Raspberry Pi Zero Wで温度ロガーをつくる

モチベーション

外気温を記録出来たら楽しいので。

注意

素人が適当に勘と見よう見まねでつくっているだけなので、不適切な部分があるかもしれません。参考にする場合は専門家に相談するようにしてください。責任取れませんので…。

システム構成

• Raspberry Pi Zero Wを使う。
  • 家の外に設置して記録したデータを取り出すのに、家のWifiに繋がれば楽なので。というかSSHで繋げられるので管理が楽。
• 16GBのmicro SDカード
• 温度センサは防水プローブに入ったDS18B20を利用
• あとプルアップ用に4.7 kΩの抵抗器が1つ必要。プルアップ用なので別にその辺りの抵抗値なら何でも良さそう。

環境

母艦パソコンのOSはWindows 10で、Cygwinでsshを使っている。

Raspberry Pi Zero Wのセットアップ

ctrl_interface=/var/run/wpa_supplicant
network={
    ssid="xxxxxxxxxxxxxxxxxxxx"
    psk=xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx
    key_mgmt=WPA-PSK
}

ssh pi@192.168.11.10

passwd

sudo passwd admin

sudo apt update
sudo apt upgrade -y

sudo raspi-config

sudo nano /etc/dhcpcd.conf

interface wlan0
static ip_address=192.168.11.10/24    
static routers=192.168.11.1
static domain_name_servers=192.168.11.1 8.8.8.8

cd ~
mkdir .ssh
nano .ssh/authorized_keys

chmod 600 .ssh/authorized_keys
chmod 700 .ssh

sudo nano /etc/ssh/sshd_config

Port 22 #外部公開しないのでデフォルトで良し

LoginGraceTime 30
PermitRootLogin no
StrictModes yes
MaxAuthTries 3
MaxSessions 5

PubkeyAuthentication yes

IgnoreRhosts yes

PasswordAuthentication no
PermitEmptyPasswords no

センサーのはんだ付け

1-Wire有効化

sudo nano /boot/config.txt

で/boot/config.txtを開き、

dtoverlay=w1-gpio

を追記、保存、再起動。

sudo reboot now

参考: 1-WIRE at Raspberry Pi GPIO Pinout

温度自動記録の設定

自動記録のコードを用意した。温度を読み取ってファイルに時刻と温度を書き込むだけのコード。
github.com

これを動かす。

cd ~
git clone https://github.com/nixeneko/record_temperature
git checkout v1.0
cp settings.py.template settings.py
ls /sys/bus/w1/devices/
nano settings.py 

/sys/bus/w1/devices/の中に温度センサのデバイスがあるので、使いたい温度センサ(たぶん28-で始まってるやつ)をメモして、settings.pyをそれに合わせて変更する。

sudo nano /etc/cron.d/record_temperature

SHELL=/bin/sh
PATH=/usr/local/sbin:/usr/local/bin:/sbin:/bin:/usr/sbin:/usr/bin

*/1 * * * * pi /home/pi/record_temperature/rec_temp.py

防水プラボックスの加工

屋外に設置するので防水プラボックス(今回使ったのはタカチ BCAP112107T)に入れる。大は小を兼ねるということで大きめにした、入らなかったら嫌なので。固定用の金具も購入。蓋が透明な奴にしたけど別に蓋が透明である必要なかったなと思った。

配線を通すために穴を開ける。

延長コードと遮断機付きのコードを繋ぎ、自己融着テープで絶縁・防雨対策

延長コードと遮断機付きのコードは適当に屋外でも使えそうなやつを通販で買った。室外機とかの屋外配線見る限りもっと簡易な作りのやつが使われてるような気がするんだけど…。

過電流遮断器なので短絡くらいしか検出できないけど、まあないよりマシかなあという感じ。漏電は配電盤の漏電遮断器が検出してくれると思う。

コード同士を接続し、自己融着テープで絶縁する。

自己融着テープは光に弱いらしく、ビニールテープでさらに巻いておくといいらしい。直射日光に当たらないのでそのままにしたが。

接地

2x4材を立てて、そこにタッピングネジでプラボックスを固定。

コードを屋外コンセントにつなぎ、電源を入れる。

インターネットからドメインでアクセスできるようにする

cd ~
nano update_ip.sh

#!/bin/sh
wget https://ipv4.mydns.jp/login.html --http-user=ID --http-passwd=PASSWORD -O /dev/null

chmod +x update_ip.sh
./update_ip.sh

sudo nano /etc/cron.d/update_dynamic_dns

SHELL=/bin/sh
PATH=/usr/local/sbin:/usr/local/bin:/sbin:/bin:/usr/sbin:/usr/bin

12 5 * * * pi /home/pi/update_ip.sh

ローカルからドメインでアクセスできるようにする

sudo apt -y install dnsmasq 
sudo nano /etc/dnsmasq.conf

domain-needed
bogus-priv
no-resolv
address=/example.com/192.168.11.10
server=192.168.11.1

sudo systemctl restart dnsmasq
sudo systemctl enable dnsmasq

気温のグラフを表示するWebサイト+CGIの設置

サイトのデータ置く用のユーザwwwを追加(この辺知識がないので何がベストプラクティスなのか分からない…)

sudo adduser --shell /bin/false www

適当に入力してユーザを作成。

サイトのデータを用意を次に用意したのでこれを使う。特定の日のデータをJSONで取得するCGIと、JSONで取得した温度データをChart.jsを使ってグラフにするHTMLファイルからなる。
github.com

