社内用Python基礎講習テキスト

少人数でラズパイIoTハンズオンをやらないかという声掛けがあり、自己啓発で習得した初歩的スキルを棚卸して簡単なハンズオン資料を作りました。

残念ながらコロナ禍でオフラインイベントが軒並み中止になり自然消滅しましたが、勤務先社内の有志と共有するためのハンズオン資料として構成しなおして勤務先に提供しました。

現在でも社内で不定期開催される入門講習のテキストとして利用しています。

2022.5.1追記
社内講習テキストの元となるAWS IoT設定まで含めた個人講習用テキストに置き換えます。OSバージョンとGUIが数世代前の情報になりますが自分が関わり始めた初期の参考資料としてこのまま残します。(現在はAWSCLIとSAMで簡単らくちんに実装しています)

対象：Python未経験者、プログラミング未経験者も可

所要時間：3～4日

Transcript

1. Linux/Python/IoT講座
2. この講習で得られること 1.Pythonの基本文法 初心者のはまりどころをピンポイントで解説 2.Python/Linux環境での開発の進め方 これを最後までやれば次は自分で調べながら進められる 3.ITリテラシー(を考えるきっかけ) 出来ること出来ないこと適材適所の見極めに必要な知識と経験、最初の一歩
3. 学習内容 0章. RaspberryPiを使う理由 1章. RaspberryPi OS(Linux)のインストール 1-1 OSイメージのダウンロード 1-2 各種アプリのインストール 1-3 OSのインストール 1-3 ファイル交換アプリのインストール 2章. RaspberryPi (Linux)の環境構築 2-1 よく使うLinuxコマンド 2-2 通信環境 2-3 rootfsのROM化 2-4 update/upgrade 2-5 日本語環境 2-6 MQTTモジュール(paho/mosuqitto)インストール 2-7 画像処理モジュール(openCV)インストール 2-8 ユーザー作成と公開鍵認証 2-9 iptables(LinuxのFW)の設定
4. 学習内容 3章. Python基礎 3-1 Pythonの学び方 3-2 Hello world!(コメントとインデント) 3-3 数値型と文字列型 3-4 シーケンス型(list型、tuple型、 3-5 set型、マッピング型(dictionary) 3-6 制御フロー(if 文、elif、else、for文) 3-7 制御フロー(while文、continue、break) 3-8 ライブラリー・モジュール・クラス・メソッド 3-9 関数 3-10 ファイル操作 3-11 画像取得(openCV) 3-12 例外処理 課題 3-13 nanoエディタでhello.pyをつくる 3-14 GPIOで光センサーデータを読込む 3-15 センサートリガーで画像取得する
5. 学習内容 4章. PythonでIoT 4-1 クラウド接続の準備(クラウド環境構築) 4-2 MQTTで双方向通信 課題 4-3 クラウドでデータ表示
6. 0 RaspberryPiを使う理由 会社PCでlinux開発環境つくるには情シ部検証の時間が必要 そもそも教育用のPCボードとして開発された ・Linux環境の学習にもってこい ・安価(本体：5,000～6,500円) 安価でも能力は一昔前のDesktop並み ・クアッドコア 1.5MHz (4B)・RAM 1～4GB(4B) RaspberyPiの「Pi」は「Python」に由来 ・OS標準でPython導入済み GPIO、カメラ、USB、R45Jポートを標準装備 RaspberryPi 3B以降は標準で有線/無線LAN接続が可能 ラインサイドの機械学習の推論用デバイスにも利用可能 ・Google Edge TPU等と組合わせるとJetsonNano並み
7. 1.RaspberryPi OS(Linux)のインストール (PCのネットワーク接続が必要)
8. 1-1 OSイメージのダウンロード OS DLページ： https://www.raspberrypi.org/downloads/ Raspbianを選択 …and recommended..のzipファイルを選択して保存 財団公式web siteよりダウンロード
9. 1-2 各種アプリのインストール SDカードフォーマッターDLページ： https://www.sdcard.org/jp/downloads/formatter/eula_windows/index.htm イメージライターDLページ： https://sourceforge.net/projects/win32diskimager/ SDカードのフォーマッターとOSイメージを焼付けるライターをDL
10. 1-2 各種アプリのインストール microSDのフォーマット後にDLしたOSイメージを焼付ける 1.焼付ける先のmicroSD 2.DLしたOSイメージファイル 3.Writeを実行 クイックフォーマットを実行
11. 1-2 各種アプリのインストール WindowsPC側のターミナルソフト(TeraTerm)をインストール どちらでもOK zipのほうがサイズが小さい TeraTermDLページ： https://ja.osdn.net/projects/ttssh2/releases/
12. 1-2 各種アプリのインストール 公開鍵を発行するためにWindowsPCにGitをインストール Git HP： https://git-scm.com/ ※インストール時の設定はすべてdefault
13. 1-3 OSのインストール(準備) OS初期化時、ssh接続して起動後にwifi設定するため microSDのrootディレクトリに新規ファイルを2つ作成する ※いずれも新規のテキストとして作成 1.「ssh」 ブランクファイル 2. 「wpa_supplicant.conf」 内容は以下 ctrl_interface=DIR=/var/run/wpa_supplicant GROUP=netdev update_config=1 network={ ssid="" psk="" }
