RaspberryPi3でBME280を使って部屋の温湿度・気圧をPythonでグラフ化する

梅雨が明けてかなり暑くなってきました。我が家は2Fにリビングと寝室があるので夏場は熱気が溜まってかなりの暑さになります。

先日、就寝中の動画を取得するツールを作成しましたが、

RaspberryPi3とPythonで就寝中の自分の音声付き動画を取得する

部屋の温湿度が自分の就寝具合(夜中に目が覚めたり、イビキが増減)にどういった影響を与えるかを確かめるために、温湿度の監視も追加することにしました。

環境

ハードウェア

　・RaspberryPi3

　・BME280

ソフトウェア

　・Python3.5.3

　・jupyter Notebook

やり方

(1) 既に動画撮影用に部屋にRaspberryPi3が設置してあるのでここにセンサを追加します。Pi3ならWifi経由のデータも容易です。

(2) 使用するセンサはBME280としました。

　よく使われているらしくweb上でも情報が豊富です。

(3) RaspberryPi3に配線

　RaspberryPiのI2C用のピンにはプルアップ抵抗が内蔵されているため接続するだけでOKです。

(4)BME280のデータ取得とcsvファイル保存

I2Cでセンサーのデータを取得してcsvファイルに保存するPythonスクリプトを作成します。こちらの記事を参考にPython3用にわずかに変更しました。1分毎に「bme280.csv」という名前のファイルに追記しています。

#coding: utf-8
import smbus
import datetime
import csv
from time import sleep


bus_number  = 1
i2c_address = 0x76
DATA_DIR = '/home/pi/data/'

bus = smbus.SMBus(bus_number)

digT = []
digP = []
digH = []

t_fine = 0.0


def writeReg(reg_address, data):
	bus.write_byte_data(i2c_address,reg_address,data)

def get_calib_param():
	calib = []
	
	for i in range (0x88,0x88+24):
		calib.append(bus.read_byte_data(i2c_address,i))
	calib.append(bus.read_byte_data(i2c_address,0xA1))
	for i in range (0xE1,0xE1+7):
		calib.append(bus.read_byte_data(i2c_address,i))

	digT.append((calib[1] << 8) | calib[0])
	digT.append((calib[3] << 8) | calib[2])
	digT.append((calib[5] << 8) | calib[4])
	digP.append((calib[7] << 8) | calib[6])
	digP.append((calib[9] << 8) | calib[8])
	digP.append((calib[11]<< 8) | calib[10])
	digP.append((calib[13]<< 8) | calib[12])
	digP.append((calib[15]<< 8) | calib[14])
	digP.append((calib[17]<< 8) | calib[16])
	digP.append((calib[19]<< 8) | calib[18])
	digP.append((calib[21]<< 8) | calib[20])
	digP.append((calib[23]<< 8) | calib[22])
	digH.append( calib[24] )
	digH.append((calib[26]<< 8) | calib[25])
	digH.append( calib[27] )
	digH.append((calib[28]<< 4) | (0x0F & calib[29]))
	digH.append((calib[30]<< 4) | ((calib[29] >> 4) & 0x0F))
	digH.append( calib[31] )
	
	for i in range(1,2):
		if digT[i] & 0x8000:
			digT[i] = (-digT[i] ^ 0xFFFF) + 1

	for i in range(1,8):
		if digP[i] & 0x8000:
			digP[i] = (-digP[i] ^ 0xFFFF) + 1

	for i in range(0,6):
		if digH[i] & 0x8000:
			digH[i] = (-digH[i] ^ 0xFFFF) + 1  

def readData():
        #get record_time and date
        record_datetime = datetime.datetime.now()
        record_file_name = 'bme280.csv'
        #record_file_name = record_datetime.strftime('%Y%m%d') + '_bme280.csv'
        record_time = record_datetime.strftime('%X')

        #get data
        data = []

        for i in range (0xF7, 0xF7+8):
            data.append(bus.read_byte_data(i2c_address,i))

        pres_raw = (data[0] << 12) | (data[1] << 4) | (data[2] >> 4)
        temp_raw = (data[3] << 12) | (data[4] << 4) | (data[5] >> 4)
        hum_raw = (data[6] << 8)   |  data[7]

        T=compensate_T(temp_raw)
        P=compensate_P(pres_raw)
        H=compensate_H(hum_raw)