用意。

sudo -Hu www /bin/bash
cd ~
git clone https://github.com/nixeneko/temperature_website
cd temperature_website/public/
cp settings.js.template settings.js
cp api/settings/settings.py.template api/settings/settings.py

Ctrl+D押してログアウト

HTTPサーバの設定

Apach2のインストールと設定

sudo apt -y install apache2
sudo nano /etc/apache2/sites-available/example.com.conf

設定を環境に合わせて次のようにする。

<VirtualHost *:80>
    ServerAdmin webmaster@localhost
    ServerName example.com
    DocumentRoot /home/www/temperature_website/public
    <Directory /home/www/temperature_website/public>
        Require all granted
    </Directory>
    <Directory /home/www/temperature_website/public/api>
        Options +ExecCGI
        SetHandler cgi-script
    </Directory>
    <Directory /home/www/temperature_website/public/api/settings>
        Require all denied
    </Directory>
    ErrorLog ${APACHE_LOG_DIR}/error.log
    CustomLog ${APACHE_LOG_DIR}/access.log combined
</VirtualHost>

サイトやモジュールの有効化

sudo a2enmod cgid
sudo a2ensite example.com.conf
sudo a2dissite 000-default.conf
sudo apache2ctl configtest
sudo systemctl restart apache2
sudo gpasswd -a www-data www

参考: Ubuntu 20.04にApache Webサーバーをインストールする方法 | DigitalOcean

ファイアフォールの設定(ufw)

sudo apt install ufw
sudo ufw default deny
sudo ufw allow 53
sudo ufw allow 80/tcp
sudo ufw limit 22/tcp
sudo ufw enable
sudo ufw status
sudo systemctl restart ufw

参考: https://qiita.com/hana_shin/items/a630871dce209cff04f3

ルータのポートフォワーディングの設定

80番ポートをRaspberry PiのIPアドレスに!
→全世界に公開!

ドメインにアクセスすると次のような画面が表示される。

百葉箱の設置

センサー部分は百葉箱の中に突っ込む。どうせ家の蔭で日には当たらないので別にいらない気もするが。
もともとは防水プラボックスごと百葉箱のなかに突っ込むつもりだったが思ったよりでかかったので外に出すことにした。なのでもっと小さいやつで良かったかもしれない…

まともな百葉箱は高いのでレーザーカッターによるそれっぽいキットを使った。

• ミニウェザーシールド（百葉箱） – Mistral Upside down

この中型ウェザーシールド。

梱包はこんな感じで、側面の鎧戸(戸ではないが)だけ組み立てられた状態で来た。

仮組みしようとしたら手前の板の片方の穴が3mm下にずれていて嵌まらなかった。

…ので、ナイフで削って嵌まるようにした。

仮組。

手前の取り外せるようになっている窓が、扉みたいになっていないので、取り外しはやや面倒かもしれない。あまり頻繁に開け閉めしたい場合には向かないと思う。

2x4材に固定できるように背面板に穴を開け、接着し塗装した(塗装と接着を交互にやって上手い具合にやろうとした)。塗装は白の水性塗料を刷毛で2重～3重に塗り重ねた(塗料がなくなったのでやめた)。

防水プラボックスの上方、2x4材にネジとナットで固定し、底に開けた穴からセンサーを中に入れ、センサーを針金で固定した。

ついでにケーブルをナイロンクランプで固定している。
蓋をして完成。

材料費

• Raspberry Pi Zero W: 1320円
• 16GBのSDカード: 858円
• : 899円
• 電源供給用USBケーブル: 263円
• ACアダプタ: 不明(スマホに付いてきたやつ)
• 延長コード 2m: 452円
• 防雨中間スイッチ: 1,010円
• 防水プラボックス: 1,551円
• プラボックス固定用金具: 374円
• 百葉箱キット: 9,020円
• 白塗料: 657円
• 接着剤: 327円
• シリコンシーラント: 437円
• 自己融着テープ: 437円

合計17,600円程度。

他に送料、工具類、固定用のネジ類、2x4材等などは書いてないが5千円はかかってるかもしれない。
百葉箱除けば1万円しないと考えると、いい感じかもしれない。

感想

要素要素の技術は大したことない(というか、誰かがしっかり舗装してくれているのでそれを辿るだけでいい)が、組み合わさるとなんかすごいことやってる気がしてくる。

温度センサの誤差が±0.5℃なので結構大きめ。もっと高精度のやつが使えればいいんだけど、防水プローブに入ったやつが見つからなかったのでどうすればいいのかよくわからない。直接雨が当たらなければ別に良さそうな気もするが。

ラズパイはLinuxなので楽だが、Wifiと電源がないところでは使えないので、設置場所が限られる。バッテリーで数ヶ月動くデータロガーが作れればいいんだけど。

(2024-06-05追記)教訓

• センサーは直にハンダ付けしてはいけない。センサーは壊れるので交換が大変になる。ピンソケットなりで接続すべき。
• 再起動用物理ボタンがあるとよい。無線接続だとネットワークが不通になることがしばしば起こる（SSHが繋がらない！）が、電源断での再起動はあまり良くないので。
  • 定時再起動などでも用をなすかもしれない。