14. 1-3 OSのインストール(ssh接続) リモート操作するWindowsPCとLANケーブルで接続して電源ON 2～3分放置してインストールを進める 1.起動OSディスク(microSDカード)を ラズパイのスロットに挿入 2.配線を接続 ①LANケーブル ②電源ケーブル ① ① ② ②
15. 1-3 OSのインストール 2～3分後にWindowsのDesktopよりTeraTermを立上げログイン ラズパイのコンソール画面が開けたらインストール初期設定完了 初期設定 ユーザ名： pi パスフレーズ： raspberry ログイン後に 必ず変更する TeraTerm実行 ホスト名はraspberrypi.local 接続 この画面が出たら初期化成功
16. 1-4 ファイル交換アプリのインストール WindowsPC側とRaspberryPiのファイル交換ソフトをインストール WinSCP DLページ： https://ja.osdn.net/projects/winscp/releases/ 参考ページ ： https://qiita.com/atmaru/items/b8cc50b8926f736f5b11 設定完了 クリック クリック インストール実行 22 SCP pi raspberry ログイン実行 WinSCPを起動 RasPiのeth0又はenx..のipを確認 「はい」で実行
17. 2. RaspberryPi (Linux)の環境構築 (ラズパイのネットワーク接続が必要)
18. 構築内容 rootfs ROM化 tmpfs(/mnt/root-rw) /dev/mmcblk0p2(/mnt/root-ro) Read/Write要求 … … 外部ライブラリー導入 公開鍵認証 公開鍵 秘密鍵 〇：newuser ×：root ×：pi root/pi ユーザー無効化 フィルター(iptables)設定 通信設定
19. 2-1 よく使うLinuxコマンド poweroff システムのシャットダウン reboot システムの再起動 ls ファイルやディレクトリの情報表示 cd ディレクトリ（フォルダ）の移動 mkdir フォルダを作成 cp ファイルやディレクトリのコピー mv ファイルやディレクトリの移動 ファイル名変更やディレクトリ名変更 rm ファイルやディレクトリの削除 cat ファイルの中身をテキスト表示 nano等でも表示できるが表示だけならcatが安全 chmod ファイルやディレクトリのアクセス権変更 nano テキストエディタnanoで編集 ファイル名が存在しなければ新規ファイル作成となる hostname ホスト名やIPアドレスの表示 ifconfigでもIPアドレス取得できる apt-get パッケージの管理 pip Pythonで書かれたパッケージの管理 Python3系ではsudo pip3 install “パッケージ名” となる passwd ユーザーのパスワード変更 raspi-config RaspberryPiの設定ツール、CUIで必要 wget ファイルのダウンロード その他、必要に応じて検索すると結構簡単にヒットする
20. 2-2 通信環境構築(SSID変更時) sudo raspi-configを実行しSSIDとパスフレーズを設定してwifi接続 sudo raspi-configを実行 Network Optionsを選択 N2 Wi-fiを選択 接続先のSSIDを入力(ここでは携帯のSSID) 接続先のSSIDのパスフレーズを入力 …. ifconfigを実行して ip(ここではデザリング先が返す)と グローバルipが帰ってきてるので 接続成功しているのがわかる
21. 2-3① rootfsのROM化 実行するコマンド cd /home/pi sudo bash # 必要なパッケージ類 echo Installing all dependencies apt-get install git subversion rsync gawk busybox bindfs # swapを使用しないように echo Disabling swap dphys-swapfile swapoff dphys-swapfile uninstall update-rc.d dphys-swapfile disable systemctl disable dphys-swapfile #gitクローン echo Cloning repository git clone https://github.com/josepsanzcamp/root-ro.git # 設定 echo Doing the setup rsync -va root-ro/etc/initramfs-tools/* /etc/initramfs-tools/ mkinitramfs -o /boot/initrd.gz echo initramfs initrd.gz >> /boot/config.txt # 再起動 echo Restarting RPI reboot bootがroになってる 連続利用が前提なのでboot後はmicroSDカードに書き込みさせない
22. 2-3② rootfsのROM化解除 実行するコマンド #!/bin/sh if [ -e /mnt/boot-ro/config.txt ]; then sudo mount -o remount,rw /dev/mmcblk0p1 sudo grep -v initramfs /mnt/boot-ro/config.txt >/tmp/config.txt sudo cp /tmp/config.txt /mnt/boot-ro/config.txt sudo reboot else echo Already write enabled fi bootがroになる ROM化に成功したら環境構築を続けるので書込み禁止を解除
23. 2-4 update/upgrade 実行するコマンド sudo apt update sudo apt dist-upgrade -y sudo apt upgrade -y ROM化後にOSを最新の状態に更新
24. 2-5 日本語環境構築 実行するコマンド sudo apt-get install fcitx-mozc sudo apt-get install fonts-noto 日本語フォントを持つIMEパッケージをインストール
