Windows 10 IoT Core、Raspberry Pi、Arduinoで家庭用コンセントを自動化

必要な部品と用品

Raspberry Pi 2 Model B	×1
XBeeモジュール	×2
Arduino UNO	×1
FTDIケーブル	×2
4チャネル リレーシールド（Arduino用）	×1
SparkFun XBeeシールド	×1

使用するアプリとオンラインサービス

• XCTU（XBee設定ツール）
• Visual Studio 2015以降
• Arduino IDE
• Microsoft Azure
• Microsoft Windows 10 IoT Core

プロジェクト概要

はじめに

このプロジェクトでは、Windows 10 IoT Coreを搭載したRaspberry Pi、XBee、Arduinoを使用して、家庭用コンセントをローカルおよびクラウドから制御する方法を紹介します。すべてのコードサンプルはGitHubで公開しています。

なぜコンセントを自動化するのか？

クラウドから個別デバイスを制御する代わりに、コンセント自体を自動化すれば、あらゆる機器を接続して制御可能になります。本プロジェクトでは、扇風機と照明の制御を例としています。

XBeeのセットアップ（ATモード）

XBeeを使って無線信号を伝送します。1つのXBee（Coordinator：親機）をRaspberry Piに、もう1つ（Router：子機）をコンセント側に接続します。Coordinatorがユーザー入力に基づき信号を送信し、Routerがコンセントを制御します。

1. XCTUをダウンロード・インストール
2. XBeeファームウェアの更新：Adafruit FTDIアダプタを使用
3. ATモードでXBeeを設定：設定チュートリアル動画を参照

2つのXBeeが互いに通信できることを確認してから次へ進んでください。

受信側（Router側）の構築

必要なもの：Zigbee Router、Arduino UNO R3、XBeeシールド、リレーシールド

Arduinoスケッチ

Coordinatorからのデータに応じてリレーを制御：

• 「ON1」→ リレー1 ON
• 「ON2」→ リレー2 ON
• 「OFF1」→ リレー1 OFF
• 「OFF2」→ リレー2 OFF

#define RELAY1 7
#define RELAY2 5
String state = "OFF";

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  pinMode(RELAY1, OUTPUT);
}

void loop() {
  if (Serial.available() > 0) {
    state = Serial.readString();
    Serial.println(state);
  }
  if (state == "ON1\r\n") digitalWrite(RELAY1, HIGH);
  else if (state == "ON2\r\n") digitalWrite(RELAY2, HIGH);
  else if (state == "OFF1\r\n") digitalWrite(RELAY1, LOW);
  else if (state == "OFF2\r\n") digitalWrite(RELAY2, LOW);
  else {
    digitalWrite(RELAY1, LOW);
    digitalWrite(RELAY2, LOW);
  }
}

コンセントへの接続（高電圧注意！）

リレーは電子スイッチとして動作し、Arduino等のマイコンでON/OFFを制御できます。入力側にはAC 100-240Vが流れます。

警告： 高電圧を扱います。感電・火災の危険があるため、十分な知識と注意を持って作業してください。自己責任でお願いします。

延長コードを使用し、片方の線をカットしてリレーのCOM（コモン）とNO（ノーマルオープン）に接続します。

Arduinoにリレーシールドを装着し、その上にXBeeシールドをスタック。Router設定済みのXBeeを挿入します。

外部電源でArduinoを駆動すれば受信側は完成です。

サーバー側（Coordinator側）の構築

必要なもの：Windows 10 IoT Core搭載Raspberry Pi 2、Coordinator設定済みXBee

1. XBeeをFTDIアダプタ経由でRaspberry PiのUSBポートに接続
2. UWPアプリとしてWebサーバーを構築
3. ユーザー入力を受け取り、シリアルポート（FTDIケーブル）経由でXBeeにコマンド送信
4. XBeeが無線でRouter側へ伝送

FTDIドライバの詳細はこちらを参照。

サーバー構築の詳細：Webサーバー構築動画

Azureクラウド連携

世界中から制御できるよう、Azureサービスを連携させます。

1. Webサイトを作成しAzureにホスティング
2. Azure SQL Databaseでユーザー認証/認可
3. Azure Cloud Storage（Table）でコマンドをキューイング
4. Raspberry Piアプリがコマンドを処理し、家電を制御

ストレージテーブル作成：公式ドキュメント
SQLテーブル作成：公式ドキュメント

詳細：Azure連携チュートリアル動画

デモ

2通りの制御方法を実演：

1. ローカルネットワーク内のRaspberry Pi WebサーバーURLにアクセス
2. AzureにホストしたASP.NET 5 Webアプリ経由で制御

結論

1. 照度・人感センサーを追加すれば、省エネのための自動制御やデータ提供が可能
2. 高齢者がリモコンでコンセント操作可能（RFIDデバイス追加で実現）
3. スケジュール機能で照明の自動ON/OFF、省エネ
4. 侵入検知時に全灯点灯
5. 外出時はワンクリックで全機器遮断
6. 必要な時だけ空調運転で省エネ

コード

リレー制御スケッチ (C/C++)

#define RELAY1 7
#define RELAY2 5
String state = "OFF";

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  pinMode(RELAY1, OUTPUT);
}

void loop() {
  if (Serial.available() > 0) {
    state = Serial.readString();
    Serial.println(state);
  }
  if (state == "ON1\r\n") digitalWrite(RELAY1, HIGH);
  else if (state == "ON2\r\n") digitalWrite(RELAY2, HIGH);
  else if (state == "OFF1\r\n") digitalWrite(RELAY1, LOW);
  else if (state == "OFF2\r\n") digitalWrite(RELAY2, LOW);
  else {
    digitalWrite(RELAY1, LOW);
    digitalWrite(RELAY2, LOW);
  }
}

サンプルコード

GitHubリポジトリ

回路図

電源コードとリレーの接続図