2018.08.28

【ソレノイド詳細解説】IoTの力でスマホを振るとソレノイドがシュコシュコ動く仕組みを作ってみる

たくろーどん

駆動部品いろいろ

こんにちは、たくろーどんです。

これまでの記事では、電子工作に使えそうな駆動部品を紹介してきました。サーボモータ、ステッピングモータときたら……次に使ってみたいのはソレノイドですよね！

ということで、ソレノイドをNefry BTで使えるようにしていきたいと思います。

そして、最終的にはスマートフォンをシェイクするとソレノイドをシュコシュコ動かせるようにしてみたいと思います。

ソレノイドのしくみ

ソレノイドとは銅線（コイル）に電流を流すことにより磁界を発生させ、磁性体の可動鉄芯を吸い寄せる（吸引）電気部品のことです。電流を流している間は常に吸い寄せられていますが、電流を切ると吸引力はなくなります。

下記に、その仕組みを簡単に示しました。

仕組み.png

また、この動作を応用して

プル（吸引）ソレノイド
プッシュ（押し）ソレノイド：プッシュバーを装着した「吸引=押し」動作
自己保持ソレノイド：永久磁石を組込むことによりそれぞれの動作を保持

といった種類があります。

ソレノイドを使ってみる

まずは簡単な例として、Nefry BTについているスイッチを押すとソレノイドが動くようにしてみます。

用意するもの

NchパワーMOSFET 2SK2232：スイッチングのために使用(FETはトランジスタと違って電圧でトリガーとなる)
ソレノイド 5V ZHO-0420S-05A4.5A プッシュ型
整流ダイオード：逆起電力(ソレノイドへの電力供給停止後、ソレノイドの棒が元に戻るときに発生する起電力)を防止するため(マイコンの破壊を防止する)

回路

※ソレノイドに極性(+、-)はありません！なので、安心して配線しましょう！

回路図.png

プログラム

「NefryBTの環境構築」を参考に、Nefry BTに下記のプログラムを書き込みます。

#include<Nefry.h>

void setup() {
  Serial.print(115200);
  pinMode(D4, OUTPUT);
}

//FET:電圧閾値0.8～2.0V　今回使っているトランジスタの場合は！
void loop() {
  digitalWrite(D4,LOW);
  if(Nefry.readSW()){
  digitalWrite(D4,HIGH);
  }
}

動かしてみると

Nefry BTのスイッチを押すと、シュコシュコします。

IoTでソレノイドをシュコシュコする

それでは、スマートフォンをシェイクするとソレノイドをシュコシュコ動かせるようにしていきたいと思います。ここでは、スマートフォンの加速度を利用します（スマートフォンの加速度の利用する方法はこちらに少しまとめてあります）。

