去年四月で日建設計エントランスホールで開催されたB.Information展で展示された作品の一つ、DDLのPhysicalComputingチームメンバーでつくったPerformative Tableのシステム仕組みを紹介したいと思います。

この展示のテーマとしては、世の中で様々な業界で取り込まれている情報工学の活用を示し、情報の取得(GET)、生成(MAKE)、蓄積(STOCK)、活用(UTILIZE)の四つの内容を巡って、日建設計DDLが見えている未来のVISIONをフィジカルな形まで落としてみてみました。

Performative Tableで展示した内容の一つは、取得した空間情報を設計とリアルタイムで反映することを目指しました。

流れを説明すると、
・Arduino DUEがシステムの「MASTER」として全体を統括します。
・DUEから「距離情報がほしい」という指示を出して、次なるMASTERとしてのArduino UNOに送信します。
・UNOがさらに実際距離を測れる複数な超音波距離センサーURM37に距離を要求する。
・取得した幾つ距離情報をUNOで一旦まとめて、DUEに返ります。
・比較的に処理機能高いDUEが距離情報を処理して、LEDパネルのピクセルデータを出力します。

ここまでが一つの循環で、これを繰り返します。

全体の流れ。

今回はトータル長さ63メートル、計3780個のAdafruit LEDを同時に制御するため、比較的に性能良いマイコンが必要です。通常にUNOやMEGAをつかりますが、その二つはSRAMの制限があります。一個のLEDの情報がR,G,B三つの数値を一時的に保存するため、せめて3byteが必要なので、SRAM容量高いDUEを選びました。注意する点としては、DUEが普通3.3Vの環境で作動するので、通常5Vの環境で作動するセンサーやLEDのため信号のキャリブレーションが必要となります。

距離センサーについて、市販のHC SR04とGP2Y0A710Kなどのセンサーがありますが、今回の作動距離は約50㎜から200㎜までに予想しますので、DFROBOTのURM37 V4.0を選択しました。製品シートURM37の上下左右範囲を確認して、これによって会場配置センサーの数を決まりました。

距離センサーの制御について、MASTERから「距離情報がほしい！」という指示によって作動しますので、センサーSerial Passive Modeを使いました。そのため１センサーに対して、一台のUNOがいります。今回は大量のセンサーが必要のため、UNOのCPU、ATMEGA-328PをUNOとして使いました。

ATMEGA-328PをUNOとして使う基本回路を半田付けて、CPUなしUNOからコードの書き込みも実行しました。

センサー情報をMASTERに投げる前、まずUNOに渡します。I2Cプロトコルを経由して、複数センサーとArduinoのネットワークを構築できました。

センサーとATMEGA-328Pを集約して、「センサーボックス」を自作しました。距離センサーの基本作動原理は、発射した超音波が物にぶつかった返す時の振動を測って、距離の数値を分かることができます。実際にボックスを被って使うと、センサーで振動を測る部分とボックスがしっかり繋がっていますので、結局振動が測れないになりました。緩和案として、ボックスの穴をできるほど大きくに開けたうえで、センサーとボックスの間クッションを入れて、センサーの位置を固定しながら振動を影響しないようにセンサー装置を作りました。

Adafruit NeoPixelは、一つ一つLEDの色を制御できるので、情報フィードバックのアウトプットとして使いました。LEDストライプをマトリックスに組み立て、大きな発光スクリーンと考えられます。

NeoPixelを制御するため、パワーサプライを加えて、LEFの色を指定するためのデーター入力がいります。LEDが順番で繋がっているので、番号が指定すればLEDの色が制御できます。注意するのは、電源とは違い、データーの入力と出力の方向があるので、繋がる前にストライプで書いた矢印の確認が必要です。

LEDストライプをパネルに貼り付けて、パワーサプライの場所を決まります。

使う電源について、LED使う最大パワーを確認しました。R,G,B別々で最大出力、つまり白い色が出力時の最大パワーとなります。全体の必要なパワーを計算して上で電源を選びました。

DUEの性能制限のため設計した光るパターンはもっと攻めることもできると思います。
しかし、今回DDLのPhysical Computing Teamでチャレンジしたことは、全体ロジックを考える上で、電子部品の情報収集と比較からテーブルのフィジカルモックアップ、そして安全テスト(主なにLEDパネルのパワー供給やケーブル選択)も含めて複雑な電子部品のネットワークを構築することでした。ここで身に着けた知識と技術、様々な空間情報を建築設計のなかでの活用を考えていこうと思います。

Reference:
http://voltechno.com/blog/urm37/
http://ht-deko.com/arduino/atmega328p.html
http://www.techbitar.com/how-to-network-many-arduinos-with-sensors-using-i2c.html