Raspberry Pi(ラズパイ)では、GPIOを通じて電気信号を送受信することで、様々なデバイスを制御することができます。本記事では、基本的なLEDとスイッチについて、Pythonプログラムで制御する方法を解説します。LEDにステータスを表示させたり、スイッチが押されたら何らかの動作をさせるなど、自分が好きなように動作をプログラミングすることが可能になります。

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更新日 : 2023年9月19日

GPIOとは

GPIO(General Purpose Input/Output)とは、Raspberry Pi上に搭載されている信号ピンのことです。

GPIOを通じて電気信号を送受信することで、様々なデバイスを制御することが可能になります。例えば、LEDを光らせたり、スイッチが押されたかどうか確認したり、センサーから気温を取得する、といった具合です。

GPIOはPythonプログラムから制御することもできます。つまり、コードを書くことであなたが好きなようにLED、スイッチ、センサーなどのデバイスを制御できるのです！

以下が40ピンのGPIOのピン配置です。PowerやGroundと表記されているピンは電源なので信号の送受信には使えません。GPIO xxとなっているピンを使用します。プログラムからはGPIO番号を指定することでどのピンを使用するかが決まります。

LEDを制御する仕組み

GPIOからLEDを制御する仕組みを見ていきましょう。今回は、「RPZ-IR-Sensor」拡張基板を例に解説します。

まずLEDの繋がっているGPIOを「出力」モードにします。これは好きな値をGPIOから出力(送信)できるということです。好きな値と言っても、実際に送信できるのは0か1の2種類と決まっています。(このような仕組みをデジタル回路と呼びます)

LEDの制御はシンプルで、0を出力すると消灯、1を出力すると点灯させることができます。(回路構成によっては逆の場合もあります)

GPIOモード	GPIOの値	LED
出力	0	消灯
出力	1	点灯

なぜそうなるのでしょうか？RPZ-IR-SensorのLEDの回路は以下の通りです。GPIOにLEDが接続され、その先がGND(電圧0V)となっています。

GPIOから0を出力すると、電気的には0Vの電圧になります。するとLEDに電流が流れず消灯します。

一方、GPIOから1を出力すると、電気的には3.3Vの電圧になります。するとLEDを通じてGND(電圧0V)へ電流が流れて点灯するのです。

なお、抵抗Rは電流が過剰に流れて部品が破損するのを防ぐために挿入しています。回路を自作する場合は必ず挿入してください。

スイッチの状態を読み取る仕組み

次に、GPIOからスイッチが押されているかどうかを取得する仕組みを見ていきましょう。

まずスイッチの繋がっているGPIOを「入力」モードにします。これでGPIOを使って値を受信することができます。実際には受信できる値は0か1の2種類に決まっています。(このような仕組みをデジタル回路と呼びます)

スイッチの状態取得はシンプルで、スイッチが押される(ON)と0、離す(OFF)と1が入力されます。(回路構成によっては逆の場合もあります)

GPIOモード	GPIOの値	スイッチ
入力	0	ON
入力	1	OFF

なぜそうなるのでしょうか？RPZ-IR-Sensorのスイッチの回路は以下の通りです。GPIOにスイッチが接続され、その先がGND(電圧0V)となっています。

スイッチが押されると、スイッチの両端(上記1と2)が導通します。するとGPIOがGNDと同じ0Vの電圧になります。電気的に0Vは、0の入力を意味しています。

一方、スイッチを離すと、スイッチの両端が切断されます。電気的にはどこにもつながりませんが、「内部プルアップ」機能を有効にしておくことで、こういった状況で3.3Vの電圧にすることができます。電気的に3.3Vは1の入力を意味しています。

GPIOを制御するPythonモジュール

実際にPythonプログラムでLED、スイッチを制御する方法を解説していきます。

Pythonのプログラミング、実行方法については以下の記事を参考にしてください。

PythonでGPIOを制御するには、GPIO用のモジュールを使用します。いくつか種類があるのですが、本記事では以下の2つを使う方法をそれぞれ解説します。

• RPi.GPIO
• pigpio

RPi.GPIOは下準備なしに簡単に使用できるモジュールの1つで、初心者の方におすすめです。

pigpioはpigpiodと呼ばれるサービスに仲介させることで、より精度の高い波形を出力できるモジュールです。こちらも簡単な準備をするだけで利用できます。

拡張基板の準備とGPIO番号

これ以降のサンプルコードは、「RPZ-IR-Sensor」の緑色LED(GPIO17)と赤スイッチ(GPIO5)のGPIO番号となっています。他のLED/スイッチを使いたい場合や、別の拡張基板である「RPZ-PIRS」、「RPi TPH Monitor」、「RPZ-CO2-Sensor」を使う場合は、GPIO番号を以下の表に合わせて変更してください。

