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bookmark_borderUVをセンサで計測してみよう!⑤ ～外で実際に動作を確認してみよう　~準備編Ⅱ

投稿者： ユキグマ

ついにセンサー情報をBLEで飛ばし、無線化しますよ～

動作結果イメージ

今回は、こんな風にUVインデックスが出てくるようにしたいですね。

スマホアプリ画面

ハードウェア

使用するLeafonyのリーフが１枚、追加になります。

AX018 29pin header

今回追加

AC02 BLE Sugar

Al01 4-Sensors

AP01 AVR MCU

AZ01 USB

AV01 CR2032

AZ01 USBは、ソフトウェア書き込み時のみ使用し、動作時には外します。AV01 CR2032は前回同様、ねじ止めとして使用します。

leafの積み重ね方

重ね方は、こんな感じです。

ソフトウェア書き込み時ソフトウェア書き込み後
上から順に
29pin header, USB, AVR MCU, BLE Sugar, CR2032の順につなげてねじ止めします。		上から順に
29pin header, 4-Sensors, AVR MCU, BLE Sugar, CR2032の順につなげてねじ止めします。

書き込み時に4-Sensorsのリーフを抜いた理由としては付属のネジだと物理的に長さが足りなかったからです。なお、今回、センサーからのデータを取得するのに29pin headerのリーフを使用しました。

このAX018にした理由としては

  • 3.3V出力ピンがあること
  • ピンヘッダーがすでにあるので、リーフに追加で半田しないで使用できること

というメリットがあったからです。

もともとピンヘッダーが付属しているGrove＆5Vのリーフを考えていて、高さも取らないし丁度いいかーと考えていたのですが、改めて仕様書みたとき”5V”出力じゃん”というのに気づきまして今回は3.3V出力ピンがあるAX018になりました…

さらにピンヘッダーがすでにあるので、リーフに追加で半田しないで使用できること。これは大きいです。同じく29pin のリーフだとAX02 29 pinもあるのですが、こちらはセンサからの線を直接半田することになるので、ほかのセンサーや実験に使用しづらくなるためAX018にしました。

ヘッダー分の高さを取らないのでいいのですが、ぶっちゃけきれいに半田を取る自信がなく。。。

リスクヘッジも実力よ..

ソフトウェア

前回、Leafonyを動かしてみようで使用したソフトウェアをベースに実装していきます。

まず、記事 # UVをセンサで計測してみよう　~センサを実際に動かしてみる~で実装したプログラムから蛍光ペンで示した箇所の処理をベースのプロジェクトに追加します。

UVをセンサで計測してみよう!③ ～センサを実際に動かしてみる

Arduino側のプログラム動作手順概要：

(以下引用) 　＞

  1. 初期設定
    • PCとのHardwareSerial通信を開始
    • センサのイネーブルピンにHigh出力
    • 1secのタイマを開始
  2. タイムアウト時にセンサの出力ピンからアナログ値を取得
  3. 取得した値を電圧値に変換
  4. 電圧値からUVインデックス値に変換してシリアルで表示

＞

追加した箇所は、こうなります。

変更箇所➡変更後
センサのイネーブルピンにHigh出力setupPort()　関数内に追加
・センサの出力ピンからアナログ値を取得
・取得した値を電圧値に変換
・電圧値からUVインデックス値に変換		loopSensor() 関数内に追加

これで定期的にUVインデックス値を求めることができるようになりました。(注) 基本的には上記の処理をベースのプロジェクトに追加すればよいのですが、以下の点は修正が必要です。

また、以下の設定変更も必要です。

  • アナログ値を電圧値に変換する際のリファレンス電圧を5Vから3.3Vにする
  • センサーとの接続ピンをベースのプログラムで使用していないピンに変更する
ピン変更箇所➡ピン変更後
センサ値の入力ピン　　　　　　A0 　A3
センサへのイネーブル出力ピン　D7 　D5

UVインデックスの定期無線送信設定

最後に定期的に取得したUVインデックスを無線で送信できるようにします。

ベースのソースコードを読むとbt_sensData() 関数内において無線で送信するデータを設定しているようです。そこで、そのうちもともと照度データを設定している箇所をUVインデックス値に差し替えします。

合わせて小数点以下の値も表示したいのでdstorfの引数の値も変更します。

これでソフトウェアの実装は完了です。

今までに作成したコードのコピペと少ない修正で無線化のプログラムができました!!　

