PlatformIO で シュッと Arduino 開発を高速化しよう Speed up your Arduino development with PlatformIO!

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近年 Arduino を使った IoT 機器の開発が電子工作でもよく行われるようになりました。
かつての組み込みソフトウェアの開発では、マイコンベンダーが提供する IDE を使用するのが当たり前でした。
現在は、PlatformIO を使うことによって、組み込みソフトウェアの開発をシュッっと行ことができます。
PlatformIO は、 VS Code の拡張機能として、環境構築からビルド、アップロード、デバッグまでの一連のワークフローを提供してくれます。

本セッションでは、Arduino 開発で PlatformIO を使う場合、PlatformIO が何を担ってくれるのかを解説しながら、実際に VS Code でどのように開発ができるのかを説明していきます。
「環境の構築」「ビルドとマイコンの書き込み」「ユニットテスト」「デバッグ実行」について、扱う予定です。
既存のサーバソフトウェアの開発と大きく変わらないことがおわかりいただけると思います。

なお、本講演のスピーカーは、組み込み機器を専門にしたエンジニアではなく、電子工作を楽しむホビーユーザです。

Transcript

1. PlatformIO でシュッと Arduino 開発を高速化しよう Speed up your Arduino development with PlatformIO! Atsushi Morimoto @74th VS Code Conference Japan 2021
2. Atsushi Morimoto @74th • Mobility Technologies所属 Working at Mobility Technologies, Co., Ltd. • AIよりのサーバサイドエンジニア Server-side engineer for AI product タクシー乗務員支援サービスを開発 I'm developing taxi crew support service. • 著書 books 技術書典3~11参加 published at Japanese tech fun book markets "Gijutsushoten(TechBookFest)” Visual Studio Code Practical Guide © Mobility Technologies Co., Ltd.
3. タクシー車内の機器（システム構成の一例） Taxi equipment i(an example) 宣伝/ Mobility Technologies では車載IoT開発をやってます We are developing in-vehicle IoT 3 Wi-Fi Direct Taxi Meter Mobile Printer 後部座席タブレット Backseat tablet 乗務員端末 Tablet for a driver 決済機 online payment 外部デバイス Other Devices 車両信号 Connecting to vehicle DRIVE CHART (Intelligent Drive Recorder) BLEロガー BLE logger 位置情報収集基盤 Vehicle Locations Collection System 4G © Mobility Technologies Co., Ltd.
4. 今日は仕事とは別の電子工作 IoT のお話 Today, I'm going to talk about DIY IoT
5. 目次Agenda • Arduino と、私の Arduino 歴Arduino and my Arduino history • PlatformIO とは What is PlatformIO? • PlarformIOを使った開発Development with PlarformIO ◦ Raspberry Pi PICO を開発開始！Started developing with Raspberry Pi PICO! ◦ RGB LEDのライブラリを追加！Added RGB LED library! ◦ ESP32 でIoTアプリに変更！Change to an IoT app with ESP32! ◦ ESP32 をデバッグ実行！Run ESP32 in debugger! ◦ Unit TestやってみようLet's try Unit Test! • まとめSummary
6. 目次Agenda • Arduino と、私の Arduino 歴Arduino and my Arduino history • PlatformIO とは What is PlatformIO? • PlarformIOを使った開発Development with PlarformIO ◦ Raspberry Pi PICO を開発開始！Started developing with Raspberry Pi PICO! ◦ RGB LEDのライブラリを追加！Added RGB LED library! ◦ ESP32 でIoTアプリに変更！Change to an IoT app with ESP32! ◦ ESP32 をデバッグ実行！Run ESP32 in debugger! ◦ Unit TestやってみようLet's try Unit Test! • まとめSummary
7. Arduino UNO, Nano, Mini (ATMega 328P) Pro Micro (ATMega 32u4) DigiSpark (ATTiny 85) Arduino Nano Every (ATMega 4809) M5Stack Core2, Stick C (ESP32) ESP32 DevKit C STM32 Raspberry Pi PICO
8. Arduinoとは how about Arduino • ワンボードマイコンを簡単に開発できるフレームワーク A framework for easy development of one-board microcontrollers. ◦ マイコンの差分を吸収して、マイコンの知識がなくても簡単に実装できる Absorbs the differences in microcontrollers and it is easy to implement even without knowledge of microcontrollers. • USBで繋ぐだけでプログラムの書き換えができる The program can be rewritten just by connecting it via USB. ◦ 市販のはそれができるブートローダーが書き込まれている Arduino microcontrollers on the market have a bootloader. • 1ファイルのソースコードで完結するので、コピペで動く A single file of source code is all that is needed, so you can work it with just copy and paste. • 開発環境もArduino IDEでワンストップ The Arduino IDE is also a one-stop development environment. • オープンソースハードウェアとして、入手しやすい As open source hardware, it is easy to obtain.
