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2次元の温度分布が調べられるセンサがあります。非接触温度センサ、赤外線アレイセンサ、サーマルカメラなどと呼ばれますが、少し離れたところにあるものの温度が調べられるセンサです。

「AmbientでIoTをはじめよう」、第18回は、M5Stackにサーマルカメラをつなぎ、温度分布をLCDに表示してみます。

サーマルカメラの出力

非接触温度センサ

今回は次の3種類のセンサを使います。

  • OMRON MEMS非接触温度センサD6T-44L-06
  • Conta™ サーモグラフィー AMG8833搭載
  • M5Stack用ミニサーマルカメラユニット (MLX90640搭載)

サーマルカメラ

写真は左からOMRON MEMS非接触温度センサD6T-44L-06、Conta™ サーモグラフィー AMG8833搭載、M5Stack用ミニサーマルカメラユニット (MLX90640搭載)です。

三つのセンサの仕様は次のようになっています。

D6T-44L-06 AMG8833 MLX90640
温度測定範囲 5〜50℃ 0〜80℃ -40〜300℃
精度 ±1.5℃ ±2.5℃ ±1.5℃
ピクセル数(横ｘ縦) 4 x 4 8 x 8 32 x 24
視野角(横ｘ縦) 45.7° x 44.2° 60° x 60° 110° x 75°
電源電圧 4.5〜5.5V 3.3V 3.3V
インタフェース I2C I2C I2C
I2Cアドレス 0x0a 0x68 or 0x69 0x33

物体は温度に応じて放射エネルギーを放出しています。これをサーモパイルと呼ばれる素子で測定することで、離れた物体の温度が測定できます。サーマルカメラはこのサーモパイル素子をアレイ状に並べることで二次元の温度分布を測ります。

OMRON MEMS非接触温度センサD6T-44L-06

「OMRON MEMS非接触温度センサD6T-44L-06」はオムロンが開発した非接触温度センサです。縦横4x4のメッシュで温度が測定でき、精度は±1.5℃です。マイコンとはI2Cインタフェースで通信します。

コネクタはJHSのGHシリーズ SM04B-GHS-TBですが、このコネクタをGroveコネクタに変換する基板「4×4非接触温度センサD6T 変換基板」がでているので、それも合わせて使います。変換基板の中でI2CのSDAとSCLがプルアップされているので、外部のプルアップ抵抗は必要ありません。

部品 個数
OMRON MEMS非接触温度センサD6T-44L-06 1個
4×4非接触温度センサD6T 変換基板 1個

接続

接続はM5StackのGroveポート(I2C)に接続するだけです。M5Stack BasicとGrayはI2CのGroveポートが一つだけなのでそこにつなぎます。M5Stack FireとM5GOにはI2C用とGPIO用、UART用の三つのGroveポートがあります。本体側についているのがI2C用なので、そこにつなぎます。ボトム側についているGroveポートはGPIO用とUART用なので、間違えないようにしましょう。

D6T接続

プログラム

ArduinoでD6T-44L-06を使うためのライブラリが用意されています。

このページにいき、ページ右上の「Clone or download」の「Download ZIP」をクリックして、ライブラリのZIPファイルをダウンロードします。

Arduino IDEを立ち上げ、「スケッチ」メニューの「ライブラリをインクルード」→「.ZIP形式のライブラリをインストール…」をクリックし、ダウンロードしたZIPファイルを選択してインストールします。

このライブラリはArduino UNOなどで動くように作られています。D6T-44L-06はマイコンとI2Cで通信し、35バイトのデータを返しますが、Arduino UNOのWireライブラリは32バイトのデータしか扱えません。そこで、D6T-44L-06ライブラリではWireを拡張したWireExtというライブラリを使っています。ところが、WireExtライブラリがESP32に対応していないため、そのままビルドするとエラーになってしまいます。ESP32のWireライブラリは128バイトまで扱えるので、WireExtは必要ありません。