        #record_date
        writer = csv.writer(open(record_file_name,'a'))
        writer.writerow([record_time,T,P,H])
        
def compensate_P(adc_P):
	global  t_fine
	pressure = 0.0
	
	v1 = (t_fine / 2.0) - 64000.0
	v2 = (((v1 / 4.0) * (v1 / 4.0)) / 2048) * digP[5]
	v2 = v2 + ((v1 * digP[4]) * 2.0)
	v2 = (v2 / 4.0) + (digP[3] * 65536.0)
	v1 = (((digP[2] * (((v1 / 4.0) * (v1 / 4.0)) / 8192)) / 8)  + ((digP[1] * v1) / 2.0)) / 262144
	v1 = ((32768 + v1) * digP[0]) / 32768
	
	if v1 == 0:
		return 0
	pressure = ((1048576 - adc_P) - (v2 / 4096)) * 3125
	if pressure < 0x80000000:
		pressure = (pressure * 2.0) / v1
	else:
		pressure = (pressure / v1) * 2
	v1 = (digP[8] * (((pressure / 8.0) * (pressure / 8.0)) / 8192.0)) / 4096
	v2 = ((pressure / 4.0) * digP[7]) / 8192.0
	pressure = pressure + ((v1 + v2 + digP[6]) / 16.0)  

	print ("pressure : %7.2f hPa" % (pressure/100))

	return pressure/100

def compensate_T(adc_T):
	global t_fine
	v1 = (adc_T / 16384.0 - digT[0] / 1024.0) * digT[1]
	v2 = (adc_T / 131072.0 - digT[0] / 8192.0) * (adc_T / 131072.0 - digT[0] / 8192.0) * digT[2]
	t_fine = v1 + v2
	temperature = t_fine / 5120.0
	print ("temp : %-6.2f ℃" % (temperature))

	return temperature

def compensate_H(adc_H):
	global t_fine
	var_h = t_fine - 76800.0
	if var_h != 0:
		var_h = (adc_H - (digH[3] * 64.0 + digH[4]/16384.0 * var_h)) * (digH[1] / 65536.0 * (1.0 + digH[5] / 67108864.0 * var_h * (1.0 + digH[2] / 67108864.0 * var_h)))
	else:
		return 0
	var_h = var_h * (1.0 - digH[0] * var_h / 524288.0)
	if var_h > 100.0:
		var_h = 100.0
	elif var_h < 0.0:
		var_h = 0.0
	print ("hum : %6.2f ％" % (var_h))

	return var_h


def setup():
	osrs_t = 1			#Temperature oversampling x 1
	osrs_p = 1			#Pressure oversampling x 1
	osrs_h = 1			#Humidity oversampling x 1
	mode   = 3			#Normal mode
	t_sb   = 5			#Tstandby 1000ms
	filter = 0			#Filter off
	spi3w_en = 0			#3-wire SPI Disable

	ctrl_meas_reg = (osrs_t << 5) | (osrs_p << 2) | mode
	config_reg    = (t_sb << 5) | (filter << 2) | spi3w_en
	ctrl_hum_reg  = osrs_h

	writeReg(0xF2,ctrl_hum_reg)
	writeReg(0xF4,ctrl_meas_reg)
	writeReg(0xF5,config_reg)


setup()
get_calib_param()

if __name__ == '__main__':
        try:
            while True:
                readData()
                sleep(60)
                
        except KeyboardInterrupt:
                pass

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#coding: utf-8

import smbus

import datetime

import csv

from time import sleep

bus_number = 1

i2c_address = 0x76

DATA_DIR = '/home/pi/data/'

bus = smbus.SMBus(bus_number)

digT = []

digP = []

digH = []

t_fine = 0.0

def writeReg(reg_address, data):

bus.write_byte_data(i2c_address,reg_address,data)

def get_calib_param():

calib = []

for i in range (0x88,0x88+24):

calib.append(bus.read_byte_data(i2c_address,i))

calib.append(bus.read_byte_data(i2c_address,0xA1))

for i in range (0xE1,0xE1+7):

calib.append(bus.read_byte_data(i2c_address,i))

digT.append((calib[1] << 8) | calib[0])

digT.append((calib[3] << 8) | calib[2])

digT.append((calib[5] << 8) | calib[4])

digP.append((calib[7] << 8) | calib[6])

digP.append((calib[9] << 8) | calib[8])

digP.append((calib[11]<< 8) | calib[10])

digP.append((calib[13]<< 8) | calib[12])

digP.append((calib[15]<< 8) | calib[14])

digP.append((calib[17]<< 8) | calib[16])

digP.append((calib[19]<< 8) | calib[18])

digP.append((calib[21]<< 8) | calib[20])

digP.append((calib[23]<< 8) | calib[22])

digH.append( calib[24] )

digH.append((calib[26]<< 8) | calib[25])

digH.append( calib[27] )

digH.append((calib[28]<< 4) | (0x0F & calib[29]))

digH.append((calib[30]<< 4) | ((calib[29] >> 4) & 0x0F))

digH.append( calib[31] )

for i in range(1,2):

if digT[i] & 0x8000:

digT[i] = (-digT[i] ^ 0xFFFF) + 1

for i in range(1,8):

if digP[i] & 0x8000:

digP[i] = (-digP[i] ^ 0xFFFF) + 1

for i in range(0,6):

if digH[i] & 0x8000:

digH[i] = (-digH[i] ^ 0xFFFF) + 1

def readData():

#get record_time and date

record_datetime = datetime.datetime.now()

record_file_name = 'bme280.csv'

