「IoTデバイス」実践入門

電気機器、機械、部品などをインターネットにつなげるためには、IoTデバイスとして、超小型の「通信ボード」を使います。通信ボードには、CPU、RAM、ROM（またはフラッシュメモリ）、通信チップ、センサーなどの周辺デバイスが実装されます。

その超小型び通信ボードをまじめに開発するには、回路図を設計し、基盤を作り、ＣＰＵや通信チップなどを実装し、動作させるまでには、スキルだけでなくかなりの費用と期間が必要です。

しかし、ありがたいことに、誰でも、安価に、IoTデバイスのプロトタイプを手に入れることができます。さらに、プログラムを容易に作れる、コンパイラー・リンカ―などの開発環境（Arduinoと呼ばれる）までそろっています。

■　IoT用通信ボードを購入する

今回、スイッチサイエンス社のホームページから、以下のIoTデバイスのプロトタイプを購入しました。
選定のポイントは、デバッカが使える、無線LANが使える、BlueToothが使えるの３つです。

「Arduino MKR WiFi 1010」

https://www.switch-science.com/catalog/7384/

実際に購入したものは、以下のようなものです。

また、スイッチサイエンスのホームページからデータシート、回路図などを取得できます。

■　購入したIoT用通信ボードの仕様

「Arduino MKR WiFi 1010」 のハードウェア仕様は以下の通りです。
　（スイッチサイエンスのホームページより引用）

1. ボード電源電圧（USB） : 5 V
2. 回路動作電圧 : 3.3 V
3. マイクロコントローラ : SAMD21 Cortex-M0+ 32bit ARM MCU
4. 通信モジュール : u-blox製 NINA-W102
5. セキュアエレメント : ATECC508
6. 対応バッテリ : Li-Poシングルセル、3.7 V、1024 mAh（最少）
7. ペリフェラル
   • デジタルI/Oピン：8ピン
   • PWMピン：13ピン（0 .. 8, 10, 12, 18 / A3, 19 / A4）
   • UART：1
   • SPI：1
   • I²C：1
   • アナログ入力：7（8/10/12ビット ADC）
   • アナログ出力：1（10ビット DAC）
   • 外部割り込み : 10（0, 1, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 16 / A1, 17 / A2）
   • I/Oピン経由DC電流 : 7 mA
8. メモリ
   • CPUフラッシュメモリ : 256 KB（内蔵）
   • SRAM : 32 KB
   • EEPROM : なし
9. クロック
   • RTC：32.768 kHZ
   • メインクロック：48 MHz
10. LED：6
11. USB：USB Full-Speed（デバイス/ホスト）
12. 寸法（mm） : 61.5 x 25 mm
13. 重量 : 32 g

また、ピン配列は以下の通りです。これらのピンを使って、センサーなどの周辺デバイスと接続します。
（スイッチサイエンスのホームページより引用）

■　統合開発環境：Arduino IDEのインストール

デバック機能が追加された最新バージョン２．０のベータ版をインストールします。

https://www.arduino.cc/en/software

ダウンロードして、インストーラをダブルクリックします。

ライセンス契約に同意します。

現在のユーザのみにインストールを選択します。

インストール先を指定します。

しばらく待って、インストール完了です。

■　 統合開発環境：Arduino IDEのセットアップ

インストールした Arduino IDE 2.0を起動します。

「Arduino MKR WiFi 1010」を使うには、Toolsメニュー からBoard → Board Managerを選択します。

左のBoard Managerの入力ボックスに「Arduino MKR」と入力します。
そうすると、「Arduino SAND Boards・・・」が表示されますので、”INSTALL”をクリックします。

インストールが終わったら、
ToolsメニューからBoard→”Arduino SAND Borad…”→” Arduino MKR WiFi 1010 ”を選択します。