Node-Redのフローを作る

Node-REDで下記のようなフローを作成します。

node-redのフロー.png

Node-REDの詳細は前回の記事をご覧ください。

クリックしてコードを表示

      
      [
          {
              "id": "2c912723.4f0338",
              "type": "http in",
              "z": "57519a9b.8fba94",
              "name": "",
              "url": "sensor4",
              "method": "get",
              "upload": false,
              "swaggerDoc": "",
              "x": 70,
              "y": 100,
              "wires": [
                  [
                      "94c3393a.020d68"
                  ]
              ]
          },
          {
              "id": "94c3393a.020d68",
              "type": "template",
              "z": "57519a9b.8fba94",
              "name": "HTML",
              "field": "payload",
              "fieldType": "msg",
              "format": "html",
              "syntax": "mustache",
              "template": "<!DOCTYPE html>\n<html lang=\"ja\">\n<head>\n<meta charset=\"utf-8\">\n<meta name=\"viewport\" content=\"width=device-width,initial-scale=1\">\n<title>加速度検出</title>\n</head>\n \n<body>\n<div id=\"datatxt\">データの表示</div> \n \n<script>\n    var encrypted = \"{{{req.connection.encrypted}}}\";\n    if (encrypted === \"true\") {\n        var wsUri = \"wss://{{{req.hostname}}}:{{{req.connection.localPort}}}/accl1\";\n    }\n    else {\n        var wsUri = \"ws://{{{req.hostname}}}:{{{req.connection.localPort}}}/accl1\";\n    }\n    var ws = new WebSocket(wsUri);\n\n    var accx = null;\n    var accy = null;\n    var accz = null;\n\n    function sendMessage() {\n        // 画面書き換え\n        var txt = \"wsUri:\" + wsUri + \"<br>\";\n        txt += \"x:\" + accx + \"<br>\";\n        txt += \"y:\" + accy + \"<br>\";\n        txt += \"z:\" + accz + \"<br>\";\n\n        var datatxt = document.getElementById(\"datatxt\");\n        datatxt.innerHTML = txt;\n\n        // WebSocket送信\n        var payload = {\n            'accx': accx,\n            'accy': accy,\n            'accz': accz,\n        };\n        ws.send(JSON.stringify(payload));\n    }\n\n    function handleMotionEvent(evt) {\n        //加速度\n        accx = evt.acceleration.x;\n        accy = evt.acceleration.y;\n        accz = evt.acceleration.z;\n    }\n\n    window.addEventListener(\"devicemotion\", handleMotionEvent, true); //情報変更ごとにイベント発生\n    window.setInterval(sendMessage, 500); // 500msごとにイベント発生\n\n</script>\n</body>\n</html>",
              "output": "str",
              "x": 317.00000762939453,
              "y": 100.00000286102295,
              "wires": [
                  [
                      "c9b732b9.d5df9"
                  ]
              ]
          },
          {
              "id": "c9b732b9.d5df9",
              "type": "http response",
              "z": "57519a9b.8fba94",
              "name": "",
              "statusCode": "",
              "headers": {},
              "x": 541.0000152587891,
              "y": 100.00000190734863,
              "wires": []
          },
          {
              "id": "af4fa6f9.139f88",
              "type": "websocket in",
              "z": "57519a9b.8fba94",
              "name": "",
              "server": "250c9625.e420aa",
              "client": "",
              "x": 60,
              "y": 220,
              "wires": [
                  [
                      "1c16e58e.096d5a"
                  ]
              ]
          },
          {
              "id": "1c16e58e.096d5a",
              "type": "json",
              "z": "57519a9b.8fba94",
              "name": "加速度をjson形式に変換",
              "property": "payload",
              "action": "",
              "pretty": false,
              "x": 310,
              "y": 320,
              "wires": [
                  [
                      "b50a0d6c.0c67a",
                      "10eecadd.b9fbe5",
                      "1c843637.566a8a"
                  ]
              ]
          },
          {
              "id": "b50a0d6c.0c67a",
              "type": "switch",
              "z": "57519a9b.8fba94",
              "name": "加速度判定",
              "property": "payload.accz",
              "propertyType": "msg",
              "rules": [
                  {
                      "t": "gt",
                      "v": "10",
                      "vt": "num"
                  },
                  {
                      "t": "btwn",
                      "v": "6",
                      "vt": "num",
                      "v2": "10",
                      "v2t": "num"
                  },
                  {
                      "t": "lte",
                      "v": "5",
                      "vt": "num"
                  }
              ],
              "checkall": "true",
              "repair": false,
              "outputs": 3,
              "x": 533.0000152587891,
              "y": 312.0000088214874,
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                  [
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                  ],
                  [
                      "dddabb62.392ea8"
                  ],
                  [
                      "7c53f99b.cba9e8"
                  ]
              ]
          },
          {
              "id": "ec7a3c72.a1361",
              "type": "debug",
              "z": "57519a9b.8fba94",
              "name": "",
              "active": true,
              "tosidebar": true,