動作結果

UVをセンサで計測してみよう　~センサを実際に動かしてみる~のときと同じようにUV LEDネイルライトで実験してみました。動作するかな。。。

スマホアプリ画面

照度の欄にUVインデックス値が表示されていますね!!

無事無線化できました!!

次は組み立てたLeafonyを手ごろなケースに入れたいと思います! ケースに入れればこれで準備編も終了です！実計測までもう少しです!!

UVをセンサで計測してみよう!⑥ ～外で実際に動作を確認してみよう　~準備編Ⅲ
ユキグマ
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bookmark_borderUVをセンサで計測してみよう!④ ～外で実際に動作を確認してみよう　~準備編Ⅰ~

投稿者： ユキグマ

こんにちは。あたふた仕事に追われていたら、10月になっていました💦
相変わらず外は30℃超える日もあってアチチ。。秋っぽい高い青空が待ち遠しい～

## センサ値を無線で飛ばそう

さて、前回は、PCでセンサ値を表示することができましたが、実際に外で実験する場合、PCを持ち歩かないといけないというのは大変なので無線化して、スマートフォンで確認できるようにしたい！と申しておりました。 (PC持ち歩いてしたら不審な行動に見られそうですし。。)

それを今回やります！　↓前回の記事はこちらから。

UVをセンサで計測してみよう!③ ～センサを実際に動かしてみる

無線化するにあたっていろいろな方法がありますが、今回はArduinoと互換性がある”Leafony”を使用してBLEでセンサ値を飛ばしてスマートフォンに表示したいと思います。

Leafonyを選択した理由としては、前回でArduinoを使用してUVインデックスを求めた時のコードをそのまま使用できる点で便利!!という点と、基板サイズが一円玉サイズと小さいので外で実験したとき怪しまれづらいかなーという思いで。(^^)

Leafonyの一円玉との比較

## Leafonyを動かしてみよう

Leafonyが動作することをまず確認してみようと思います。

Leafonyの公式HPにあるクイックスタートの”BLEで環境センシング”を試してみます。

Basic Kit スタートガイド | Leafony

## ハードウェア

今回使用するリーフはこれら５つです。AV01はleafを重ねて”ねじ止め”するだけに使い、電源はAZ01 USBから供給します。

AC02 BLE Sugar

Al01 4-Sensors

AP01 AVR MCU

AZ01 USB

AV01 CR2032

上から順に　①4-Sensors, ②USB, ③AVR MCU, ④BLE Sugar, ⑤CR2032の順につなげてねじ止めします。

## ソフトウェア

Sample-Sketches/4-Sensors_BLE at master · Leafony/Sample-Sketches · GitHub

を使用。

但し、使用したライブラリがこのサンプルのバージョンとあっていないか、違うライブラリを使用したのか以下の点をサンプルから変更しました。

変更前➡　変更後
#include <HTS221.h>#include <Arduino_HTS221.h>
#include <ST7032.h>#include <LCD_ST7032.h>
ST7032 lcd;LCD_ST7032 lcd;
lcd.begin(8, 2);　　　lcd.begin();
lcd.setContrast(30);　lcd.setcontrast(30);
smeHumidity.begin();HTS.begin();
dataTemp = (float)smeHumidity.readTemperature();　dataTemp = (float)HTS.readTemperature();
dataHumid = (float)smeHumidity.readHumidity();　dataHumid = (float)HTS.readHumidity();

## 動作結果

Andoridスマホのブラウザからセンサ値がきちんと表示されました!

Leafonyが正常に動作することを確認できましたので、次はとうとう今回の本題、UVインデックスの値を無線で飛ばして確認できるようにしたいと思います!

UVをセンサで計測してみよう!⑤ ～外で実際に動作を確認してみよう　~準備編Ⅱ
ユキグマ

ユキグマ

工作＆モノづくり系好き女子。電子工作グッズは無地のメイクボックスに入れてお部屋の雰囲気を保ちます。 フランボワーズケーキに目がないです。

bookmark_borderシステムLSIのブレイクスルー技術① 動的電圧周波数スケーリング（DVFS）(1)

投稿者： 曽根田 光生

久々にシステムLSI記事を更新します。今回は動的電圧周波数スケーリング（DVFS）の概要についてお伝えします。

DVFSとは

動的電圧周波数スケーリング（Dynamic Voltage and Frequency Scaling, DVFS）は、プロセッサの処理量（負荷）の大小に応じて、電源電圧およびクロック周波数を動的（適応的）に切り替える技術です。これにより、必要な性能を維持しつつ、消費電力を最適化し、発熱を抑えることができます。