25. 2-6 MQTT等モジュールのインストール awsとの接続に利用paho-mqttとmosquittoをインストール この時にwiringpiとDHT11もインストールしておく 実行するコマンド cd /usr/bin sudo rm python sudo ln -s python3 python pip3 install paho-mqtt pip3 install wiringpi git clone https://github.com/szazo/DHT11_Python.git
26. 2-7 画像処理モジュールのインストール 実行するコマンド curl -SLO https://raw.githubusercontent.com/mt08xx/files/master/libopencv4-buster_4.1.0-20190625.1_armhf.deb sudo apt install -y ./libopencv4-buster_4.1.0-20190625.1_armhf.deb openCVをインストール(ここでは4.1.0)
27. 2-8① ユーザー作成 rootユーザーとpiユーザーのpasswdを設定し、新たなユーザーを作成する ここでは新しいPasswd: pythonstudying を設定 ここでは新しいPasswd: pythonstudying2020 を設定 入力不要そのままリターン、最後はy adduserで新しく作成するユーザー(pythoniot)
28. 2-8① ユーザー作成 sudo groupに新ユーザー名を加えてpiユーザーを削除する sudo visudoを実行、まだ新ユーザーにsudo権限がないのでpasswdを要求される sudoersの中に下の一行を追加し、「pi ALL=(ALL) NOPASSWD: ALL」の記述があれば削除する 変更したsudoersを保存したらsudo gpasswd –d pi sudoを実行しrebootする Ctrl-x、yで保存してnanoを終了 Sudo raspi-configでHostname変更
29. 2-8① ユーザー作成 接続しているipアドレスを確認して、新しいユーザーで再ログイン 確認 停止中のプロセスがあるとメッセージが出たら 表示されたユーザーのpasswdを入力してreboot eth0で与えられているipを確認 再起動しターミナルのホスト名に確認したipを入力 先ほど作成した新しいユーザー名とpasswdでログイン 新しいユーザーでログインを確認
30. 2-8① ユーザー作成 新ユーザーのグループ構成を「pi」と同じにする グループ「pythoniot」を「pi」と同じ構成にするコマンド sudo usermod -aG adm,dialout,cdrom,sudo,audio,video,plugdev,games,users,input,netdev,gpio,i2c,spi pythoniot ユーザーpiのグループ構成を確認 ユーザーpythoniotのグループ構成を確認⇒piと異なる sudo usermod –aG [piのグループ構成] [新グループ名]でpiと同じグループ構成になる pythoniotのグループ構成がpiのグループ構成と同じになっていることを確認
31. 2-8① ユーザー作成 デフォルトのpiユーザーのユーザー名を変更(ここではoldpiにする) 参考URL： https://sekisuiseien.com/computer/11297/ SDカードはこの後の2-2➁の公開鍵は実装してない raspi-configを起動し、3.Boot Option⇒B1 Desktop / CLI ⇒B1 Consoleを選択して、一度rebootする Reboot後、以下のコマンドを実行してユーザ：piのユーザー名をoldpiに変更、ディレクトリ名もoldpiに変更 ユーザー名を「pi」⇒「oldpi」に変更 ディレクトリ名も「pi」⇒「oldpi」に変更 グループ名も「pi」⇒「oldpi」に変更 Whoコマンドを実行し ユーザーがpythoniotだけなのを確認 raspi-configで、B4 Desktop Autologinに戻しておく
32. 2-8➁ 公開鍵認証(各自で設定) 1-2でインストールしたGit(Git Bush)で公開鍵と秘密鍵を作成 実行 Git Bushのコンソール画面で鍵を作成する以下のコマンドを実行 実行するコマンド：ssh-keygen -t rsa -b 4096 -C “your_email@example.com” ※e-mailは各自のもの ここではpassphrase： pythonstudyingiot を入力している ←公開鍵・秘密鍵が作成された
33. 2-8➁ 公開鍵認証(各自で設定) PCの¥ユーザーroot¥.sshに作成された鍵を確認し、秘密鍵を.ppkに変更 ラズパイの新ユーザーのroot(pythoniot)に公開鍵をコピーする 作成された鍵 秘密鍵の拡張子を.ppkに変更 ラズパイで新規に作成したpythoniotに oldpiディレクトリの中身をすべてコピーする pythoniotディレクトリに移動して PCから公開鍵(.pub)をpythoniotにコピーする
34. 2-8➁ 公開鍵認証(各自で設定) 公開鍵認証を許可し、rootログインとBASIC認証の許可を取消す .sshがすでにある場合は削除して再度作成 .sshにid_rsa.pubを配置 .sshを読込・書込・実行モードに設定 authorized_keysを読込・書込モードに設定 _configを全ユーザー読込・書込可能に設定 … … /etc/ssh/sshd_configの中身を3か所変更する rootログインができないようにする 公開鍵認証を許可する BASIC認証(パスワード認証)ができないようにする _configを自分だけが読込・書込可能に設定 sshを再起動 Ctrl-x、yで保存してnanoを終了 .sshがすでにある場合の削除コマンド sudo rm -r .ssh
