Arduinoで65,280個のリレーを制御: 拡張可能IO & リレーソリューション

必要な部品と材料

部品	数量	備考
Arduino Nano R3	1	マスターコントローラー
IO Expander	1+	リレー拡張用中継ボード
Relay Expander	1+	16リレー制御用拡張ボード
IO Extender	1+	長距離通信用 (CAT5ケーブルで最大4000ft)
Arduino 16リレーボード	1+	安価な市販リレーボード使用可能

使用ソフトウェア

• Arduino IDE

プロジェクト概要

IO ExpanderとRelay Expanderを組み合わせ、最大65,280個のリレーを単一のArduinoで制御できる拡張システムです。大量のリレー制御が必要なプロジェクト(水耕栽培、プラント制御、大規模照明等)に最適です。

仕組みと拡張性

• 1つのIO Expanderで最大16台のRelay Expanderをデイジーチェーン接続可能 → 256リレー制御
• さらに255台のIO Expanderをシリアルバスで接続可能 → 255 × 256 = 65,280リレー
• 安価な市販のArduino 16リレーボード(15ドル以下)をそのまま活用可能
• ドライバ不要、コードサイズ節約、リレー状態保持用RAM不要
• 追加電源不要 (リレーボードから給電)

単一IO Expanderで64リレー制御

動画: 64リレー制御デモ

配線図

サンプルコード (単一Expander)

/* IO Expander - 64 Relays Control */
#include <SoftwareSerial.h>
#include "IOExpander.h"
#include <avr/wdt.h>

#define MAX_RELAYS 64

char cmd[10];

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  wdt_enable(WDTO_8S); // 8秒ウォッチドッグ
  
  // Relay Expander 4台分 (64/16) を初期化
  sprintf(cmd, "eb%d", MAX_RELAYS / 16);
  SerialCmdDone(cmd);
}

void loop() {
  static int i = 1;
  
  // リレーiをOFF
  sprintf(cmd, "e%df", i);
  SerialCmdDone(cmd);
  
  if (i++ >= MAX_RELAYS) i = 1;
  
  // リレーiをON
  sprintf(cmd, "e%do", i);
  SerialCmdDone(cmd);
  
  delay(100);
  wdt_reset();
}

複数IO Expanderによるリレー制御 (星型/分散配置)

動画: 複数Expanderデモ

配線図

サンプルコード (複数Expander・9bitシリアル)

/* IO Expander - Relay Bonanza with Multiple Expanders! */
#include <HardwareSerial9Bit.h>
#include "IOExpander9Bit.h"
#include <avr/wdt.h>

#define MAX_BOARDS 4

char cmd[10];

void setup() {
  Serial9Bit.begin(115200, SERIAL_9N1);
  Serial9Bit.write(0); // IO Expanderを9bitモードに設定
  wdt_enable(WDTO_8S);
  
  for (int board = 1; board <= 4; board++)
    SerialCmdDone(board, "eb1"); // 各ボードで1バンク(16リレー)初期化
}

void loop() {
  static int board = 1;
  static int relay = 1;
  
  sprintf(cmd, "e%df", relay);
  SerialCmdDone(board, cmd); // 指定ボードのリレーOFF
  
  if (++relay > 16) {
    relay = 1;
    if (++board > MAX_BOARDS) board = 1;
  }
  
  sprintf(cmd, "e%do", relay);
  SerialCmdDone(board, cmd); // 指定ボードのリレーON
  
  delay(100);
  wdt_reset();
}

なぜこれほど多くのリレーが必要なのか？

アクアポニクスや水耕栽培では、多数のセンサーとデバイス(ポンプ、バルブ、照明、ファン等)を栽培ベッド単位、さらには個々の植物単位で自動制御する必要があります。これには極めて大量のI/Oが必要で、IO Expanderシステムがその要求に応えます。

特徴まとめ

• 安価な市販16リレーボードをそのまま使用可能
• シンプルなシリアルコマンドで個別/バンク単位制御
• ドライバ不要でコードサイズ最小限
• リレー状態をハードウェア側で保持 (Arduino側のRAM不要)
• リレーボードからの給電のみで追加電源不要
• IO ExtenderでCAT5ケーブルによる最大4000ft (約1.2km) の長距離配線対応
• ウォッチドッグタイマー対応で信頼性向上

回路図

入手先・詳細情報

IO Expander、Relay Expander、IO Extenderの詳細仕様、購入、技術サポートについては開発元(Zeven Development)のウェブサイトを参照してください。オープンソースハードウェアとして設計情報も公開されています。