9. Arduino で動くコードCode that works on Arduino ジョイスティックモジュール Joystick Module 850円 https://akizukidenshi.com/catalog/g/gM-08763/ Raspberry Pi PICO 550円 https://www.marutsu.co.jp/pc/i/2194960/
10. Arduino で動くコード Code that works on Arduino setup()で、各PINの役割を設定 Set up the role of each PINs in setup(). ジョイスティックのアナログ値読み取り Joystick analog value reading LEDをON/OFFする Controlling LEDs シリアル出力 Console output 実処理はloop()に記述 The actual process is described in loop().
12. 今まで趣味で作ったものの紹介 the things I have made as a hobby
13. パルスオキシメーターPulse oximeter (M5 Stick C) ※医療機器にはなりません This is not a medical device. https://attosci.hatenablog.com/entry/index.php/2020/04/26/m5stackc-pulseoximeter/ M5Stack用心拍センサユニットHeart Rate Unit for M5 Stack 1,310円 https://www.switch-science.com/catalog/5695/ M5 Stick C 2,398円 https://www.switch-science.com/catalog/6350/ EOLですが、後継商品 M5 Stick C Plusがあります EOL, but there is a successor product, M5 Stick C Plus
14. WiFi 空気品質モニターAir Quality Monitor (ESP32) https://github.com/74th/esp32-air-quality-monitor CCS811搭載 空気品質センサモジュール Air Quality Breakout - CCS811 2,828円 https://www.switch-science.com/catalog/3298/ ESP32-WROOM-32E 開発ボードDev Board 730円 https://akizukidenshi.com/catalog/g/gK-16108/ I2C接続キャラクタLCDモジュール I2C Connection Character LCD Module 550円 https://akizukidenshi.com/catalog/g/gK-08896/
15. Bluetoothキーボード電卓 BLE Keyboard Calculator (ESP32) Sparrow24 BLE Calculator （自作キーボードキット DIY Keyboard Kit） 9,000円 https://74th.booth.pm/items/3338904
16. Arduino IDEで辛いところThe hard part of Arduino IDE • コード補完が効かないCode completion doesn't work.. • 1ファイルで完結して、ライブラリに分割しにくい Complete in one file and difficult to split into libraries. • Unit TestとかできないCannot do Unit Test • デバッグ実行できないCannot run in debugger. ※Eclipse Theta（VS Code OSSのfork）ベースのArduino IDE 2.0（現在ベータ）で コード補完、デバッグ実行はできるようになります With Arduino IDE 2.0 (currently in beta) based on Eclipse Theta (fork of VS Code OSS) code completion and running in debugger will be available.