35. 2-8➁ 公開鍵認証(各自で設定) WinSPCで公開鍵認証によるログインを確認する 削除 piユーザーはないので削除 ホスト名：ifconfigで確認したeth0のip ユーザー名：pythoniot パスワード：公開鍵作成時のpasswd (pythonstudyingiot) 新しいサイトを作成 セッション内容を入力して設定 認証を選択して秘密鍵のPCフォルダーへ 秘密鍵を選択して開く
36. 2-8➁ 公開鍵認証(各自で設定) WinSPCでログインができたらrebootしてTeratermより公開鍵でログイン 変換を許可 上書きを許可 秘密鍵のpasswdを入力 秘密鍵のpasswd：pythonstudyingiot 公開鍵認証での接続成功を確認 rebootして公開鍵で再度ログイン Teratermより公開鍵認証でログインする
37. 2-9 iptables(LinuxのFW)の設定 sshのport番号を標準設定(22)、WELL KNOWN （0-1023）、REGISTERED （1024-49151）を避けて 空いている49152番から65535番に設定する ssh port番号の変更(標準のport:22はメジャーな攻撃対象なので変更する) Ctrl-x、yで保存してnanoを終了 この行を追加(任意の予備ポート番号) 5XXXX
38. 2-9 iptables(LinuxのFW)の設定 iptablesパッケージをダウンロード パッケージインストールコマンド sudo apt-get install iptables iptables-persistent -y IPv4ルール保存はyes IPv6ルール保存はno
39. 2-9 iptables(LinuxのFW)の設定 IPv4のINPUTをローカルループ、MQTT、ssh、タイムサーバに限定する *filter :INPUT ACCEPT [0:0] :FORWARD ACCEPT [0:0] :OUTPUT ACCEPT [0:0] -A INPUT -i lo -j ACCEPT -A INPUT -d 127.0.0.0/8 ! -i lo -j REJECT --reject-with icmp-port-unreachable -A INPUT -m state --state RELATED,ESTABLISHED -j ACCEPT -A INPUT -p tcp -m tcp --dport 8883 -j ACCEPT # ポート番号は、/etc/ssh/sshd_config で設定したもの(5XXXX)と同じにする #-A INPUT -p tcp -m state --state NEW --dport 5XXXX –j ACCEPT -A INPUT –p tcp –m state –syn –state NEW –dport 5XXXX -m hashlimit --hashlimit-name t_sshd --hashlimit 1/m -- hashlimit-burst 10 --hashlimit-mode srcip --hashlimit-htable-expire 120000 -j ACCEPT -A INPUT -p tcp -m state --state NEW -m tcp --dport 123 -j ACCEPT -A INPUT -p udp -m state --state NEW -m udp --dport 123 -j ACCEPT -A INPUT -p icmp -m icmp --icmp-type 8 -j ACCEPT -A INPUT -m limit --limit 5/min -j LOG --log-prefix "iptables denied: " --log-level 7 -A INPUT -j REJECT --reject-with icmp-port-unreachable -A FORWARD -j REJECT --reject-with icmp-port-unreachable -A OUTPUT -j ACCEPT COMMIT Ctrl-x、yで保存してnanoを終了 この内容に 書き換える
40. 2-9 iptables(LinuxのFW)の設定 新しいルールをリロード、保存してreboot iptablesをリロード iptablesに書き換えたルールを保存 iptables.Ipv4.filterにルールを保存 rebootして sudo iptables –Lで設定したportのみ許可されていることを確認 5XXXX
41. 3. Python基礎
42. 3-1 Pythonの学び方 ・まず、やりたいことを複数key wordで検索してみる ・文法の基本は公式Document参照 https://docs.python.org/ja/3/ ⇒まずはチュートリアルをやってみる ・初めての有償e-learningならPyQ https://pyq.jp/ ・書籍購入はweb上でよく調べてから 定番系書籍 ・入門 Python 3 ・独学プログラマー Python言語の基本から仕事のやり方まで ・動かしてエラーが出たら? エラーメッセージで検索してみる
43. 3-2 Hello world!(コメントとインデント) Pythonは インデント で文をグループ化するのが大きな特徴 #を書くと、それ以下の一行分はコメント文になる コメント文 インデントでループの階層を定義 (半角で4コマ) プリント文：print(xxx)で変数xxxを表示 print(“xxx”)で””で挟んだ文字列を表示 RaspberryPiのコマンドラインで 「python + ⏎」でpythonコマンドプロンプトが出る
44. 3-3 数値型と文字列型 数値型： 整数 、浮動小数点数 、複素数 (浮動小数点数 は倍精度) 文字列の結合も + で可能 “ ”または‘ ’で括った文字を直接結合可能 文字列型： " "または' 'で括った文字 異なる型は結合できない これは可能
45. 3-4 シーケンス型(list型、tuple型) list型： [ ]でくくる ,で区切る 文字列型でも数値型でも作れる 値の書き換えができる tuple型：,で区切るだけ 文字列型でも数値型でも作れる tuple型は 値の書き換えはできない tuple型を書き換える場合は 定義をしなおす list型はミュータブル、tuple型はイミュータブル、両方インデックスあり (参考)イミュータブル： https://python.ms/immutable