「Arduino MKR WiFi 1010」 をUSBケーブルでPCに接続します。

Windowsのコントロールパネルからファイルマネージャを開き、 「Arduino MKR WiFi 1010」 が接続されたポート名（COM3）を確認します。

Toolsメニューから”Port COM3″→”COM3(Arduino MKR WiFi 1010)”を選択します。

「Arduino MKR WiFi 1010」 からボード情報を取得して、接続を確認します。
Toolsメニューから”Get Bord Info”を選択します。

バード情報が表示されます。

以上 で「Arduino MKR WiFi 1010」を使う準備ができました。

■　プログラムのコンパイル・リンク、デプロイ、動作

無線LAN（WiFI） を使ったサンプルのプログラムをコンパイル・リンクし、ボードに配置後、動作させてみます。

１） WiFiNINAライブラリ をインストールする

無線LAN（WiFI）を使ったプログラムをつくるには、ライブラリが必要になります。
「Arduino MKR WiFi 1010」には、SSLなどがサポートされた「WiFiNINA」というライブラリがありますので、これを使います。
これを端末側にもインストールするため、ファームウェア更新をします。
Toolsメニューから”WiFi101 / WiFiNINA Firmware Updater”を選択します。
ポップアップが表示されますので、ポートと最新バージョンを選択し、”Install”をクリックします。
成功するとポップアップに「Firmware Successfully installed」と表示されます。
失敗した場合、複数のArduino IDEが立ち上がっていることが影響していることがあります。
それらをクローズしてから再度実施してみてください。

２）サンプルのWebClientをコンパイル・リンク、デプロイ、動作

FileメニューからExamples→WiFiNINA→WiFiWebClientを選択します。

すると、 WiFiWebClient プログラムのプロジェクト画面（スケッチ）が起動します。

arduino_secrets.hタブを選択し、お使いのアクセスポイントのSSID、パスワードを設定します。

SketchメニューからVerify/Compileを選択し、コンパイル・リンクを実行します。
正常に終了すれば、”Compilation Complete.”が出力画面に表示されます。

SketchメニューからUploadを選択し、ボードにプログラムを配置します。
フラッシュメモリに書き込まれます。
配置されると、”Upload Complete.”が表示されます。

このサンプルプログラムは、動作ログをシリアル経由で出力します。この出力はUSB経由でArduino IDE上で見ることができます。

Toolsメニューから”Serial Monitor”を選択すると、下部にログが出力されます。

■　デバックはプローブがないとできない

このようにして、 IoTデバイスのプロトタイプである「Arduino MKR WiFi 1010」 を動作させることができます。

しかし、プログラムをボード上で動作させながらデバック（ステップ実行、ブレークポイント設定など）には、
別売のプローブ（Segger J-Link debugger）が必要となります。

学習用（EDU版）であれば、1万円前後で買えますが、製品用となると以下のように高額です。

SEGGER デバッガ プログラマ/インサーキットエミュレータ フラッシュマイクロコントローラ用 デバッグエミュレータ 1個入り 8.08.00 J-LINK BASE

また、以下のようにプローブを接続するにはボード側も、裏面にコネクタを半田付けする必要があります。

Using the Segger J-Link debugger with the MKR boards

残念ながら、今回は、デバックをあきらめました。
デバックが必要な場合、原始的ですが、ログを入れて動作をチェックするしかありません。

■　まとめ

ブート、割り込み制御、例外制御などＣＰＵや各デバイスを直接操作するようなローレベルのプログラミングはできず、またＯＳもないため、本格的な組み込みプログラミングをすることはできません。

しかし、数百円～数千円で、プログラミングできるＣＰＵボードを手に入れることができます。
プログラムをＲＯＭ（フラッシュメモリ）に焼いてから起動させ、自律動作させるという流れは、組み込みプログラミングの手順通りです。

手軽にIoTデバイスを動かし、ネットワーク接続をさせ、Webサーバと連動したアプリケーションを手を動かしながらプロトタイピングできることは、技術開発を行う上でも有効な手段となります。