Arduino UNO + ESP-01 + ThingSpeak + MIT App Inventorで作るシンプルIoTプロジェクト

必要な部品と材料

部品	数量	備考
Arduino UNO	1	メインMCU
ESP8266 ESP-01	1	WiFi通信モジュール
DHT22 温湿度センサー	1	気温・湿度用
DS18B20 防水温度センサー	1	土壌温度用
LDR（光センサー）	1	照度測定用
2チャネル 5V リレーモジュール	1	ポンプ・ランプ制御用

使用アプリ・オンラインサービス

• Arduino IDE
• ThingSpeak API
• MIT App Inventor

プロジェクト概要

ローカルユニット（センサー・アクチュエーター）からデータを収集し、インターネット経由でクラウド（ThingSpeak）に送信。世界中どこからでもデータを確認し、遠隔でアクチュエーターを操作できるシステムを構築します。

以前はNodeMCUやESP32を使っていましたが、Arduino UNOとESP-01という初期の組み合わせで、より基礎的なIoTの仕組みを理解することを目的としています。

ThingSpeakを中心に、ローカルユニットがセンサーデータを「書き込み」、アクチュエーター制御コマンドを「読み取り」ます。Androidアプリも同様にStatus Channelを読み取り、Actuator Channelに書き込みます。

Step 1: はじめに

以下のデータを収集・制御します。

センサー（5項目）

• 気温・湿度（DHT22）
• 土壌温度（DS18B20）
• 土壌湿度（YL-69 + LM393）
• 照度（LDR）

アクチュエーター（2項目）

• 電動ポンプ
• 電球（220V）

アクチュエーターのON/OFF状態もクラウドに送信します。

判断ロジック：

• 土壌湿度が低い → ポンプON
• 土壌温度が低い → ランプON

遠隔操作用にAndroidアプリも作成します。

Step 2: 部品表（BoM）

主要部品の目安価格（USD）：

• Arduino UNO - $10.00
• ESP8266-01 - $3.50
• DHT22 - $9.00
• DS18B20 - $6.00
• 土壌湿度センサー - $2.00
• LDR - $0.20
• LED（赤・緑）各1
• 2チャネル 5V リレーモジュール（フォトカプラ付き、Lowアクティブ） - $7.00
• 5V DCポンプ - $3.00
• 220V電球
• 抵抗：330Ω×2、10kΩ×2、4.7kΩ×1
• ブレッドボード、ジャンパーワイヤー
• リレー用外部5V電源

Step 3: ハードウェア組み立て手順

段階的に組み立て・テストすることを推奨：

1. センサーを個別に設置・テスト
2. ESP-01をベアミニマム構成で設定・テスト
3. ESP-01を最終配線に変更してテスト
4. ThingSpeak Status Channel設定
5. ArduinoにThingSpeak送信コードを書き込み、クラウドで確認
6. Androidアプリ第1版（ステータス表示）作成
7. アクチュエーター（LED、リレー）設置
8. ThingSpeak Actuator Channel設定
9. アクチュエーター制御コードを書き込みテスト
10. Androidアプリ最終版作成

Step 4: センサー配線

必要なライブラリと初期設定：

// DS18B20
#include <OneWire.h>
#include <DallasTemperature.h>
#define ONE_WIRE_BUS 5
OneWire oneWire(ONE_WIRE_BUS);
DallasTemperature DS18B20(&oneWire);
int soilTemp = 0;

// DHT22
#include "DHT.h"
#include <stdlib.h>
int pinoDHT = 11;
int tipoDHT = DHT22;
DHT dht(pinoDHT, tipoDHT);
int airTemp = 0, airHum = 0;

// LDR
#define ldrPIN A1
int light = 0;

// 土壌湿度
#define soilHumPIN A0
int soilHum = 0;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  DS18B20.begin();
  dht.begin();
}

void loop() {
  readSensors();
  displaySensors();
  delay(10000);
}

void readSensors() {
  airTemp = dht.readTemperature();
  airHum = dht.readHumidity();
  DS18B20.requestTemperatures();
  soilTemp = DS18B20.getTempCByIndex(0);
  soilHum = map(analogRead(soilHumPIN), 1023, 0, 0, 100);
  light = map(analogRead(ldrPIN), 1023, 0, 0, 100);
}

void displaySensors() {
  Serial.print("airTemp (oC): "); Serial.println(airTemp);
  Serial.print("airHum (%): "); Serial.println(airHum);
  Serial.print("soilTemp (oC): "); Serial.println(soilTemp);
  Serial.print("soilHum (%): "); Serial.println(soilHum);
  Serial.print("light (%): "); Serial.println(light);
  Serial.println("");
}