対策として、インストールしたD6T-44L-06ライブラリのWireExt.cppを修正します。インストールしたライブラリはArduinoのスケッチフォルダのlibrariesの下に置かれます。スケッチフォルダの場所はArduino IDEの「ファイル」メニューの「環境設定」で確認できますが、 Windowsの場合、標準では「C:\Users<アカウント名>\Documents\Arduino」です。libraries\d6t-grove-arduino-master\src\WireExt.cppを編集して、全体を次の2行で挟みます。


    #ifdef ARDUINO_ARCH_AVR
    元のWireExt.cpp
    #endif

あるいはWireExt.cppとWireExt.hを削除しても構いません。

「ファイル」メニューの「スケッチ例」→「Omron D6T-Grove-Arduino」の「sample」がサンプルプログラムなので、ビルドして実行します。プログラムのシリアルの速度設定が9600bpsになっているので、シリアルモニタの速度もそれに合わせると、次のような数字が出力されます。

D6Tサンプルプログラムの出力

これが4x4のエリアの温度を表しています。

ライブラリの使い方は、最初にインクルードファイルOmronD6T.hをインクルードし、OmronD6Tのオブジェクトを作ります。


    #include "OmronD6T.h"

    OmronD6T sensor;

このオブジェクトのscanTempというメソッドを呼ぶと、温度が測定され、4x4の温度データがsensor.temp[x][y]という配列にセットされます。

このデータをM5StackのLCDに色で表示してみます。

M5StackのLCDは縦横が320x240ピクセルなので、D6T-44L-06の4x4の領域の温度をLCDの80x60の領域の色で表現します。D6T-44L-06は縦がx、横がyですが、M5StackのLCDでは縦がy、横がxで、D6T-44L-06と縦横が逆なので注意が必要です。

D6Tのピクセル構成

温度を色で表す

数値を色で表すには青から緑、赤と変化する色相を使います。これは赤、緑、青を次のように混ぜることで得られます。

青→緑→赤の色相

各色の変化を再現するには直線で近似する方法、三角関数を使う方法などがありますが、「サーモグラフィ風の色変化をシグモイド関数で再現する」を参考に、シグモイド関数を使って実現しました。

0.0から1.0の値を青から赤の色に変換するプログラムは次のようになります。

M5Stackは色を16ビットで扱うので、heat()関数では最後にRGBの値を16ビットに変換しています。

D6T-44L-06の4x4の領域の温度をM5StackのLCDに表示するプログラムは次のようになります。LCDの各領域の中心に温度の数字も表示しています。

プログラムをビルドして動かしてみました。カップにお湯を入れて測ってみると、こんな画像が得られます。

D6T出力

Conta™ サーモグラフィー AMG8833搭載

次は「Conta™ サーモグラフィー AMG8833搭載」を使います。このモジュールはPanasonicの非接触温度センサ「AMG8833」を搭載しています。AMG8833は8x8のメッシュで温度が測定でき、精度は±2.5℃です。I2Cで通信します。AMG8833のデフォルトのI2Cアドレスは0x68ですが、M5Stack Grayなどの9軸IMU(慣性計測装置)センサMPU9250のI2Cアドレスとぶつかっています。M5Stack BasicにはMPU9250が搭載されていないので問題ないのですが、Gray、M5GO、Fireを使う時はサーモグラフィーモジュールの基板表面のソルダージャンパー「SJ1」のセンターパッドを「H」側と接続してアドレスを「0x69」に変更します。

このモジュールにはプルアップ抵抗は搭載されていないので、プログラムでプルアップします。

AMG8833接続

I2C接続なので、サーモグラフィーモジュールのSDAをM5Stackの21番ピンに、SCLを22番ピンに接続します。

プログラム

スイッチサイエンスのサンプルプログラムを参考に、AMG8833の初期化をおこないます。

フレームレートを10FPSに、割り込みを無効に、移動平均出力を有効に設定しています。

I2C通信は次のようにしました。

AMG8833は8x8ピクセルで1ピクセル2バイトのデータなので、全部で128バイトになります。ESP32のI2Cは128バイトまで読めるので、1回の通信ですませています。