17. 目次Agenda • Arduino と、私の Arduino 歴Arduino and my Arduino history • PlatformIO とは What is PlatformIO? • PlarformIOを使った開発Development with PlarformIO ◦ Raspberry Pi PICO を開発開始！Started developing with Raspberry Pi PICO! ◦ RGB LEDのライブラリを追加！Added RGB LED library! ◦ ESP32 でIoTアプリに変更！Change to an IoT app with ESP32! ◦ ESP32 をデバッグ実行！Run ESP32 in debugger! ◦ Unit TestやってみようLet's try Unit Test! • まとめSummary
18. PlatformIOとはWhat is PlatformIO?
19. PlatformIOとはWhat is PlatformIO? • VS Codeの拡張機能として提供 Provided as an extension to VS Code. • プラットフォームを選ぶだけで、 マイコン開発に必要なソフトウェアを自動インストール The software required for microcontroller development can be installed automatically by only selecting a platform. • コード補完が効くCode completion （C++） • ライブラリの自動インストール（とそのコード補完） Automatic installation of libraries (and their code completion). • デバッグ実行Debug run • Unit Test • 静的解析Static analysis
20. 目次Agenda • Arduino と、私の Arduino 歴Arduino and my Arduino history • PlatformIO とは What is PlatformIO? • PlarformIOを使った開発Development with PlarformIO ◦ Raspberry Pi PICO を開発開始！Started developing with Raspberry Pi PICO! ◦ RGB LEDのライブラリを追加！Added RGB LED library! ◦ ESP32 でIoTアプリに変更！Change to an IoT app with ESP32! ◦ ESP32 をデバッグ実行！Run ESP32 in debugger! ◦ Unit TestやってみようLet's try Unit Test! • まとめSummary
21. 目次Agenda • Arduino と、私の Arduino 歴Arduino and my Arduino history • PlatformIO とは What is PlatformIO? • PlarformIOを使った開発Development with PlarformIO ◦ Raspberry Pi PICO を開発開始！Started developing with Raspberry Pi PICO! ◦ RGB LEDのライブラリを追加！Added RGB LED library! ◦ ESP32 でIoTアプリに変更！Change to an IoT app with ESP32! ◦ ESP32 をデバッグ実行！Run ESP32 in debugger! ◦ Unit TestやってみようLet's try Unit Test! • まとめSummary
22. Platform IOのインストール Installing PlatformIO
23. Platform IOのホーム画面を開くGo to PlatformIO Home
24. Project Wizardから目的のマイコンボードを選択 Select your microcontroller board from the Project Wizard.
25. 利用するフレームワークを選択Select the framework
26. ←コード main code ←ライブラリ Libraries ←設定ファイル settings platformio.iniに 先程選択した結果が格納されている The selected contents are stored in platformio.ini.
27. あらゆる操作はステータスバーにAll operations are in the status bar ビルド build アップロード (書き込み) upload(burn) シリアル出力 Serial outputs
28. アップロードUpload 　
29. 目次Agenda • Arduino と、私の Arduino 歴Arduino and my Arduino history • PlatformIO とは What is PlatformIO? • PlarformIOを使った開発Development with PlarformIO ◦ Raspberry Pi PICO を開発開始！Started developing with Raspberry Pi PICO! ◦ RGB LEDのライブラリを追加！Added RGB LED library! ◦ ESP32 でIoTアプリに変更！Change to an IoT app with ESP32! ◦ ESP32 をデバッグ実行！Run ESP32 in debugger! ◦ Unit TestやってみようLet's try Unit Test! • まとめSummary
30. RGB LEDを追加Add RGB LED RGB LEDには共通仕様があり、 NeoPixel というライブラリで 動かせる Some RGB LEDs can be used with the NeoPixel library. マイコン内蔵RGBLEDモジュール(WS2812) RGB LED module with built-in microcontroller 70円 https://akizukidenshi.com/catalog/g/gM-08414/