46. 3-5 set型、マッピング型(dictionary) set型はdictionary型のkey部分だけのデータ型 set型はイミュータブルでインデックスが無い dictionary型のkeyはイミュータブルで重複不可、値はミュータブル set型： { }でくくる ,で区切る 文字列型でも数値型でも作れる インデックスが無い dictionary型：「key : 値」の組合せを{ }でくくる 「key : 値」の組合せは,で区切る 文字列型でも数値型でも作れる 値の書き換えができる set型はtuple型と同様に 値の書き換えはできない set型はtuple型と異なり 同じ値を複数カウントしない set型はtuple型と異なり データを順番付して保存できない ⇒インデックスがないから指定できない
47. 3-6 制御フロー(if 文、elif、else、for文) ifステートメント: いわいるif文 else if はelifと記述する forステートメント: 「文字列」というlistに3つの文字列を値として入れる ⇒3つの値なのでインデックスは0,1,2 for文ではシーケンスのインデックス順にループを実行する ※他の言語にはないところで慣れが必要 for文を数値で制御するには組込み関数range()が必要 組込み関数len()を使うとlistのインデックス(要素)の総数が 得られる ⇒左の例でrange(len(文字列))はrange(3)と同義 else ifはelifと表記 for文は他言語と異なりシーケンスをイタレータにできる 慣れが必要
48. 3-7 制御フロー(while文、continue、break) continue: ループの途中で ループの先頭に戻る break: ループの途中で ループから抜ける else節: if文以外でも for文、while文のendで 実行することがある whileステートメント: いわいるwhile文 条件が正である限り ループ内の処理を実行する Elseをfor文/while文のループ後に置くことがある
49. 3-8① ライブラリー Python標準ライブラリ： https://docs.python.org/ja/3/library/index.html モジュール・パッケージ・ライブラリの関係 よく使うライブラリー 組込み型: int、float list、tuple、range set、dictionary 組込み例外: KeyboardInterrupt EOFError、 ImportError FileNotFoundError ZeroDivisionError データ型: datetime ファイルアクセス: pathlib、os.path ファイルフォーマット: csv 汎用OS: os、io time 画像処理: openCV PIL(Pillow) 数値演算: numpy 機械学習: scikit-learn Pytorch TensorFlow TensorFlowフレームワーク: pandas keras 標準ライブラリー 外部ライブラリー ライブラリ: いくつかのパッケージをまとめたもの (モジュールやパッケージをライブラリと 呼ぶこともある) パッケージ: 複数モジュールをまとめたもの モジュール: pythonファイル(.py)のこと 複数のクラスや関数を含む 呼び出して使えるように、定型のpythonプログラムをまとめたもの
50. 3-8② モジュール・クラス・メソッド 必要なモジュール(ライブラリ)をimportしてクラス、メソッドを呼び出す t0 = datetime.datetime.now() 新たに定義した datetimeクラスの インスタンス datetime モジュール モジュール内の クラス ローカルの現在時刻を 取得するメソッド ←ライブラリーをインポート ←モジュールの中のdatetimeクラスよりnow()メソッドで プログラム実行開始したローカル時間を取得 ←”d”が押されたら、開始時間から今までの経過時間を表示 ←”z”が押されたら終了 実行結果
51. 3-9 関数 Pythonの特定の処理をひとまとまりにしたもの 引数と返り値を定義することができる 実行開始時刻からの時間差を表示するプログラム(引数なし・返り値なし) ←def 「関数名」() で関数を定義、行末は:が必要 ←関数の中身 ←上で定義した関数 now() を実行 ←実行結果 ←ライブラリーをインポート ←モジュールの中のdatetimeクラスよりnow()メソッドで プログラム実行開始したローカル時間 t0 を取得 現在時刻とt0の時間差をprint 引数あり・返り値なしバージョン 引数あり・返り値ありバージョン ←引数で実行開始時刻を渡す ←引数で実行開始時刻を渡す 返り値で計算結果を返す deltaというインスタンスに 返り値を受け取る
52. 3-10 ファイル操作 サンプルファイル「hello.txt」を読み出して表示するプログラム 組込み関数open()でファイルを開き、read()で内容を読み出す withブロックを併用することが一般的 ←保存先パス+ファイル名を新規オブジェクトpathに渡す ← pathのファイルをファイルを開き、オブジェクトfに渡す ←さっき開いたファイルの中身を読んで新規ファイルオブジェクトfに渡す ←ファイルの中身:オブジェクトsの種類をprintする ←ファイルの中身:オブジェクトsの内容をprintする ←open()関数で開いたファイルオブジェクトfを閉じる ←同様の実行結果 上記の内容は、withブロックを用いるとこのように書ける withブロックを使う場合close()が不要になる <サンプルファイル hello.txt>
53. 3-10 ファイル操作 新規作成ファイル「new_file.txt」にサンプルテキストを書き出すプログラム 組込み関数open()で新規ファイルを開き、write()で内容を書き出す withブロックを併用することが一般的 ←新しく作るファイルの保存先パス+ファイル名をpathに渡す <書き出したファイル new_file.txt> ←書き込む中身 ←write()関数でファイルに書き込みする ←新規ファイルが生成されて、書き込みされてるか確認 ←書き込みされてることを確認 新規作成ファイル「new_file.txt」を 開いて確認