              "console": false,
              "tostatus": false,
              "complete": "payload",
              "x": 1110,
              "y": 320,
              "wires": []
          },
          {
              "id": "d1c70b54.eb01d8",
              "type": "comment",
              "z": "57519a9b.8fba94",
              "name": "加速度を出力",
              "info": "",
              "x": 70,
              "y": 60,
              "wires": []
          },
          {
              "id": "10eecadd.b9fbe5",
              "type": "mqtt out",
              "z": "57519a9b.8fba94",
              "name": "/NefryBT/SOLE",
              "topic": "/NefryBT/SOLE",
              "qos": "",
              "retain": "",
              "broker": "f9299578.86bcb8",
              "x": 470.0000915527344,
              "y": 530.0000152587891,
              "wires": []
          },
          {
              "id": "1c843637.566a8a",
              "type": "debug",
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              "name": "",
              "active": false,
              "tosidebar": true,
              "console": false,
              "tostatus": false,
              "complete": "payload",
              "x": 311.00004959106445,
              "y": 583.0000152587891,
              "wires": []
          },
          {
              "id": "326dd035.413f1",
              "type": "change",
              "z": "57519a9b.8fba94",
              "name": "accz > 10 のときの文字列「large」",
              "rules": [
                  {
                      "t": "set",
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                      "pt": "msg",
                      "to": "large",
                      "tot": "str"
                  }
              ],
              "action": "",
              "property": "",
              "from": "",
              "to": "",
              "reg": false,
              "x": 818.000020980835,
              "y": 274.00000762939453,
              "wires": [
                  [
                      "ec7a3c72.a1361"
                  ]
              ]
          },
          {
              "id": "dddabb62.392ea8",
              "type": "change",
              "z": "57519a9b.8fba94",
              "name": "accz:6~10 のときの文字列「medium」",
              "rules": [
                  {
                      "t": "set",
                      "p": "payload",
                      "pt": "msg",
                      "to": "medium",
                      "tot": "str"
                  }
              ],
              "action": "",
              "property": "",
              "from": "",
              "to": "",
              "reg": false,
              "x": 840,
              "y": 320,
              "wires": [
                  [
                      "ec7a3c72.a1361"
                  ]
              ]
          },
          {
              "id": "7c53f99b.cba9e8",
              "type": "change",
              "z": "57519a9b.8fba94",
              "name": "accz <= 5 のときの文字列「small」",
              "rules": [
                  {
                      "t": "set",
                      "p": "payload",
                      "pt": "msg",
                      "to": "small",
                      "tot": "str"
                  }
              ],
              "action": "",
              "property": "",
              "from": "",
              "to": "",
              "reg": false,
              "x": 820,
              "y": 360,
              "wires": [
                  [
                      "ec7a3c72.a1361"
                  ]
              ]
          },
          {
              "id": "53d3ea65.523574",
              "type": "comment",
              "z": "57519a9b.8fba94",
              "name": "加速度を受信して橋渡し",
              "info": "",
              "x": 110,
              "y": 180,
              "wires": []
          },
          {
              "id": "422cdf71.4a17e",
              "type": "comment",
              "z": "57519a9b.8fba94",
              "name": "MQTTで加速度をjson形式で送信",
              "info": "",
              "x": 520.0000152587891,
              "y": 490.00001430511475,
              "wires": []
          },
          {
              "id": "d24b4e1f.58b25",
              "type": "comment",
              "z": "57519a9b.8fba94",
              "name": "デバック画面に加速度の具合を表示させる部分",
              "info": "",
              "x": 641.0000152587891,
              "y": 226.00000667572021,
              "wires": []
          },
          {
              "id": "250c9625.e420aa",
              "type": "websocket-listener",
              "z": "",
              "path": "/accl1",
              "wholemsg": "false"
          },
          {
              "id": "f9299578.86bcb8",
              "type": "mqtt-broker",
              "z": "",
              "name": "",
              "broker": "http://test.mosquitto.org/",
              "port": "1883",
              "clientid": "",
              "usetls": false,
              "compatmode": true,
              "keepalive": "60",
              "cleansession": true,
              "birthTopic": "",
              "birthQos": "0",
              "birthPayload": "",
              "closeTopic": "",
              "closeQos": "0",
              "closePayload": "",
              "willTopic": "",
              "willQos": "0",
              "willPayload": ""
          }
      ]

