Raspberry Pi 2とWindows 10 IoT Coreで構築するホームオートメーション完全ガイド

主要コンポーネント

部品	数量	仕様・備考
Raspberry Pi 2 Model B	1	コントローラ本体
HSRel5 - I²C 5リレーボード	1	PCF8574ベース、5リレー＋3GPIO、DINレールマウント可
HSRel8(+8) - I²C 8リレーボード	1	MAX7311ベース、8リレー＋8GPIO
I2C-Port 16 HS - 16GPIO拡張ボード	1	MAX7311ベース、入力用
DR-60-12 12V/54W DINレール電源	1	リレー駆動用12V供給
DR-30-5 5V/3A DINレール電源	1	ロジック系5V供給
Raspberry Pi用プロトタイピングシールド	1	ステータスLED、割り込み入力保護、ネジ端子台搭載
I2Cバッファ HS (P82B96)	1	レベルシフト＋バス延長用、プルアップ内蔵
Arduino Nano R3	1	DHT22センサブリッジ＋433MHz送信用
433MHz 送受信モジュール	1組	ワイヤレスリレー対応用

開発環境

• Microsoft Visual Studio 2015（UWPアプリ開発）
• Arduino IDE（センサブリッジ用ファームウェア開発）

プロジェクト概要

自宅リノベーションに合わせて3年間かけて開発したホームオートメーションシステムです。Windows 10 IoT Coreを搭載したRaspberry Pi 2を中核とし、I²Cバスで配電盤内のリレーボード・入力ボードを制御します。Webアプリ（AngularJS＋Bootstrap）で全デバイスを操作・監視可能。Azure Event Hubs連携でログ収集・Power BI可視化も実現しています。

対応入力デバイス

• 押しボタン（BUSCH-JAEGER 2020US）
• 人感センサ（Abus 360° BW8085）
• 室温・湿度（自作DHT22デバイス×10箇所）
• 窓開閉状態（Honeywell Slimlineリードスイッチ）
• 日の出/日の入、外気温/湿度（OpenWeatherMap API取得）

対応出力デバイス

• シーリングライト（リレー制御、調光なし）
• コンセント（リレー制御）
• ロールスクリーン（上下2リレーで制御）
• シーリングファン（3段階風量、3リレー）
• 浴室換気扇（2段階、2リレー）

主な特長

• クロスプラットフォームWebアプリ（iOS/Android/Windows/Mac）で操作可能。設定はコントローラから動的取得
• 全イベントをAzure Event Hubsへ送信、またはCSVログ出力
• UDPベースのトレース機能でデバッグ・誤配線検出が容易
• カスタムアクチュエータドライバでハードウェア拡張可能
• 物理出力を論理グループ化（CombinedBinaryStateActuator）し、同時制御時の遅延を排除
• ステートマシンで複数段階制御（ファン風量、シーン/ムード設定）に対応
• 障害耐性設計：一部ボードが切り離されても他エリアは動作継続
• 433MHzワイヤレスリレーも統合制御可能

ハードウェアアーキテクチャ

コンセプト：配電盤集中制御

全ての照明・コンセント・シャッター等を配電盤内のリレーで制御します。各スイッチ・センサ・負荷は専用ケーブルで配電盤まで引き回すため、KNX/EIB等の専用バスは不要です。※日本国内では電気工事士法に基づき、有資格者による施工が必要です。

新設配電盤

2階建て住宅全体をカバーする新設配電盤に、全I²Cボードを収納。

長距離I²Cバスの設計ノウハウ

I²Cは本来短距離用ですが、以下の工夫で数十メートルまで延長可能です：

• バス電圧を5Vで駆動（Piは3.3VなのでP82B96レベルシフタで変換）
• CAT7ツイストペアケーブル使用。SDA-GND、SCL-GNDの組み合わせで2ペア使用（SDA-SCLを1ペアにしない）
• より線ケーブル採用で配線しやすさと信頼性を両立
• バス末端に10kΩプルアップ抵抗（SDA/SCL各々）
• バス速度を100kbps（標準モード）に固定
• 中継点にP82B96バッファを配置し、物理セグメント分離＋駆動力強化

