40ドル以上かかるか、実用的ではありません。そこで着目したのが、ホームデポで15ドルで買えるCree Connected LED電球です。

この電球の内部には、Atmel SAMR21（32bit ARM Cortex-M0+、フラッシュ256KB）を搭載したZigbee基板が独立しており、3.3Vで動作します。開発ボード単体なら42ドルするチップが、電球ごと15ドルで手に入るという「お宝」です。Arduino Nanoと圧電ブザーを組み合わせ、総額20ドル以下でドアチャイムを自作しました。

仕組みと実装

Cree電球のZigbee基板から出ているPWM出力ピンとデジタル出力ピンをArduinoのアナログ/デジタル入力に接続します。SmartThings側で電球の明るさ（0〜100%、10%刻み）とON/OFFを制御すると、Arduino側では11種類の異なる信号を検知できます。これをドア/窓センサーの状態変化に割り当てれば、どの開口部が開いたかを音階で区別可能です。

概念実証（PoC）コード

Arduinoの状態変化検出（エッジ検出）とトーン再生を組み合わせたスケッチです。Zigbee基板のピン4（デジタル出力）をArduinoのピン2に接続し、立ち上がりエッジでメロディを再生します。

#include <Tone.h>
#include "pitches.h"

/* Cree Connected LEDのZigbee基板でスピーカーを駆動するPoC
 * Buddy Crotty改変 - 2015年3月 version 0.1.2
 * Tom Igoeの例題スケッチから完全コピー:
 * State change detection (edge detection) / toneMelody
 * パブリックドメイン
 */

const int buttonPin = 2;   // Zigbee基板ピン4接続
const int speakerPin = 8;  // スピーカー接続

int buttonPushCounter = 0;
int buttonState = 0;
int lastButtonState = 0;

// メロディ「Seven Nation Army」風
int melody[] = {
  NOTE_GS2, NOTE_GS2, NOTE_B2, NOTE_GS2,
  NOTE_FS2, NOTE_E2, NOTE_DS2
};
int noteDurations[] = { 4, 8, 8, 8, 8, 3.5, 3 };

void setup() {
  pinMode(buttonPin, INPUT);
  pinMode(speakerPin, OUTPUT);
}

void loop() {
  buttonState = digitalRead(buttonPin);

  if (buttonState != lastButtonState) {
    if (buttonState == HIGH) {
      buttonPushCounter++;
      // メロディ再生
      for (int thisNote = 0; thisNote < 7; thisNote++) {
        int noteDuration = 10000 / noteDurations[thisNote];
        tone(speakerPin, melody[thisNote], noteDuration);
        int pauseBetweenNotes = noteDuration * 1.32;
        delay(pauseBetweenNotes);
        noTone(speakerPin);
      }
    } else {
      Serial.println("off");
    }
    delay(50); // チャタリング防止
  }
  lastButtonState = buttonState;

  // 2回に1回（ドア開時のみ）鳴らす
  if (buttonPushCounter % 2 == 0) {
    digitalWrite(speakerPin, HIGH);
  } else {
    digitalWrite(speakerPin, LOW);
  }
}

pitches.h（音階定義）

/*************************************************
 * Public Constants
 *************************************************/
#define NOTE_B0  31
#define NOTE_C1  33
#define NOTE_CS1 35
#define NOTE_D1  37
#define NOTE_DS1 39
#define NOTE_E1  41
#define NOTE_F1  44
#define NOTE_FS1 46
#define NOTE_G1  49
#define NOTE_GS1 52
#define NOTE_A1  55
#define NOTE_AS1 58
#define NOTE_B1  62
#define NOTE_C2  65
#define NOTE_CS2 69
#define NOTE_D2  73
#define NOTE_DS2 78
#define NOTE_E2  82
#define NOTE_F2  87
#define NOTE_FS2 93
#define NOTE_G2  98
#define NOTE_GS2 104
#define NOTE_A2  110
#define NOTE_AS2 117
#define NOTE_B2  123
#define NOTE_C3  131
#define NOTE_CS3 139
#define NOTE_D3  147
#define NOTE_DS3 156
#define NOTE_E3  165
#define NOTE_F3  175
#define NOTE_FS3 185
#define NOTE_G3  196
#define NOTE_GS3 208
#define NOTE_A3  220
#define NOTE_AS3 233
#define NOTE_B3  247
#define NOTE_C4  262
#define NOTE_CS4 277
#define NOTE_D4  294
#define NOTE_DS4 311
#define NOTE_E4  330
#define NOTE_F4  349
#define NOTE_FS4 370
#define NOTE_G4  392
#define NOTE_GS4 415
#define NOTE_A4  440
#define NOTE_AS4 466
#define NOTE_B4  494
#define NOTE_C5  523
#define NOTE_CS5 554
#define NOTE_D5  587
#define NOTE_DS5 622
#define NOTE_E5  659
#define NOTE_F5  698
#define NOTE_FS5 740
#define NOTE_G5  784
#define NOTE_GS5 831
#define NOTE_A5  880
#define NOTE_AS5 932
#define NOTE_B5  988
#define NOTE_C6  1047
#define NOTE_CS6 1109
#define NOTE_D6  1175
#define NOTE_DS6 1245
#define NOTE_E6  1319
#define NOTE_F6  1397
#define NOTE_FS6 1480
#define NOTE_G6  1568
#define NOTE_GS6 1661
#define NOTE_A6  1760
#define NOTE_AS6 1865
#define NOTE_B6  1976
#define NOTE_C7  2093
#define NOTE_CS7 2217
#define NOTE_D7  2349
#define NOTE_DS7 2489
#define NOTE_E7  2637
#define NOTE_F7  2794
#define NOTE_FS7 2960
#define NOTE_G7  3136
#define NOTE_GS7 3322
#define NOTE_A7  3520
#define NOTE_AS7 3729
#define NOTE_B7  3951
#define NOTE_C8  4186
#define NOTE_CS8 4435
#define NOTE_D8  4699
#define NOTE_DS8 4978

応用展開

• リレー駆動: デジタル出力ピンをリレーに直結すれば、LEDテープ、ガレージドア、モーター/ポンプなどのON/OFF制御が可能
• ATtiny85 + Li-Ion電池: 3.3V系なので超小型・ポータブル化が容易
• 電源流用: 電球内蔵のAC-DCコンバータ（120V→3.3V）も他プロジェクトで再利用可能
• IRブラスター連携: 窓用エアコンの赤外線制御をSmartThingsの在室/不在センサーと連動

回路図

まとめ

安価なスマート電球の内部モジュールを「Zigbee対応I/Oモジュール」として再利用するアイデアです。コミュニティの皆さんも、この手法で面白い応用を考えてみてください。自作版を投稿してもらえると嬉しいです！