DHT11/DHT22温湿度センサーキット - Raspberry Pi & Arduino対応

コンポーネントと用品

DHT11温湿度センサー（4ピン）	×	1
Raspberry Pi 2 Model B	×	1
Arduino UNO	×	1
オス-オスジャンパーワイヤー	×	3
ブレッドボード（汎用）	×	1
4.7kΩ抵抗	×	1
Cobblerブレークアウトキット	×	1

アプリとオンラインサービス

• Microsoft Windows 10 IoT Core
• Arduino IDE
• Raspberry Pi Raspbian
• Microsoft Visual Studio 2015
• WinSCP
• PuTTY

このプロジェクトについて

はじめに

DHT11は4ピン（1ピン未使用）の温湿度センサーで、相対湿度20%〜90%、温度0〜50℃を測定可能です。動作電圧は3〜5.5V DCで、独自のOneWireプロトコルで通信します。このプロトコルはデータ取得のために非常に正確なタイミングを必要とします。LOW/HIGHビットは、信号がHIGHである時間の長さで符号化されます。測定にかかる総時間は最大23.4msで、これにはデータ転送開始に必要な18msの遅延と、最大5.4msのデータウィンドウが含まれます。個々の信号は20μs〜80μsの長さです。

背景

Windows 10 IoT Coreが利用可能になったとき、Raspberry Pi 2とDHT11センサーでC#を試しましたが、うまくいきませんでした。Windows 10 IoT CoreでのC#は、少なくとも現時点では十分な速度が出ないのが問題です。

Microsoftフォーラムに投稿し、同じ問題を抱える他の開発者とやり取りしました。最終的に、Windows 10 IoT CoreでのOneWireプロトコルについてのMicrosoftの回答を見つけました。その後、DHT11をサンプルセンサーとして、C++でWindows 10 IoT Core上でのOneWireプロトコルサポートのサンプルがMicrosoftから投稿されているのを発見しました。これをC#に移植する機会と捉えました。

このプロジェクトは、そのサンプルをC#で使えるライブラリにするものです。この人気センサーをWindows 10 IoT Coreで使えるようにするライブラリを書いた方に感謝し、このライブラリでさらに役立つものになればと思います。

ライブラリ

作成したライブラリは、Microsoftが公開したコードのシンプルなリファクタリングなので、センサー読み取りを実現した作業のクレジットは主張しません。

ライブラリは、Sensors.Dht名前空間にDht11というシンプルなクラスを提供します。C#でのオブジェクト作成は簡単です。

まず、DHT11センサーのピンが接続されているGPIOピンを開きます：

using Sensors.Dht;
GpioPin pin = GpioController.GetDefault().OpenPin(4, GpioSharingMode.Exclusive);

このピンをDht11クラスのコンストラクタに渡し、GPIOピンドライブモードを指定します。これにより、独自のプルアップ抵抗を追加するかどうかを決められます：

Dht11 dht11 = new Dht11(_pin, GpioPinDriveMode.Input);

デバイスから読み取りを取得するには、GetReadingAsyncメソッドを使います：

DhtReading reading = await dht11.GetReadingAsync().AsTask();

最大リトライ値を指定するオーバーロードもあります。デフォルト値は20です。これは、読み取りを諦めて失敗読み取りを返す前に、センサー読み取りを試行する回数を指定します。

DhtReading構造体は以下のように定義されます：

public value struct DhtReading {
    bool TimedOut;
    bool IsValid;
    double Temperature;
    double Humidity;
    int RetryCount;
};

観察結果

C++では動作しますが、それでも毎回読み取りが成功するわけではありません。そのため、クラスにリトライオプションが必要です（これはMicrosoftのサンプルにも含まれています）。他のプラットフォームと比較して性能を見てみようと思いました。Raspberry Pi 2でRaspbianを動かし、Arduino Unoでもコードを試しました。両方のコードはGitHubリポジトリに含めています。

このプロジェクトに含まれるビデオで、各プラットフォームの出力をデモし、比較しています。

始め方

Raspberry Pi 2用回路の組み立て

ページ下部の図を参照しながら回路を組み立ててください（ワイヤーの色は任意ですが、組み立て時に分かりやすくするために選んでいます）。

• T字型Cobblerをハーフサイズブレッドボードの左端（番号が1から始まる側）に配置。左右の端ピンがそれぞれE1/F1、E20/F20に来るように
• 4.7kΩ抵抗をA4と3V3の間に接続
• オレンジのジャンパーワイヤーでB4とF28を接続
• 赤のジャンパーワイヤーでF29と3V3を接続
• 黒のジャンパーワイヤーでF30とGNDを接続
• DHT11センサーをJ30（-）、J29（+）、J28（s）に挿入
• リボンケーブルをCobblerとRaspberry Piに接続

Arduino用回路の組み立て

ページ下部の図を参照しながら回路を組み立ててください。

• 4.7kΩ抵抗をE12とE13の間に配置
• 白のジャンパーワイヤーでD13とArduinoのピン5を接続
• 赤のジャンパーワイヤーでD12とArduinoの5Vピンを接続
• 黒のジャンパーワイヤーでD11とArduinoのGNDを接続
• DHT11センサーをA11（-）、A12（+）、A13（s）に挿入
• USBケーブルでコンピュータとArduinoを接続

Raspberry Pi用アプリケーションの起動

Debug、ARM構成、Remote Machineを選択。プロジェクトを右クリックし、Property → Debugタブをクリック。Remote machineフィールドにRaspberry Pi 2のIPアドレスを入力し、Use authenticationのチェックを外します。

F5を押すと、アプリケーションがデバイスにデプロイされます（初回は数分かかる場合があります）。

Arduino用アプリケーションの起動

このプロジェクトのスケッチはGitHubのDht11_Speedファイルにあります。Arduino IDEでスケッチを開き、Arduinoにアップロード（Ctrl+U）、シリアルモニタを開始（Ctrl+Shift+M）。

やり方が不明な場合や初心者の方は、下のビデオでデモしています。

Raspbian用アプリケーションの起動

Raspberry Pi用のCコードは、このプロジェクトのGitHubでDht11.cファイルとして公開しています。ソースをRaspberry Piにコピーしてそこでコンパイルします。ファイルコピーにはWinSCPを使うのが好きです。持っていない場合はダウンロードしてインストールをお勧めします。ソースコードはwiringPiを使用するため、コンパイル前にインストールが必要です。

Raspberry Piでのコンパイルコマンド：

gcc -o Dht11_Speed Dht11_Speed.c -L/usr/local/lib -lwiringPi -std=c99 -lm

実行コマンド：

sudo ./Dht11_Speed 1000 10

ここで1000は1000ms（1秒）の遅延、10は読み取りサンプル数を指定します。

ビデオで、コードのコピー方法とRaspbian上でのコンパイル方法を詳しくデモしています。Raspbianのインストール方法はこちら。

ビデオ

下のビデオはアプリケーションのデモです。YouTubeでシアターモードで見ると最高画質で見られます。

コード

Visual Studio 2015 C#/C++ ソースコード（GitHub）

回路図

Dht11_RPi2.fzz

Dht11_Arduino.fzz