8x8の温度をM5StackのLCDに色で表示する部分はD6T-44L-06のものとほぼ同じです。

プログラムをビルドして動かしてみるとこんな画像が得られます。

AMG8833出力

M5Stack用ミニサーマルカメラユニット (MLX90640搭載)

最後にM5Stack用ミニサーマルカメラユニットを使ってみます。このサーマルカメラユニットはMLX90640という非接触温度センサを搭載しています。MLX90640は32x24ピクセルのメッシュで温度が測定でき、精度はベストケースで±1.5℃と書かれています。マイコンとはI2Cで通信します。

接続

サーマルカメラユニットにはGroveコネクタがついていて、GroveケーブルでM5Stackと接続できます。ユニット内でI2CのSDAとSCLがプルアップされているので、外部のプルアップ抵抗は必要ありません。

MLX90640接続

プログラム

サンプルプログラムがあるので、それを動かしてみましょう。Arduino IDEの「ファイル」メニュー→「スケッチ例」→「M5Stack」→「Unit」→「MLX90640」を開きます。

サンプルプログラムに含まれるMLX90640_I2C_Driver.cppにはバグがあり、そのままビルドすると「No ack read」というエラーが出続けます。Githubに公開されているサンプルプログラムは修正済みですが、ライブラリマネージャでインストールしたM5Stackライブラリのコード(バージョン0.2.5)はまだ修正されていないので、次のように修正します。

IDEの「MLX90640_I2C_Driver.cpp」タブを選択し、46行目のWire.endTransmission()の戻り値を「7」と比較していたら、それを「0」に変更します。


    if (Wire.endTransmission(false) != 7) //Do not release bus
                                      ↓変更する
    if (Wire.endTransmission(false) != 0) //Do not release bus

このサンプルプログラムは32x24ピクセルの中心の温度をLCDに表示するのですが、ここもバグがあるようで、画面の右端のピクセルの温度を表示しています。「MLX90640.ino」の372行目を次のように修正します。


    spot_v = pixels[768/2];
                      ↓変更する
    spot_v = pixels[768/2-16];

さらに416行目から418行目がコメントアウトされているのをコメントを外し、逆に419行目から421行目をコメントアウトします。


    //M5.Lcd.drawCircle(160, 100, 6, TFT_WHITE);     // update center spot icon
    //M5.Lcd.drawLine(160, 90, 160, 110, TFT_WHITE); // vertical line
    //M5.Lcd.drawLine(150, 100, 170, 100, TFT_WHITE); // horizontal line
    M5.Lcd.drawCircle(160, 120, 6, TFT_WHITE);     // update center spot icon
    M5.Lcd.drawLine(160, 110, 160, 130, TFT_WHITE); // vertical line
    M5.Lcd.drawLine(150, 120, 170, 120, TFT_WHITE); // horizontal line

このプログラムはサーマルカメラをLCD画面と同じ向きにした時、つまり自撮りした時に正しい向きで温度分布を表示するようになっています。カメラをLCD画面と逆向きにした時に正しい向きで表示する場合は「MLX90640.ino」の50行目のreverseScreenがfalseになっているのをtrueに変更します。


    bool reverseScreen = false;
    //bool reverseScreen = true;
    ↓変更する
    //bool reverseScreen = false;
    bool reverseScreen = true;

MLX90640出力

まとめ

今回はM5Stackに3種類のサーマルカメラをつないで、温度分布をLCDに表示してみました。解像度は4x4、8x8、32x24と違いますが、2次元の温度分布が調べられるのは同じです。画像にして見ている分には高解像度のものが面白いですが、実際にデータを使って何かの制御をする時には、高解像度のものがいいとは限りません。用途に応じた解像度のものを選ぶのがよさそうです。

この記事はアンビエントデーターの下島が担当しました。

免責事項

記事は実際に実験をおこなった上で書いていますが、動作を保証するものではありません。また本記事を利用したことにより生じる損害についてスイッチサイエンスおよびアンビエントデーターは一切の責任を負いません。