段々夏らしい気温になってきた．そこで，今回は RaspberryPi を使って持て余していた湿度センサを例にI2Cデバイスを使う方法を書く．
必要なもの
- RaspberryPi
- 湿度センサ（HTU21D）
- センサとRasPiを接続する適当な線
手元にあったこの赤いセンサは既に販売終了しているようだが，こっちの青いセンサでも使い方は同じ．
RaspberryPiを設定する
raspi-configでI2Cを有効にする
$ sudo raspi-config
設定箇所は Interfacing Options > I2C ．
必要なパッケージをインストールする
$ sudo apt install i2c-tools bc
I2Cを使う方法はC言語やPythonなど色々あるけれど，今回はあくまで簡単に使うだけなのでi2cget/i2csetコマンドを使ってモジュールを操作していく．加えてモジュールから取得した値を計算するためにbcコマンドもインストールしておく．
ここまでの状態でカーネルモジュールも読み込まれ，1番のI2Cバスが生成されている．
$ lsmod | grep i2c i2c_bcm2835 16384 0 i2c_dev 20480 0 $ ls /dev/i2c* /dev/i2c-1
I2Cモジュールの使い方
RaspberryPiとモジュールを接続
RaspberryPiとモジュールを図のような形で接続する．どのピンが何なのかわからないときは公式の情報を参照する．公式情報に記載のある通り，Pinout Leafを使うとわかりやすい．
モジュールを操作する
仕様書を読んでI2Cのスレーブアドレスとコマンドの仕様を確認する．
アドレス：0x40
I2Cのアドレスは先頭から7bit部分で，残りの1bitはコマンドを送る際のread/writeを表すのに使う．これはどのモジュールでも共通．
I2Cバスの状態を確認するとモジュールが認識されていることがわかる．
$ i2cdetect -y 1
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 a b c d e f
00: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
10: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
20: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
30: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
40: 40 -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
50: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
60: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
70: -- -- -- -- -- -- -- --
仕様書から抜粋したコマンドは以下の通りで，湿度と気温の測定が出来る．各コマンドRead/Writeどちらで使うかは仕様書を読んで確認する．慣れてくると感覚で判別出来るようになるかもしれない．
| Command | Code | Comment |
|---|---|---|
| Trigger Temperature Measurement | 0xE3 | Hold master |
| Trigger Humidity Measurement | 0xE5 | Hold master |
| Trigger Temperature Measurement | 0xF3 | No Hold master |
| Trigger Humidity Measurement | 0xF5 | No Hold master |
| Write user register | 0xE6 | |
| Read user register | 0xE7 | |
| Soft Reset | 0xFE |
例えば設定を読み取る（0xE7）場合，シーケンス図は次のようになっている．2列目の部分までが設定を読み取っている部分で，0xE7をwriteで送信した後にreadで結果を待っている．
これはi2cgetコマンドを使って次のようになる．今回はデフォルトのままで問題ないので，どのビットが何を表しているのかは説明しない．詳細は仕様書の「User register」の項目を参照のこと．ついでに設定を変更する場合はi2csetコマンドを使って書き込む．
$ i2cget -y 1 0x40 0xE7 0x02 $ i2cset -y 1 0x40 0xE6 0x02 i
i2cget/i2csetコマンドの挙動についてはこのページがよく検証されているので参考にするといい．
ここまででコマンドの使い方がわかってきたと思うので，いよいよ気温を測定してみる．気温の計算には応答の先頭16bitが必要なので，コマンド末尾にオプションwをつける．
$ i2cget -y 1 0x40 0xE3 w 0x3870
ここでRaspberryPiはリトルエンディアンなので，i2cgetコマンドの結果は 0x7038 として処理する必要がある．
$ lscpu | grep 'Byte Order'
Byte Order: Little Endian
また，末尾2bitは測定したデータが気温か湿度のどちらなのか判別する部分であり，仕様書にある通り計算前に0にしておく必要がある．
The two status bits, the last bits of LSB, must be set to ‘0’before calculating physical values.
ここまでの情報を整理して，仕様書の変換式に当てはめて計算すると次のようになる．bashだけでは複雑な計算は難しいので，計算出来るのは気温と湿度くらい．C言語やPythonなどなど計算しやすい言語を使えば他の変換式も使えるが，今回の目的は簡単にI2Cモジュールを使うことなので，気温と湿度が計算できれば良しとする．
$ RET=$(i2cget -y 1 $ADDRESS $CMD_mTemp_HM w) $ RAW=$(( ($RET & 0xfc00)>>8 | ($RET & 0x00ff)<<8 )) $ TEMP=$(echo "scale=2; -46.85+175.72*$RAW/65536" | bc ) # 65536 = 2^16 $ echo $TEMP 30.17
簡単に使えるように簡単なスクリプトを書いた．需要があれば参考にどうぞ．
$ ./htu21d.sh help # HELP Usage: htu21d.sh [OPTION] t measure temperature h measure relative humidity help show this message
おわりに
HTU21Dを例にRaspberryPiで簡単にI2Cデバイスを使う方法を書いた．bashだけではあまり複雑な計算は出来ないので，変換式が複雑なものは別の言語も使う必要がある．
$ echo -e "temp=$(./htu21d.sh t)\nhumi=$(./htu21d.sh h)" temp=33.66 humi=57.94
そろそろ暑い．．．
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