RPZ-PIRSのGPIO番号

RPZ-PIRSはRGB LEDなので、組み合わせによって色が変わります。例えば、緑+赤で黄色、などです。詳しくは製品ページの使い方を参照して下さい。

RPZ-IR-SensorのGPIO番号

RPi TPH MonitorのGPIO番号

RPZ-CO2-SensorのGPIO番号

RPZ-CO2-SensorはRGB LEDなので、組み合わせによって色が変わります。例えば、緑+赤で黄色、などです。詳しくは製品ページの使い方を参照して下さい。

RPi.GPIOモジュールを使う方法

RPi.GPIOを使用してLED、スイッチを制御するサンプルコードです。以下の動作をすれば成功です！

• スイッチを押さずに実行 ⇨ LEDが1秒点灯して消灯
• スイッチを押したまま実行 ⇨ LEDが5秒点灯して消灯

最後の後処理については、LEDを点灯したままにしておきたいような場合は実行しなくても構いません。

#!/usr/bin/env python3

import RPi.GPIO as GPIO # RPi.GPIOモジュールを使用
import time

# LEDとスイッチのGPIO番号
# デフォルトはRPZ-IR-Sensorの緑LEDと赤SW
# 必要に応じて変更
gpio_led = 17
gpio_sw = 5

# GPIO番号指定の準備
GPIO.setmode(GPIO.BCM)

# LEDピンを出力に設定
GPIO.setup(gpio_led, GPIO.OUT)

# スイッチピンを入力、プルアップに設定
GPIO.setup(gpio_sw, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_UP)

# スイッチの状態を取得
sw = GPIO.input(gpio_sw)

# スイッチが押されていた場合(ON)
if 0==sw:
    GPIO.output(gpio_led, 1)    # LED点灯
    time.sleep(5)               # 5秒待機
    GPIO.output(gpio_led, 0)    # LED消灯

# スイッチが離されていた場合(OFF)
else:
    GPIO.output(gpio_led, 1)    # LED点灯
    time.sleep(1)               # 1秒待機
    GPIO.output(gpio_led, 0)    # LED消灯

# 後処理 GPIOを解放
GPIO.cleanup(gpio_led)
GPIO.cleanup(gpio_sw)

Pythonのプログラムの動かし方が分からない場合は、以下の記事で解説しています。

• Raspberry PiでPythonプログラミング入門

pigpioモジュールを使う方法

pigpioを使う場合は、Pythonプログラムを実行する前に、サービスを実行しておく必要があります。以下の$に続くコマンドを実行します。

$ sudo systemctl start pigpiod

Raspberry Pi起動時にpigpiodを自動で立ち上げたい場合は以下を実行します。

$ sudo systemctl enable pigpiod

pigpioを使用してLED、スイッチを制御するサンプルコードです。以下の動作をすれば成功です！

• スイッチを押さずに実行 ⇨ LEDが1秒点灯して消灯
• スイッチを押したまま実行 ⇨ LEDが5秒点灯して消灯

#!/usr/bin/env python3

import pigpio # pigpioモジュールを使用
import time

# LEDとスイッチのGPIO番号
# デフォルトはRPZ-IR-Sensorの緑LEDと赤SW
# 必要に応じて変更
gpio_led = 17
gpio_sw = 5

# pigpioの準備
pi = pigpio.pi()

# LEDピンを出力に設定
pi.set_mode(gpio_led, pigpio.OUTPUT)

# スイッチピンを入力、プルアップに設定
pi.set_mode(gpio_sw, pigpio.INPUT)
pi.set_pull_up_down(gpio_sw, pigpio.PUD_UP)

# スイッチの状態を取得
sw = pi.read(gpio_sw)

# スイッチが押されていた場合(ON)
if 0==sw:
    pi.write(gpio_led, 1)    # LED点灯
    time.sleep(5)            # 5秒待機
    pi.write(gpio_led, 0)    # LED消灯

# スイッチが離されていた場合(OFF)
else:
    pi.write(gpio_led, 1)    # LED点灯
    time.sleep(1)            # 1秒待機
    pi.write(gpio_led, 0)    # LED消灯

# pigpioから切断
pi.stop()

まとめ

Raspberry PiのGPIOからLED、スイッチを制御する仕組みと、Pythonプログラムで実際に動かす方法の解説は以上です。本記事は、LEDとスイッチのみについてでしたが、PythonとGPIOを使えば様々なデバイスの動作をプログラミングすることが可能になり、Raspberry Piの活用の幅が広がります。

本記事で利用した拡張基板の購入先、パッケージの種類は以下を参照して下さい。

• RPZ-PIRS購入先
• RPZ-IR-Sensor購入先
• RPi TPH Monitor購入先
• RPZ-CO2-Sensor購入先
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Pythonは拡張性が高く、習得することで様々なアプリケーションが作成可能です。作業の自動化、カメラで撮影＆画像解析、Webサービス、AIなどが一例です。本格的に学びたい方は、書籍を活用してみても良いと思います。