54. 3-11 画像取得(openCV) ラズパイにUSBのwebカメラをつないでimport cv2でライブラリー取得 cv2.VideoCapture()でカメラと接続、.read()で読込み、.imwrite()で保存 openCV3-Pythonチュートリアル：http://lang.sist.chukyo-u.ac.jp/classes/OpenCV/py_tutorials/py_tutorials.html basenameコマンドを実行するとカレントにjpgは存在しない 今撮影した画像”cv2_sample.jpg”が保存されている
55. 3-12 例外処理 指示どおりに実行できないとプログラムは中断する ⇒想定されるエラーコードが発生したら「例外処理」を実行する ⇒例外処理では、特別なログを残す、無視してループを継続する等する コンピューターは0で割る除算ができず forループを最後まで実行できない for文中で0割り計算が発生したら無視させると Forループを最後まで実行できる forループの始まりは i = 0 なので いきなりエラーが出て終了する 例外処理で0割をスキップ i=0～9まで10ステップの計算を完了 try: “やりたい処理内容” except “例外処理したい例外クラス名”: “例外時の処理内容”
56. 3-13 nanoエディタでhello.pyをつくる nanoエディターで実行ファイルを作成し「Hello World」を表示する ここに、Hello Worldを表示するコードを書き込む 保存したファイルの実行結果を確認 sudo nano new_hello.py 実行権限必要 nanoで エディターが 立ち上がる ファイル名(新規/既存いずれもOK) .pyの拡張子でpython fileと認識 「sudo python new_hello.py」で実行 Ctrl-x、yで保存してnanoを終了
57. 3-14 GPIOで光センサーデータを読込む 光センサーボードをつないでデータを表示する (1)機器の接続 ラズパイGPIO21にセンサーのデジタル出力をつないで検出する ※GNDはどこでもOK 光センサー(CdS) 感度調整回路 AD変換回路 5V + (5V) - ﾃﾞｼﾞﾀﾙ出力 ｱﾅﾛｸﾞ出力 ジャンパーワイヤー(メス-メス)
58. 3-14 GPIOで光センサーデータを読込む 光センサーボードをつないでデータを表示する (2)フローチャート作成 以下の動作の実行フローを考えてみる(ほぼそのまま下記の通り) ・ライブラリーのimport ・GPIOポートの初期化 ・無限ループ内でセンサー信号の読み込み ・センサー信号を読んだらprint文でスクリーンに表示 ・0.5秒毎にセンサー信号を取得する ・ctrl-cを押したらループを脱出 ※まずif文は使わずに
59. 3-14 GPIOで光センサーデータを読込む 光センサーボードをつないでデータを表示する (3)使用するライブラリー importするライブラリー wiringpi ： as piとして読み込む、 GPIOの制御に使う time ： サンプリング時間の制御に使う wiringpiから呼び出す関数 wiringpi.wiringPiSetupGpio() ： GPIO初期化関数 wiringpi.pinMode(trigger_pin, PIN_MODE) ：指定portの入出力モードを設定 trigger_pin ：GPIOのport番号 PIN_MODE ：入力値を読む時はpi.INPUT、出力時はpi.OUTPUT pi.digitalRead(trigger_pin) ：指定portの入力信号を読み取る trigger_pin ：GPIOのport番号 timeから呼び出す関数 time.sleep(sec) ： sec秒だけプロセスを停止させる sec ：停止させたい時間、単位は秒、1秒以下は少数を入力 ctrl-cをつかまえる組込み例外 KeyboardInterrupt
60. 3-14 GPIOで光センサーデータを読込む 光センサーボードをつないでデータを表示する (4)新規.pyファイルを作成 ・課題①で「new_hello.py」を新規作成した要領で nanoエディターで新規ファイルを開いてプログラムを書く
61. 3-14 GPIOで光センサーデータを読込む 光センサーボードをつないでデータを表示する (5)関数定義・main文 ・今作ったファイルを別名保存する ・プログラムの処理部を3-9のように関数定義する ・__name__を使ったmain文を使った記述に書き直してみる __name__変数の使い方 def 「関数名」(引数): #処理内容 if __name__ == ‘__main__’: #処理部を記述 #ここに関数を呼び出す … __name__を使わないモジュール __name__を使ったモジュール importすると 実行される importしても 実行されない https://blog.pyq.jp/entry/Python_kaiketsu_180207 https://techacademy.jp/magazine/18871 https://qiita.com/ryo_xsjsj/items/c0b64f3679da9d168aaa 参考：
62. 3-14 GPIOで光センサーデータを読込む 光センサーボードをつないでデータを表示する (6)表示内容をアレンジ センサー信号の表示の仕方を工夫してみる デジタル信号のまま 状態名で表示 状態が変化した時刻を表示
63. 3-15 センサートリガーで画像取得する センサー信号に変化(明暗の切り替わり)したら写真を撮影する 3-14の演習機器に加えてUSB2.0 portにUSBカメラを接続する ※GNDは どこでもOK 光センサー(CdS) 感度調整 回路 AD変換 回路 5V + (5V) - ﾃﾞｼﾞﾀﾙ出力 ｱﾅﾛｸﾞ出力 USB2.0portに接続