#record_file_name = record_datetime.strftime('%Y%m%d') + '_bme280.csv'

record_time = record_datetime.strftime('%X')

#get data

data = []

for i in range (0xF7, 0xF7+8):

data.append(bus.read_byte_data(i2c_address,i))

pres_raw = (data[0] << 12) | (data[1] << 4) | (data[2] >> 4)

temp_raw = (data[3] << 12) | (data[4] << 4) | (data[5] >> 4)

hum_raw = (data[6] << 8) | data[7]

T=compensate_T(temp_raw)

P=compensate_P(pres_raw)

H=compensate_H(hum_raw)

#record_date

writer = csv.writer(open(record_file_name,'a'))

writer.writerow([record_time,T,P,H])

def compensate_P(adc_P):

global t_fine

pressure = 0.0

v1 = (t_fine / 2.0) - 64000.0

v2 = (((v1 / 4.0) * (v1 / 4.0)) / 2048) * digP[5]

v2 = v2 + ((v1 * digP[4]) * 2.0)

v2 = (v2 / 4.0) + (digP[3] * 65536.0)

v1 = (((digP[2] * (((v1 / 4.0) * (v1 / 4.0)) / 8192)) / 8) + ((digP[1] * v1) / 2.0)) / 262144

v1 = ((32768 + v1) * digP[0]) / 32768

if v1 == 0:

return 0

pressure = ((1048576 - adc_P) - (v2 / 4096)) * 3125

if pressure < 0x80000000:

pressure = (pressure * 2.0) / v1

else:

pressure = (pressure / v1) * 2

v1 = (digP[8] * (((pressure / 8.0) * (pressure / 8.0)) / 8192.0)) / 4096

v2 = ((pressure / 4.0) * digP[7]) / 8192.0

pressure = pressure + ((v1 + v2 + digP[6]) / 16.0)

print ("pressure : %7.2f hPa" % (pressure/100))

return pressure/100

def compensate_T(adc_T):

global t_fine

v1 = (adc_T / 16384.0 - digT[0] / 1024.0) * digT[1]

v2 = (adc_T / 131072.0 - digT[0] / 8192.0) * (adc_T / 131072.0 - digT[0] / 8192.0) * digT[2]

t_fine = v1 + v2

temperature = t_fine / 5120.0

print ("temp : %-6.2f ℃" % (temperature))

return temperature

def compensate_H(adc_H):

global t_fine

var_h = t_fine - 76800.0

if var_h != 0:

var_h = (adc_H - (digH[3] * 64.0 + digH[4]/16384.0 * var_h)) * (digH[1] / 65536.0 * (1.0 + digH[5] / 67108864.0 * var_h * (1.0 + digH[2] / 67108864.0 * var_h)))

else:

return 0

var_h = var_h * (1.0 - digH[0] * var_h / 524288.0)

if var_h > 100.0:

var_h = 100.0

elif var_h < 0.0:

var_h = 0.0

print ("hum : %6.2f ％" % (var_h))

return var_h

def setup():

osrs_t = 1 #Temperature oversampling x 1

osrs_p = 1 #Pressure oversampling x 1

osrs_h = 1 #Humidity oversampling x 1

mode = 3 #Normal mode

t_sb = 5 #Tstandby 1000ms

filter = 0 #Filter off

spi3w_en = 0 #3-wire SPI Disable

ctrl_meas_reg = (osrs_t << 5) | (osrs_p << 2) | mode

config_reg = (t_sb << 5) | (filter << 2) | spi3w_en

ctrl_hum_reg = osrs_h

writeReg(0xF2,ctrl_hum_reg)

writeReg(0xF4,ctrl_meas_reg)

writeReg(0xF5,config_reg)

setup()

get_calib_param()

if __name__ == '__main__':

try:

while True:

readData()

sleep(60)

except KeyboardInterrupt:

pass

(5) BME280データの可視化

jupyterでPandas,matplotlibを使って可視化するコードを描いてみました。

(4)で作成したcsvファイルを読み込んで、pandasのplotでグラフ化しています。

plot内の引数は理解が浅いこともありゴチャゴチャしています。

日本語から変換した℃だとグラフ上の表記が□になってしまったので

どうしたものかと思っていたところ'Temperature($^\circ$C)'と記載すると

Temperature(℃)と表示できました。

結果

試しに16:30〜18:30頃のエアコン無しの寝室の温度、湿度、気圧をプロットしてみた時の結果です

夕方4時過ぎで37℃を超えていました。

手持ちの温度計で測った際にも37℃くらいだったので値は概ね正しそうです。

これから本格的な夏を迎えた時にはどうなってしまうのでしょうか。。

以上。

参照

Raspberry Pi 3 でK09421(BME280)のセンサ出力を定期的にcsvへ出力する

http://kagemomiji.hateblo.jp/entry/2016/08/16/003224

python – matplotlibで摂氏記号を印刷する方法

https://codeday.me/jp/qa/20190311/411129.html