31. RGB LEDを追加Add RGB LED RGB LEDには共通仕様があり、 NeoPixel というライブラリで 動かせる Some RGB LEDs can be used with the NeoPixel library. マイコン内蔵RGBLEDモジュール(WS2812) RGB LED module with built-in microcontroller 70円 https://akizukidenshi.com/catalog/g/gM-08414/
32. ライブラリNeoPixelの追加 Add NeoPixel Library
33. RGB LEDの実装 Programing RGB LED アナログ値をRGBに変換して表示 Using analog values as colors
34. 目次Agenda • Arduino と、私の Arduino 歴Arduino and my Arduino history • PlatformIO とは What is PlatformIO? • PlarformIOを使った開発Development with PlarformIO ◦ Raspberry Pi PICO を開発開始！Started developing with Raspberry Pi PICO! ◦ RGB LEDのライブラリを追加！Added RGB LED library! ◦ ESP32 でIoTアプリに変更！Change to an IoT app with ESP32! ◦ ESP32 をデバッグ実行！Run ESP32 in debugger! ◦ Unit TestやってみようLet's try Unit Test! • まとめSummary
35. ESP32マイコン • WiFi、Bluetooth搭載 Equipped with WiFI and Bluetooth. • マイコンが技適取得済み Microcontroller has been approved for Japanese wireless regulations “Giteki”. • 安いLow cost ◦ 公式開発ボード OfficialDevBoard 1,230円 ◦ 秋月の開発ボード 730円 Akidsuki Dev Board ※Akidsuki is the most famous shop for DIY electronic parts ◦ マイコン単体 microcontroller 360円 • 市場在庫潤沢（電子工作用途、2021/11現在） Sufficient market stock (as of Nov. 2021 for DIY Electronics) • 発売元がArduino対応を提供 officially Arduino support • MicroPythonも公式サポート MicroPython is also supported • 2コア 2 cores 公式開発ボード https://akizukidenshi.com/catalog/g/gM-15673/ 秋月の開発ボード https://akizukidenshi.com/catalog/g/gK-16108/ マイコン単体 https://akizukidenshi.com/catalog/g/gM-15675/
36. ESP32に載せ替え、Slack通知 Replaced by ESP32 for Slack notification
37. ESP32開発へスイッチSwitch to ESP32 development
38. WiFiへの接続Connecting WiFi 　
39. Slackへの送信Send to Slack 　
40. ESP32へのアップロード Upload to ESP32 Connectingが表示されてから BOOTを押しながらENを押す After Connecting is displayed, hold down BOOT and press EN. アップロード後 ENでリセットして始動 After uploading, press EN to reset and start.
41. 目次Agenda • Arduino と、私の Arduino 歴Arduino and my Arduino history • PlatformIO とは What is PlatformIO? • PlarformIOを使った開発Development with PlarformIO ◦ Raspberry Pi PICO を開発開始！Started developing with Raspberry Pi PICO! ◦ RGB LEDのライブラリを追加！Added RGB LED library! ◦ ESP32 でIoTアプリに変更！Change to an IoT app with ESP32! ◦ ESP32 をデバッグ実行！Run ESP32 in debugger! ◦ Unit TestやってみようLet's try Unit Test! • まとめSummary
42. ESP32をデバッグ実行しよう Let's run ESP32 in debugger ESP32はJTAGという規格に対応 ESP32 supports JTAG for debugging FT232HLで、安価に、 デバッガとして使える The FT232HL can be used as an inexpensive JTAG debugger. デバッグ時の設定は vscode/launch.json ではなく platformio.ini に記述 The configuration for debugging is not in vscode/launch.json, but in platformio.ini FT232HL ハイスピードUSBシリアル変換モジュール FT232HL High speed USB Serial Converter Module 1,200円 https://akizukidenshi.com/catalog/g/gK-06503/
43. ESP32へのPlatformIOでのデバッグ実行Run ESP32 in debugging with PlatformIO