リレーボード（出力）

独CCTools製ボードを採用。HSRel5はPCF8574（8bit拡張、アドレス8種）で5リレー＋3GPIO。リレー駆動にはULN2803とインバータを介在（電源投入時の誤動作防止）。HSRel8はMAX7311（16bit拡張）で8リレー＋8GPIO、インバータ不要。アドレス制限対策としてPCF8574A（別アドレス8種）併用で最大16枚接続可能。

ポートエキスパンダボード（入力）

I2C-Port16 HS（MAX7311ベース）にプルアップ抵抗（5V/10kΩ）とセラミックコンデンサ（100nF、グリッチフィルタ）を全ポートに実装。ボタン・人感センサ・リードスイッチは各々専用ケーブル（CAT7、シールドをPE接地）で配電盤まで引き込み。全ボード共通の割り込み線をPiのGPIOに接続し、状態変化時のみI²Cポーリングする割り込み駆動設計。

Raspberry Pi 2マウント

専用ケースで配電盤に固定。プロトタイピングシールドにステータスLED、割り込み入力（プルアップ10kΩ＋保護1kΩ＋100nFフィルタ）、I²C用ネジ端子台を実装。

温湿度センサネットワーク（DHT22 × 10）

DHT22は独自プロトコルでアドレッシング非対応のため、Arduino NanoをI²Cスレーブとして配置し、全センサを2.5秒周期で読み取りキャッシュ。PiからはポートID指定で値を取得（レジスタ読み出し風インターフェース）。

Webアプリでは温度・湿度を別ビューで表示。湿度アイコンの色でカビリスクを表示（60%未満緑、70%未満黄、70%以上赤）。

ハードウェア構成図

433MHzワイヤレスリレー統合

DHT22ブリッジ兼用のArduino NanoにFS1000A送信モジュールを搭載、12V駆動で到達距離確保。受信側は専用リレー。元のリモコン操作で状態がズレる問題は、ソフトウェア側で5秒ごとに強制同期することで解決。

ユニークな応用例：デジタル猫トイレ換気

窓のない収納室の猫トイレを未使用煙突ダクトに接続、ファンをリレー制御。人感センサで猫検知→数分間ファン稼働。Webアプリから手動操作も可能。ログ解析で使用頻度を把握し、掃除タイミング最適化に活用。

ソフトウェアアーキテクチャ

移行の経緯

元はGHI Electronics G120（.NET Micro Framework 4.3）で稼働していましたが、性能限界（120MHz/16MB/インタプリタ）で未実装機能が多かったため、Windows 10 IoT Coreバックグラウンドタスクへ移植し、Azure連携等を追加しました。

ソリューション構成（Visual Studio 2015）

• App：Webアプリ（AngularJS/jQuery/Bootstrap）
• Controllers：Pi起動プロジェクト（IoT Background Task）、家屋設定
• SDK：共有ライブラリ群

主要コンポーネント

CK.HomeAutomation.TraceViewer

UDPブロードキャストで飛んでくるトレースメッセージをコンソール表示。ファイアウォールでポート（例：19227）開放必要。デバッグ・誤配線特定に必須。

CK.HomeAutomation.Networking

独自HTTPサーバ実装。Webアプリ配信、JSONステータス提供、制御コマンド受信。Webアプリ本体はSMB経由でPiのローカルフォルダへ手動配置。

CK.HomeAutomation.Controller.*

各プロジェクトがIoTバックグラウンドタスクとして実装。実運用中の「Cellar」（庭・駐車場照明担当）以外のコントローラプロジェクトを同梱。空のテンプレート「CK.HomeAutomation.Controller.Empty」も用意。