Step 5: ESP-01初期設定（ATコマンド）

ESP-01をシリアルブリッジ（ATコマンドモード）として使用します。工場出荷時は115,200 baudのことが多いため、9,600 baudに変更します。

1. ArduinoにBareMinimumスケッチを書き込み（シリアル競合防止）
2. ESP-01を接続し、シリアルモニタを115,200 baudで開く
3. AT → OK確認
4. ボーレート変更: AT+UART_DEF=9600,8,1,0,0
5. シリアルモニタを9,600 baudに切り替え、ATで確認
6. ステーションモード設定: AT+CWMODE=1
7. WiFi接続: AT+CWJAP="SSID","PASSWORD"
8. WIFI CONNECTED / WIFI GOT IP 確認
9. IP確認: AT+CIFSR

Step 6: ESP-01動作テスト

最終配線：

• ESP-01 RX → UNO D7
• ESP-01 TX → UNO D6
• ESP-01 CH_PD → 3.3V
• ESP-01 RST → UNO D8
• ESP-01 VCC → 3.3V
• ESP-01 GND → UNO GND

ATコマンドパススルー用テストコード：

#include <SoftwareSerial.h>
SoftwareSerial esp8266(6, 7); // Rx=D6, Tx=D7
#define speed8266 9600

void setup() {
  esp8266.begin(speed8266);
  Serial.begin(speed8266);
  Serial.println("ESP8266 Setup test - use AT commands");
}

void loop() {
  while(esp8266.available()) Serial.write(esp8266.read());
  while(Serial.available()) esp8266.write(Serial.read());
}

テストコマンド：

• AT → OK
• AT+RST → 再起動
• AT+GMR → バージョン情報
• AT+CWMODE? → モード確認
• AT+CWLAP → 周辺APスキャン
• AT+CIFSR → IP確認

起動時自動接続用関数も用意：

void connectWiFi() {
  sendData("AT+RST\r\n", 2000, 0);
  sendData("AT+CWJAP=\"YOUR_SSID\",\"YOUR_PASS\"\r\n", 2000, 0);
  delay(3000);
  sendData("AT+CWMODE=1\r\n", 1000, 0);
  sendData("AT+CIFSR\r\n", 1000, 0);
  Serial.println("8266 Connected");
}

String sendData(String command, const int timeout, boolean debug) {
  String response = "";
  EspSerial.print(command);
  long int time = millis();
  while ((time + timeout) > millis()) {
    while (EspSerial.available()) {
      char c = EspSerial.read();
      response += c;
    }
  }
  if (debug) Serial.print(response);
  return response;
}

Step 7: センサーとESP-01の統合

Step 8: ThingSpeak設定

ThingSpeakアカウント作成後、以下のフィールド構成でStatus Channelを作成：

フィールド	内容
Field 1	アクチュエーター1（ポンプ）
Field 2	アクチュエーター2（ランプ）
Field 3	気温（℃）
Field 4	湿度（%）
Field 5	土壌温度（℃）
Field 6	土壌湿度（%）
Field 7	照度（%）
Field 8	スペア（通信エラーカウンター等）

Write API Keyを控えておきます。

Step 9: ステータスデータのクラウド送信

ThingSpeakへの書き込みはHTTP GETリクエストで行います：

1. AT+CIPSTART="TCP","184.106.153.149",80 (接続開始)
2. AT+CIPSEND=116 (データ長送信)
3. GET文字列送信: GET /update?api_key=YOUR_KEY&field1=...&field8=...

完全な送信コード（抜粋）：

// Thingspeak
String statusChWriteKey = "YOUR_WRITE_KEY";
#include <SoftwareSerial.h>
SoftwareSerial EspSerial(6, 7);
#define HARDWARE_RESET 8

// センサー設定（Step 4と同様）
// ... 省略 ...

long writeTimingSeconds = 17;
long startWriteTiming = 0, elapsedWriteTime = 0;
boolean pump = 0, lamp = 0;
int spare = 0;
boolean error;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  pinMode(HARDWARE_RESET, OUTPUT);
  digitalWrite(HARDWARE_RESET, HIGH);
  DS18B20.begin();
  dht.begin();
  EspSerial.begin(9600);
  EspHardwareReset();
  startWriteTiming = millis();
}

void loop() {
  start:
  error = 0;
  elapsedWriteTime = millis() - startWriteTiming;
  if (elapsedWriteTime > (writeTimingSeconds * 1000)) {
    readSensors();
    writeThingSpeak();
    startWriteTiming = millis();
  }
  if (error == 1) {
    Serial.println(" <<<< ERROR >>>>");
    delay(2000);
    goto start;
  }
}

void writeThingSpeak() {
  startThingSpeakCmd();
  String getStr = "GET /update?api_key=";
  getStr += statusChWriteKey;
  getStr += "&field1=" + String(pump);
  getStr += "&field2=" + String(lamp);
  getStr += "&field3=" + String(airTemp);
  getStr += "&field4=" + String(airHum);
  getStr += "&field5=" + String(soilTemp);
  getStr += "&field6=" + String(soilHum);
  getStr += "&field7=" + String(light);
  getStr += "&field8=" + String(spare);
  getStr += "\r\n\r\n";
  sendThingSpeakGetCmd(getStr);
}