64. 3-15 センサートリガーで画像取得する 3-11のコマンドと3-14で作成したcodeを組合わせてみる 以下の動作の実行フローを考えてみる(ほぼそのまま下記の通り) ・ライブラリーのimport ・GPIOポートの初期化 ・0.5秒毎にセンサー信号を取得して変化を確認する ・センサー信号に変化があったら写真を撮影 ・ctrl-cを押したらループを脱出
65. 3-15 センサートリガーで画像取得する サンプルcode実行例 センサーを手で握った 手を離した
66. 4. PythonでIoT (PC・ラズパイのネットワーク接続が必要)
67. 構築内容 ・X.509 証明書 ・rootCA証明書 発行 ポリシー設定 エンドポイント： xxxxx-ats.iot.ap-northeast-1.amazonaws.com 証明書 通信用のPythonプログラム 暗号化MQTT (非同期双方向) 登録 署名承認 センサー センサーデータのグラフ表示 配置
68. 4-1 クラウド接続準備(aws：ログイン) awsにログインしてIoT core※のマネジメントコンソールを開く (※IoT向けサービスの統合機能) ログインURL(下ページが開く)： https://447139383727.signin.aws.amazon.com/console アカウント：447139383727 ユーザー名：HAMAKITA_Python パスワード：hamakitaAIIoT ←検索窓に「IoT」と入力 ←「IoT core」をクリック マネジメントコンソールよりIoT coreを選択 IoT coreに入ったらリージョンを東京に変更 「開始方法」をクリックして利用開始 (2回目以降はこのページ↓は出ない)
69. 4-1 クラウド接続の準備(aws：ラズパイ登録) RaspberryPiに名前を付けてIoT core上に登録(モノを作成) 管理を選択 モノを選択 単一のモノを作成する 複数端末でシステムを組む場合 予め名前・タイプ・グループを 決めておく 任意の名前を入力 1-Clickで証明書を作成
70. 4-1 クラウド接続の準備(aws：証明書発行) 証明書をPCに保存して有効化する 発行された証明書をPCにダウンロード ダウンロード クリックすると rootCAの説明ページが開く rootCA証明書はCA1を選択 CA証明書をコピー CA1をクリック コピーする CA証明書をrootCA1.pemとしてPCに保存 PCに保存 証明書を有効化する 有効化されるとボタンが「無効化」と表示される 完了をクリック
71. 4-1 クラウド接続の準備(aws：ポリシー作成) ポリシーを作成する(初回または変更したい時だけ) 名前： 任意のポリシー名 アクション： iot* リソースARN： * 許可： チェックを入れる マネジメントコンソールより安全性を選択 ポリシーを選択 ポリシーの作成 項目を入力して「作成」
72. 4-1 クラウド接続の準備(aws：ポリシーアタッチ) 証明書にモノ(ラズパイ)とポリシーをアタッチする ポリシーをアタッチ 安全性を選択 証明書を選択 作成したポリシーをチェック アタッチしたいモノをチェック モノをアタッチ
73. 4-1 クラウド接続の準備(aws：endpoint確認) endpointを確認する 設定を選択 Endpoint名を確認
74. 4-1 クラウド接続の準備(aws：証明書の実装) 証明書をラズパイに配置する 1-3でインストールしたWinSCPを使って、PCにダウンロードした証明書を/home/pi/cert/にコピーする ドラックアンドドロップ piの下にcertを作成
75. 4-2 MQTTで双方向通信(MQTTとは) Brokerを介してトピック指定による多対多の非同期通信をする オーバーヘッドはHTTPSの１／１０ 開発経緯 ・1990 年代後半に IBM が考案したプロトコル ・油田パイプラインでセンサーを衛星のリンクに開発 特徴 ・非常に軽量でHTTPSの1/10のオーバーヘッドで済む ・publish/subscribe型のメッセージ転送 ・IoT/モバイルに適する (Facebook Messenger等で利用) HTTP MQTT 同期/非同期 同期 非同期 送受信対象 1対1 多対多 データ量 大きい（重い） 小さい（軽い） 通信が不安定 ×（送受信不可） ◦（再送受信可能） Broker IoT sensor IoT sensor IoT action pub topic AWS IoT Core sub topic pub topic sub topic pub topic sub topic pub topic Device gateway Device gateway Device gateway Paho-mqtt python ドキュメント：https://pypi.org/project/paho-mqtt/ https://www.eclipse.org/paho/clients/python/docs/#connect-reconnect-disconnect
76. 4-2 MQTTで双方向通信(やること) ①sub用code起動 ➂pub用codeリモート起動 pub用code起動コマンドをjsonでをsub用topicに発行 publish用の code起動命令 pub用topicでテストメッセージをaws IoTに発行 ➁JSONでコマンド発行 ④テストメッセージの受信・表示
77. 4-2 MQTTで双方向通信(証明書ファイル名変更) サンプルプログラムの証明書ファイル名を ダウンロードしたファイル名に書換えendpoint名を確認し保存 この部分を書き換え endpoint名を確認(変更) ※サンプルcode：aws_sub_test.pyとaws_pub_test.pyは、カレント(/home/pi/)にある Ctrl-x、yで保存してnanoを終了
78. 4-2 MQTTで双方向通信(起動) ①ラズパイのsub用codeを立上げて受信待ちにする ➁MQTTクライアントでsub用とpub用topicにサブスクライブ sub用トピック入力 pub用トピック入力 ラズパイのsub用codeを起動 接続すると「Connected」が表示される IoT coreより テストを選択 MQTTクライアントでsub用topicをサブスクライブ MQTTクライアントでpub用topicをサブスクライブ 各topicの 画面が出る