事前準備：

• Pi 2へのWindows 10 IoT Coreインストール
• PowerShellリモートセッション接続
• UWPアプリの展開

セットアップ用PowerShellスクリプト（SetupRaspberryPi.ps1）同梱。IPアドレス等は環境に合わせて修正必須。

CK.HomeAutomation.Actuators

最高レベルの抽象化層。家・部屋・アクチュエータ（ボタン、ライト、コンセント等）を実装。フルーエントAPIで部屋構成を記述可能。

アクチュエータタイプ

• MotionDetector：人感検知でMotionDetected、検知終了でDetectionCompletedイベント発火。Webアプリで無効化可能。
• Button：短押し（<1.5秒）でPressedShort、長押し（>1.5秒）でPressedLong。Webアプリ専用のVirtualButtonも実装。
• BinaryStateOutput (Socket/Lamp)：ON/OFFのみの基底クラス。トグル、状態更新メソッド提供。ボタンと連携可能。
• CombinedBinaryStateActuator：複数物理出力を1論理出力として統合。内部変更追跡でI²C書き込み遅延を吸収し、同時動作を実現。
• StateMachine：複数状態（ファン風量、シーン等）を定義。WithTurnOffIfStateIsAppliedTwiceで同一トリガー再実行時にOFFへ遷移可能。
• TemperatureSensor / HumiditySensor：I²Cセンサブリッジ経由で10秒ごとに自動ポーリング。

オートメーション機能

「ホームオートメーション ≠ ホームコントロール」。自動化ルールが核心です。

• AutomaticTurnOnAndOffAutomation：トリガー（ボタン/人感）でON、指定時間後に自動OFF。時間帯制限（日中のみ/夜間のみ）対応。
• AutomaticRollerShutterAutomation：日の出/日の入で自動開閉、外気温超過時（例：28℃以上）に自動閉鎖（屋根窓対策）。移動時間ベースで位置推定。
• AutomaticConditionalOnAutomation：条件一致中のみON（庭園ライトを夜間のみ点灯等）。複数OFF時間帯指定可。
• 汎用オートメーション/条件フレームワーク：トリガー（ボタン、人感、インターバル、コード）発火時に条件評価、アクション実行。複雑な条件組み合わせに対応。

バーチャル気象ステーション

OpenWeatherMap APIを60秒ごとにポーリングし、天気・日の出入・外気温湿度を提供。IWeatherStationインターフェースで実装されており、将来的に実機気象ステーションへ置換可能。

テレメトリ・分析基盤

• CSVログ：全状態変化をパッケージのLocalStateフォルダに出力。SMBでダウンロード可能。
• Azure Event Hubs連携：状態変化・センサ値・ボタン押下・人感検知をイベントとして送信。Stream AnalyticsジョブでAzure SQL Databaseへ蓄積、Power BIでレポート作成済み。

Webアプリ

AngularJS/jQuery/Bootstrap製。ルーム構成をコントローラから取得し動的生成。Configuration.jsでIPアドレス・翻訳・アイコンカスタマイズ設定。ローカルファイルとしても、Webサーバ（筆者はBanana Pi + nginx）経由でも動作。iOSホーム画面追加はWebサーバホスト必須。

常設ターミナル

リビングに初代iPad 3を壁掛け設置、Webアプリをフルスクリーン表示で常時操作可能。

今後の展開予定

• IRベースアクチュエータ対応（RGB LEDストリップ等）
• XML設定ファイル対応（コードベース設定と併用）
• タブレット専用レイアウトWebアプリ
• 窓開閉リードスイッチのWebアプリ表示対応
• 他社製デバイスドライバライブラリ充実
• 暖房バルブ制御（出力・温度読み取りは実装済み）
• 防犯アラーム（人感/窓開放通知）
• 実機気象ステーション統合
• 雨検知時の窓開放シャッター自動閉鎖
• 単体テスト充実、GitHub Wikiドキュメント整備
• アニメーション機能完全移植（NETMF版には実装済み）

ハードウェア、ソフトウェア、ドキュメント等あらゆる貢献を歓迎します。ご連絡ください。

リポジトリ

完全なソリューション（SDK、Webアプリ、個人設定含む）はGitHubで公開中：

https://github.com/chkr1011/CK.HomeAutomation.git

回路図（Fritzing）

• 433MHzリモコンコード読み取り用回路
• 各室DHT22センサボード
• Pi用シールド（ステータスLED、I²C端子台、割り込み入力）
• 433MHz送信機内蔵温湿度センサ（家庭に1台で全ワイヤレスリレー制御）