44. デバッグ実行できると言ってもDebugging difficulties • ファームウェアのサイズ増大Increased size of firmware. • かなり遅くて繰り返し実行しづらいIt is too slow to run repeatedly. • GPIOポートが兼用で、特定GPIOが使えなくなる Some GPIO ports are used for debugging. • ツールが必要Required additional tools ◦ Raspberry PI Pico : Picoprobe （※PlatformIO非対応 PlatformIO does not supported） ◦ ESP32 : JTAG （※M5Stackは必要ポートが空いていないので不可） M5Stack can't be debugged because the required port is not available. ◦ STM32 : J-Link ◦ ATMega328P : debugWire ◦ ATMega4048 : EDBG
45. VS Codeでのマイコンのデバッグの詳しい仕方は For a detailed explanation of running microcontrollers in debugger with VS Code, see this (but Japanese only). https://74th.booth.pm/items/3338895 Advanced debugging with VS Code 2nd Edition (Japanese book)
46. 目次Agenda • Arduino と、私の Arduino 歴Arduino and my Arduino history • PlatformIO とは What is PlatformIO? • PlarformIOを使った開発Development with PlarformIO ◦ Raspberry Pi PICO を開発開始！Started developing with Raspberry Pi PICO! ◦ RGB LEDのライブラリを追加！Added RGB LED library! ◦ ESP32 でIoTアプリに変更！Change to an IoT app with ESP32! ◦ ESP32 をデバッグ実行！Run ESP32 in debugger! ◦ Unit TestやってみようLet's try Unit Test! • まとめSummary
47. Unit TestをしようLet's start Unit Testing • マイコン上でUnit Testが実行できるUnit Test can be run on a microcontroller. ◦ Unity Test Framework • PC上でも実行できるCan be run on a PC • テスト対象は lib/ ディレクトリ下のライブラリ The test targets are libraries under the lib/ directory
48. Unit Testのためのソースコードの構成Structure of the source code for the Unit Test テストコード test code テスト対象コード codes to be tested Switch by build flag
49. ビルドフラグで切り替えSwitch by build flag
50. 私はほとんど活用できていない…… I have barely scratched the surface • ArduinoFake.h で Arduino.h のカバーが不十分 I think that ArduinoFake.h is inadequate to cover the scope of Arduino.h. ◦ ESP32専用ライブラリはない（WiFi.hとか） No ESP32-specific library (like WiFi.h) • マイコンへの入力がない範囲しか検証できない I can only verify tests that have no input to the microcontroller. ◦ ボタンが押されているかとか、アナログ入力とか分岐できない Can not test branching for button presses, analog inputs, etc. • Arduinoに依存しないコードのテストであれば、 PlatformIOで実行する必要はない。 I thought that if the test does not depend on Arduino, it does not need to test on PlatformIO. • デバッグ実行できない Cannot run in debugger
51. 目次Agenda • Arduino と、私の Arduino 歴Arduino and my Arduino history • PlatformIO とは What is PlatformIO? • PlarformIOを使った開発Development with PlarformIO ◦ Raspberry Pi PICO を開発開始！Started developing with Raspberry Pi PICO! ◦ RGB LEDのライブラリを追加！Added RGB LED library! ◦ ESP32 でIoTアプリに変更！Change to an IoT app with ESP32! ◦ ESP32 をデバッグ実行！Run ESP32 in debugger! ◦ Unit TestやってみようLet's try Unit Test! • まとめSummary
52. まとめSummary • Arduinoで、マイコン開発を簡単に Arduino makes microcontroller development easy. • PlatformIO で、シュッと開発 Speed up your development with PlatformIO. ◦ 環境構築 Building the environment ◦ ライブラリの管理と、インストール Library management and installtion ◦ デバッグ実行Run in debugger ◦ Unit Test • Raspberry Pi PICOも良いけど、 ネットに繋ぎたくなったら ESP32 ！ Raspberry Pi PICO is good, but if you want to connect to the internet, ESP32 is better! ArduinoとPlatformIOでIoTを楽しもう！ Let's enjoy IoT with Arduino and PlatformIO!