79. 4-2 MQTTで双方向通信(起動) sub用topic画面からラズパイのpub用code起動コマンドを発行 pub用codeの起動は $ python aws_pub_test.py これをワード単位で区切ってJSONでラズパイに発行する ※「python」と「ファイル名」を分けたいのでJSONは⇒{"command1": "python","command2":"aws_pub_test.py"} JSONで 発行するメッセージを書き込み 発行したメッセージが表示される
80. 4-2 MQTTで双方向通信(pub/subの実行) ラズパイでpub用codeの起動を確認 MQTTクライアントのpub用topicでラズパイからの受信を確認 受信したメッセージが表示される 未読のメッセージがあると 緑色のマークが出る awsから起動コマンドを受信するとメッセージが出る pub用codeが起動すると10秒毎にメッセージを表示 ラズパイ側 aws側 同じメッセージ
81. 4-3 クラウドでデータ表示 DHT11温湿度センサーをラズパイに接続 ラズパイのpub用codeの準備とクラウドで表示する環境を構築 温湿度センサー (DHT11) ※GNDはどこでもOK AWS IoT Core IoT rule Role Amazon CloudWatch データHUB 権限設定 実行 ルール 表示 Endpoints CA署名 認証EP データをpub ①pub用code ➁クラウド側環境 接続
82. 4-3 クラウドでデータ表示(①pub用code) MQTTでクラウドに温湿度データを毎分publishするフロー 以下の動作フローをcode化 ・ライブラリーのimport ・aws証明書・EPの設定 ・トピックの設定 ・GPIOポートの初期化 ・無限ループ内で毎秒センサー信号を読込み ・センサー信号をGPIO port14からINPUT ・1分毎に読取った値をクラウドにJSON dump ・ctrl-cを押したらGPIOとの接続を開放して終了
83. 4-3 クラウドでデータ表示(①pub用code) 使用するライブラリー MQTTクライアントを実装する json出力するときに使う ラズパイのi2Cbusを制御する MQTTの通信内容を暗号化する Ctrl-Cでループ終了させる 時刻を取得する GPIOを制御する DHT11センサーから温湿度を読み出す ※dht11.pyは、2-6のgit cloneで「DHT11_Python」に保存されるので必要に応じてコピー
84. 4-3 クラウドでデータ表示(①pub用code) 初期化 エンドポイントと証明書は4-2で設定したまま使う BCM(GPIO番号)で指定する設定 警告を受け取る設定、受け取らないようにするにはFalseにする
85. 4-3 クラウドでデータ表示(①pub用code) MQTT接続処理・温湿度読取り・実行ループの関数 1秒間に2回以上publishしないためのフラグ GPIO経由で温湿度を取得 dht11モジュールを使ってread JSON形式で格納 Pub関数の呼び出し、 二重送信防止のフラグをやり取りする
86. 4-3 クラウドでデータ表示(①pub用code) データと現在時刻をpublishする関数 60秒毎にpubする為の条件 ・ローカルタイム秒を60で割切れたらpub ・60で割切れても2回以上pubしない 一度pubしたらsub_t_countフラグを0にして返す
87. 4-3 クラウドでデータ表示(①pub用code) 時間型の文字列変換関数・メイン関数① time、datetime型も文字列(ISO)化 SSL / TLSサポートを有効化 サーバー証明書でサーバーのホスト名の検証 クライアントインスタンス設定
88. 4-3 クラウドでデータ表示(①pub用code) メイン関数➁ ブローカーが接続要求応答するとき呼出される ブローカにクライアントを接続 通信処理を開始
89. 4-3 クラウドでデータ表示(➁クラウド側環境) pub用codeを実行してaws IoTへの接続を確認 実行 Pub用codeに設定したtopic→ 表示される
90. 4-3 クラウドでデータ表示(➁クラウド側環境) IoT ruleの作成① 任意のルール名を入力 SELECT*FROM’TempHumi’ ←topic名 … 指定されたtopicから受け取ったデータに対するアクションのルールを作成する
91. 4-3 クラウドでデータ表示(➁クラウド側環境) IoT ruleの作成➁ ↓選択 … … アクションに「CloudWatchにメッセージを送信する」を選択する
92. 4-3 クラウドでデータ表示(➁クラウド側環境) IoT ruleの作成➂ Topic名 本番環境を想定して deviceのtempにする None 表示したい値：temp Topic名 メトリクス名、名前空間、値は、それぞれがラズパイからtopicにpublishされた右の値になる
93. 4-3 クラウドでデータ表示(➁クラウド側環境) IoT ruleの作成④ … 任意のロール名を入力 初回は任意の名前でロールを作成する
94. 4-3 クラウドでデータ表示(➁クラウド側環境) IoT ruleの作成➄ … 最後に「ルールの作成」クリックする ←新しいルールが作成されている
95. 4-3 クラウドでデータ表示(➁クラウド側環境) CloudWatchダッシュボードの設定① 検索してCloudWatchを選択 カスタム名前空間の中から IoT coreルールで設定したメトリクス(topic)名を選択
96. 4-3 クラウドでデータ表示(➁クラウド側環境) CloudWatchダッシュボードの設定➁ 対象のメトリックスにチェックを入れ表示パラメータを設定する(後からでも可能)
97. 4-3 クラウドでデータ表示(➁クラウド側環境) 温度を表示するダッシュボードの作成 「ダッシュボードに追加」を選択 最初は任意の名前でダッシュボード作成 作成したダッシュボードが表示される
98. 4-3 クラウドでデータ表示(➁クラウド側環境) 湿度を表示するダッシュボードの作成 作成したIoTルールの「アクションの追加」より、同様の手順で湿度のダッシュボードを作成する 温湿度の2つのダッシュボードの完成イメージ
99. END