このDVFSによるクロック周波数/電源電圧の動的切り替えについて、表１に示します。

表1 DVFSのクロック周波数/電源電圧動的切り替えとアプリケーション

各種システムLSI（SoC）やプロセッサでは低消費電力化を図るために動的電圧周波数スケーリング（DVFS）が広く導入されています。例えば、SoCの負荷が低いときには動作周波数及び電源電圧を下げ、低消費電力化を図ります。一方、高負荷時には高性能を必要とするアプリケーションに対して、周波数及び電源電圧を上げて高速処理を可能にします。DVFSは負荷の大小に応じて動的に最適な電圧/周波数を割り当て、低消費電力化を図る手法です。

各クロック周波数/電圧における具体的なアプリケーションは概ね下記の通りです。

2GHz/1.2V:AIモデルの学習や推論、ゲーム、ビデオ編集、画像認識、画像生成、画像処理タスク（高解像度）など、高負荷の作業時に切り替えます。
1.5GHz/1V:自然言語処理や音声認識など、中程度の負荷の作業時に切り替えます。
0.8GHz/0.5V:画像処理タスク（低解像度）、長時間かけて良い推論、Office作業、Web閲覧、スリープモードなど、低負荷の作業時に動的切り替えを実施します。

DVFSで用いられている負荷検出手段（MPUの例）

MPUにおいてDVFSで用いられている負荷検出手段を表2に示します。DVFSはMPUのみならず、モバイルプロセッサ、GPU, ECU 等で広く実用化されています。

負荷検出手段内容
CPU使用率プロセッサがどれだけ稼働しているかを示す指標
命令カウント一定時間以内に実行した命令の数
キャッシュミス率高いキャッシュミス率はメモリアクセスが頻繁に
コンテキストスイッチの頻度プロセッサが異なるタスク間で切替を行う頻度を測定
メモリバンド幅の使用率メモリに対するデータの読み書きの頻度
パフォーマンスカウンタ命令の実行数、分岐予測ミス（例外、割り込み）、キャッシュミス
センサーデータのモニタリング温度センサ、電力センサ(IVセンサ)の監視
表2 DVFSで用いられている負荷検出手段(MPUの例）

各半導体企業のソリューション例

各半導体企業が得意なアプリケーション、ハードウェアの競争力を高めるDVFS技術を提供しています。それぞれ簡単に説明します。

DVFSの種類概要
NVIDIA 「GPU Boost」GPUの電力管理を実現のための技術で、一部のGPUシリーズに搭載されています。
AMD GPU 「PowerTune」AMDの「PowerTune」は、エネルギー消費の削減に加え、コンピュータの冷却によって発生する騒音レベルを下げ、モバイルデバイスのバッテリー寿命を延ばすのに役立ちます。(wikipedia)
Intel MPU, GPU「DVFS」Intelは、MPU（マイクロプロセッサユニット）およびGPU（グラフィックスプロセッサユニット）においてDVFS技術を採用しています。これにより、プロセッサの動作周波数と電圧を動的に調整し、効率的な電力管理を実現しています。
Appleスマホ用プロセッサ Aシリーズ「DVFS」AppleのAシリーズプロセッサもDVFS技術を活用しています。これにより、iPhoneやiPadのパフォーマンスを最適化しつつ、バッテリー寿命を延ばすことができます。

DVFSは、現代のプロセッサにおいて不可欠な技術であり、各企業が独自のソリューションを提供しています。これにより、パフォーマンスと電力効率のバランスを取ることが可能となり、ユーザーにとって快適な使用体験を提供します。

次回はDVFSのブロック図、及び動作原理についてご説明します。

システムLSIのブレイクスルー技術② 動的電圧周波数スケーリング（DVFS）(2)
曽根田 光生

曽根田 光生

電気通信大学卒業。ソニー（株）で画像信号処理用LSI、ビデオメモリ、A/Dコンバータ、MPEG2チップの設計/商品化、低消費電力技術及びプレイステーション用セル回路設計などに尽力し、システムLSIに関連する特許を240件出願。ISSCC及びVLSI Circuitsのプログラム委員を歴任。工業所有権協力センター（財団）にて特許の先行技術調査を担当。 2023年ディー・クルー・テクノロジーズ（株）に入社。特許、半導体設計、技術人材育成等の業務に携わっている。
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