// ESPリセット、TCP接続、GET送信関数は本文参照

Step 10: Androidアプリ第1部 - ステータス監視

MIT App Inventorで作成。2秒ごとにThingSpeak Status Channelを読み取り、センサー値とアクチュエーター状態を表示。閾値判定でアラート表示（点滅）も実装。

Step 11: アクチュエーター（LED・リレー）設置

ローレベルトリガーのフォトカプラ付きリレーモジュールを使用。リレーGNDはArduino GNDと接続せずノイズ対策。

Step 12: ThingSpeakアクチュエーターチャンネル設定

アクチュエーターごとに専用チャンネルを作成（Field 1のみ使用）：

• Channel 375598: 赤LED（ポンプ） - 0=OFF, 1=ON
• Channel 375599: 緑LED（ランプ） - 0=OFF, 1=ON

Step 13: アクチュエーター制御コード

ThingSpeakから「読み取り」を行うコード。10秒ごとに各チャンネルのField 1最新値を取得し、リレーを制御。

// Thingspeak
String canalID1 = "375598"; // Actuator1
String canalID2 = "375599"; // Actuator2
#include <SoftwareSerial.h>
SoftwareSerial EspSerial(6, 7);
#define HARDWARE_RESET 8

long readTimingSeconds = 10;
long startReadTiming = 0, elapsedReadTime = 0;
#define ACTUATOR1 10 // 赤LED → ポンプ
#define ACTUATOR2 12 // 緑LED → ランプ
boolean pump = 0, lamp = 0;
int spare = 0;
boolean error;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  pinMode(ACTUATOR1, OUTPUT);
  pinMode(ACTUATOR2, OUTPUT);
  pinMode(HARDWARE_RESET, OUTPUT);
  digitalWrite(ACTUATOR1, HIGH); // リレーはLowアクティブ
  digitalWrite(ACTUATOR2, HIGH);
  digitalWrite(HARDWARE_RESET, HIGH);
  EspSerial.begin(9600);
  EspHardwareReset();
  startReadTiming = millis();
}

void loop() {
  start:
  error = 0;
  elapsedReadTime = millis() - startReadTiming;
  if (elapsedReadTime > (readTimingSeconds * 1000)) {
    int command = readThingSpeak(canalID1);
    if (command != 9) pump = command;
    delay(5000);
    command = readThingSpeak(canalID2);
    if (command != 9) lamp = command;
    takeActions();
    startReadTiming = millis();
  }
  if (error == 1) {
    Serial.println(" <<<< ERROR >>>>");
    delay(2000);
    goto start;
  }
}

void takeActions() {
  if (pump == 1) digitalWrite(ACTUATOR1, LOW);
  else digitalWrite(ACTUATOR1, HIGH);
  if (lamp == 1) digitalWrite(ACTUATOR2, LOW);
  else digitalWrite(ACTUATOR2, HIGH);
}

int readThingSpeak(String channelID) {
  startThingSpeakCmd();
  String getStr = "GET /channels/" + channelID + "/fields/1/last\r\n";
  String messageDown = sendThingSpeakGetCmd(getStr);
  int command = 9;
  if (messageDown.length() > 7 && messageDown[5] == '1') {
    command = messageDown[7] - '0';
  }
  return command;
}
// 共通関数（EspHardwareReset, startThingSpeakCmd, sendThingSpeakGetCmd）はStep 9と同様

Step 14: ブラウザからのアクチュエーター操作テスト

ブラウザで以下のURLを叩いて動作確認：

• ポンプON: https://api.thingspeak.com/update?api_key=ACT1_WRITE_KEY&field1=1
• ポンプOFF: https://api.thingspeak.com/update?api_key=ACT1_WRITE_KEY&field1=0
• ランプON: https://api.thingspeak.com/update?api_key=ACT2_WRITE_KEY&field1=1
• ランプOFF: https://api.thingspeak.com/update?api_key=ACT2_WRITE_KEY&field1=0

Step 15: Androidアプリ完成版

各アクチュエーターにON/OFFボタンを配置。押下時は色変化でフィードバック。

Step 16: 全機能統合

定期的なセンサー送信とアクチュエーター受信を両立させ、ESP-01フリーズ検出・自動リセット機能も追加した最終コードはGitHubで公開。

Step 17: 結論

Arduino UNOとESP-01でも十分にIoTシステムが構築可能です。詳細なファイルはGitHub: ArduFarmBot_Light、ブログはMJRoBot.orgをご覧ください。

南半球より、Marcelo

コードリポジトリ

https://github.com/Mjrovai/ArduFarmBot_Light

回路図

Fritzingファイル