Nefry BTにプログラムを書き込む

Nefry BTに書き込むプログラムはこちらです。

クリックしてコードを表示

      
      #include <Nefry.h>
      #include <WiFiClient.h>
      #include <PubSubClient.h>
      #include <ArduinoJson.h>

      IPAddress endpoint;
      const int port = 1883;

      const char *pubTopic;
      const char *subTopic;
      const char *deviceName;
      const char *mqtt_server = "test.mosquitto.org";

      WiFiClient httpsClient;
      PubSubClient mqttClient(httpsClient);



      void setup() {
        ////ソレノイドのピン設定/////////////////////////////////
        pinMode(D4, OUTPUT);

        //// NefryBT設定 ////////////////////////////////////////

        // NefryBT
        subTopic = "/NefryBT/SOLE";
        deviceName = "NefryBT_SOLE";  // 複数台で利用する場合は必ずかぶらないように変更する

        Serial.begin(115200);

        mqttClient.setServer(mqtt_server, port);
        mqttClient.setCallback(mqttCallback);

        connectMQTT();
      }

      void connectMQTT() {
          Serial.println("connectMQTT");
          Serial.println(deviceName);
          while (!mqttClient.connected()) {
            Serial.print(".");
              if (mqttClient.connect(deviceName)) {
                  Serial.println("Connected.");
                  int qos = 0;
                  mqttClient.subscribe(subTopic, qos);
                  Serial.println("Subscribed.");
              } else {
                  Serial.print("Failed. Error state=");
                  Serial.print(mqttClient.state());
                  // Wait 5 seconds before retrying
                  delay(5000);
              }
          }
      }

      char pubMessage[128];

      void mqttCallback (char* topic, byte* payload, unsigned int length) {

          String str = "";
          Serial.print("Received. topic=");
          Serial.println(topic);
          for (int i = 0; i < length; i++) {
              Serial.print((char)payload[i]);
              str += (char)payload[i];
          }
          Serial.print("\n");

          StaticJsonBuffer<200> jsonBuffer;

          JsonObject& root = jsonBuffer.parseObject(str);

          // パースが成功かどうか判断
          if (!root.success()) {
            Serial.println("parseObject() failed");
            return;
          }
         //z軸方向の加速度を取り出している
          const char* message = root["message"];
          int accz = root["accz"];

          Serial.print("accz = ");
          Serial.println(accz);

         //加速度に応じてソレノイドのシュコシュコ速度が変化
          if(accz >= 10 || accz <= -10){
             Serial.println("シュコシュコシュコ");
             digitalWrite(D4,LOW);
             delay(50);
             digitalWrite(D4,HIGH);
             delay(50);
          }else if(10 > accz >= 6 || -10 < accz <= 6){
             Serial.println("シュコシュコ");
             digitalWrite(D4,LOW);
             delay(200);
             digitalWrite(D4,HIGH);
             delay(200);
          }else{
             Serial.println("シュコ");
             digitalWrite(D4,LOW);
             delay(500);
             digitalWrite(D4,HIGH);
             delay(500);    
          }

          delay(100);

      }

      void mqttLoop() {
          if (!mqttClient.connected()) {
              connectMQTT();
          }
          mqttClient.loop();
      }

      void loop() {
        mqttLoop();
       }

動かしてみると

シリアルモニタを見てみると、スマートフォンの加速度の変化に応じて値が表示されます。

ソレノイド＿シュコシュコ事案.gif

下記のようにスマートフォンをシェイクすると、ソレノイドの挙動が変化してます（音をよく聞くと、ソレノイドが早く動いたり遅く動いたりしているのがわかります)。

ソレノイド探求です。
スマホの加速度に応じてソレノイドのシュコシュコ具合が変化します。
https://t.co/6qugBugDOU @YouTubeさんから
— たくろーどん (@takudooon) 2018年8月10日

無事、スマートフォンをシェイクするとソレノイドをシュコシュコ動かすデバイスができました！

ソレノイドを使った機構の例

ソレノイドはシンプルな動作をしますが、何かをつくるときの機構として使うことができます。動画ではソレノイドを上下させることでクラッピーに拍手させています。工夫次第では面白い機構が作れるでしょう。

ソレノイドを用いた機構 https://t.co/Y3KeMOUg1z @YouTubeさんから
— たくろーどん (@takudooon) 2018年8月9日

おわりに

発想は自分次第です。ソレノイドを使って面白いデバイスをつくってみてください！

参考

ソレノイドの動作説明: ソレノイドの製造・販売で有名なタカハ機工株式会社より