ラズパイでGPIO制御をする

今までソフトウェア中心の勉強でしたが、ハードウェアのスキルの幅を
広げるためにもラズベリーパイを使って電子回路を制御し、
いろんなものを作っていきたいと思っています。
そのためにラズパイでハードウェアを制御する方法を勉強していきます。
初回はGPIO制御です。LEDの点灯、消灯を実際にやってみたいと思います。

ラズパイのピンレイアウト

私が持っているラズパイはRaspberry Pi 3B+ですが、
ピンレイアウトはこのようになっています。
いくつかのピンはGPIOだけでなく、I2C, SPI, UARTとしても使用できます。

　　

コマンドでも$gpio readallで確認できます。

GPIOポートの使い方

ラズパイのポートをGPIOとして使用する方法はいくつかあるようですが、
ディープラーニングでPythonを使い慣れていることもあり、RPi.GPIOという
ライブラリを使ってみます。

まず、ライブラリのインストールです。

$ sudo apt-get install python-rpi.gpio

 Pythonスクリプト上でRPi.GPIOを使用するためにライブラリをインポートします。

import RPi.GPIO as GPIO

RPi.GPIOではポートの指定方法に2種類あります。
1つはピン番号1-40(上図のNo.の列の番号)で指定する方法　GPIO.BOARD
もう一つはGPIOの番号(上図のGPIO列の番号)で指定する方法　GPIO.BCM
どちらの表記で記載するかを以下のようにGPIO.setmode()で指定します。

GPIO.setmode(GPIO.BOARD)    # ボードのピン番号で指定
GPIO.setmode(GPIO.BCM)      # GPIO番号で指定

GPIOポートの入出力設定はGPIO.setup()で行います。
例えば、GPIO2を出力、GPIO3を入力ポートで使用する場合は以下のようになります。

GPIO.setmode(GPIO.BCM)      # GPIO番号で指定
GPIO.setup(2, GPIO.OUT)     # GPIO2：出力ポート
GPIO.setup(3, GPIO.IN)      # GPIO3：入力ポート

出力設定したポートのH/L出力を指定するにはGPIO.output()を使います。
GPIO2のポートをH/L制御する場合は以下のようになります。

GPIO.output(2, GPIO.HIGH)   # 出力H
GPIO.output(2, GPIO.LOW)    # 出力L

入力設定したポートの値を読み出すにはGPIO.input()を使います。
この関数の戻り値がポートの値となっています。

print GPIO.input(3)   # GPIO3の値を読み出し
# 結果：1 or 0

GPIO入力をトリガに割り込み処理を実行

プッシュスイッチなどポートの値の変化をトリガにして処理を行いたいケースが
あったので割り込み処理の作り方を調べてみました。

callback関数を定義し、ポートの値が変化したらcallback関数を呼び出す
add_event_detect()というメソッドを使用します。

def callback(gpio_pin):
    #関数内処理

GPIO.add_event_detect("ピン名", "トリガエッジ", 
                       callback=callback, bouncetime=300)

ピン名：ピン番号かGPIO名を指定　入力ポートに設定しておく必要あり
トリガエッジ：立ち上がりエッジ GPIO.RISING, 立下りエッジ GPIO.FALLING
                         両方 GPIO.BOTH
callback：コールバック関数の指定
bouncetime：チャタリング防止のため、指定時間の間次のイベントを呼び出さない
 　　　　　　単位msec

サンプル

最後に上記内容を使って作成したコードを上げておきます。
「スイッチを押すとLEDが点灯し、ラズパイに接続したUSBカメラで写真を撮る」
というものです。

回路図は以下の通り

38pinがトリガでL->Hとなったときに36pinがHとなり、LEDが点灯
同時にUSBカメラのシャッターを切る制御が動作するという仕組みです。
38pinはスイッチにつなぎたかったのですが、スイッチがなかったため、
40pinの出力結果を入力するようにしました。

# coding: utf-8
import RPi.GPIO as GPIO
import time
import subprocess

SHUTTER_PIN = 21      # 40pin
SHUTTER_TRIGGER = 20  # 38pin
LED_PIN = 26          # 36pin

def main():
    # cameraの設定
    cmd = 'fswebcam capture.jpg'

    GPIO.setmode(GPIO.BCM)
    GPIO.setup(SHUTTER_PIN,GPIO.OUT)
    GPIO.setup(SHUTTER_TRIGGER ,GPIO.IN)
    GPIO.setup(LED_PIN ,GPIO.OUT)
    # callback登録（GIO.RISING:立ち上がりエッジ検出、bouncetime:300ms）
    GPIO.add_event_detect(SHUTTER_PIN, GPIO.RISING, callback=callback, bouncetime=300)

    try:
        while(True):
            time.sleep(0.1)

    # Ctrl + Cで抜ける
    except KeyboardInterrupt:
        print("break")
        GPIO.output(TRIGGER_PIN, GPIO.LOW)  # LEDを消して終了
        GPIO.cleanup()

def callback(gpio_pin):
  print(gpio_pin)
  GPIO.output(LED_PIN , GPIO.HIGH)
  ret = subprocess.check_output(cmd, shell=True) # カメラ撮影

if __name__ == "__main__":
    main()

カメラの撮影はfswebcamというパッケージを使用しています。
もしインストールされていない場合は
  $ sudo apt-get install fswebcam
でインストールできます。

40pinのトリガーはこちらのスクリプトで発生させています。

import RPi.GPIO as GPIO

SHUTTER_PIN= 21 # 40pin

def main():
    GPIO.setmode(GPIO.BCM)
    GPIO.setup(SHUTTER_PIN,GPIO.OUT)
    GPIO.output(SHUTTER_PIN, GPIO.HIGH)

if __name__ == "__main__":
    main()

このスクリプトで写真撮影はできていましたが、fswebcamを使うと
トリガー発生時から約1sec後にシャッターを切るようです。
リモートからのシャッター制御には使えないですね。
トリガーが発生したら即撮影するいい方法があったら教えてください。