ESP32とサーボ一個を使った無線で制御可能な入店・退店ゲートの試作

クラスメソッドが運営する「Developers.IO CAFE」に設置してあるレジレスの物品販売エリア（「ウォークスルー」と呼んでいます）にゲートを設置することで、お客様の購入体験を向上させられるか確認するために、ESP32とサーボ一個を使ったごく簡易的な入店・退店ゲートを試作してみた過程をご紹介します。

#Arduino

#ESP32

#BLE

#ハードウェア

Yosuke Miyajima

2019.05.07

この記事は公開されてから1年以上経過しています。情報が古い可能性がありますので、ご注意ください。

English version of this post is here.

はじめに

クラスメソッドが運営する「Developers.IO CAFE」に設置してあるレジレスの物品販売エリア（「ウォークスルー」と呼んでいます）には、入店・退店ゲートのようなものは現在設置されていません。ゲートを設置することで、お客様の購入体験を向上させられるか確認するために、ESP32とサーボ一個を使ったごく簡易的な入店・退店ゲートを試作してみました。本記事ではその試作の過程をご紹介します。

構想

サーボモーターに、発泡スチロール等でできた棒を取り付けて90度の開閉を行わせる
- 水平状態がゲートオープン、垂直状態がゲートクローズ
ESP32のBLE(GATT Write)でゲートの開閉を制御
- 秋月で売っているESP32-DevKitCを使用
- サーボ自体はPWM制御
サーボモーター
- ヴィストンの「標準サーボモーター Type 2」
- カフェ内に設置してあるベルトパーテーションの支柱に固定する
ゲートの開閉状態を示すバー
- スチレン製の棒を使用
  - ハンズで売ってる、30mm経で1000mmの硬めのものを半分に切断して使用
カフェの物販システムと連携はしない
- 今回はまず動作確認できるモノを最速で作りたいので、カフェの物販システムと連携はしない
  - BLE経由でマニュアル操作で開閉させる

試作

トルク計算

ゲートの開閉に使う棒には、ハンズで買ったスチレン製の棒を半分に切って使用します。この棒は1000mmで重量が約40gなので、半分(500mm)に切ると約20gになります。棒を水平にした時、500mmの棒の端に20gの荷重がかかると仮定すると、必要なトルクは0.02kgf x 0.5m = 0.01kgf・mとなります。今回使用するサーボのトルクはスペックによると4.6kgf・mあるので、十分余力がありそうです。

PWMによるサーボの制御

ESP32にはledc~~という接頭辞の付いたLEDのPWM制御用の関数が用意されています。PWM制御という観点ではLEDもサーボも違いはありませんので、この関数でサーボのPWM制御を行います。弊社さかじのブログ記事で紹介されているシリアルポート経由の簡易的なCUIから値を送信して、動的にサーボのPWM制御ができることが確認できました。

BLEによる無線制御

ESP32のライブラリ関数を利用します。

コードサンプル

#include <BLEDevice.h>
#include <BLEServer.h>
#include <BLEUtils.h>
#include <BLE2902.h>

#define MIN 1
#define MAX 30
int n;
int gate_open;

BLEServer* pServer = NULL;
BLECharacteristic* pCharacteristic = NULL;
bool deviceConnected = false;
bool oldDeviceConnected = false;
#define SERVICE_UUID        "YOUR OWN SERVICE UUID"
#define CHARACTERISTIC_UUID "YOUR OWN CHARACTERISTIC UUID"
String bleSensorName = "YOUR OWN BLE DEVICE NAME";

class MyCallbacks: public BLECharacteristicCallbacks {
    void onWrite(BLECharacteristic *pCharacteristic) {
      Serial.println("onWrite");
      std::string value = pCharacteristic->getValue();
      if (value.length() > 0) {
        Serial.println("*********");
        Serial.print("New value: ");
        for (int i = 0; i < value.length(); i++)
          Serial.print(value[i]);
        Serial.println();
        Serial.println("*********");
      }
      if (gate_open == 0) {
        n = 15;  // 90°
        gate_open = 1;  // GATE CLOSED
      } else {
        n = 1;  // 0°
        gate_open = 0;  // GATE OPENED
      }
    }
};

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  Serial.print("> ");

  ledcSetup(0, 50, 8);  // 0ch 50 Hz 8bit resolution
  ledcAttachPin(15, 0); // 15pin, 0ch
  n = MIN;
  gate_open = 0;

  BLEDevice::init((char *)bleSensorName.c_str());
  pServer = BLEDevice::createServer();
  pServer->setCallbacks(new MyServerCallbacks());
  BLEService *pService = pServer->createService(SERVICE_UUID);
  pCharacteristic = pService->createCharacteristic(
                      CHARACTERISTIC_UUID,
                      BLECharacteristic::PROPERTY_WRITE
                    );
  pCharacteristic->setCallbacks(new MyCallbacks());
  // https://www.bluetooth.com/specifications/gatt/viewer?attributeXmlFile=org.bluetooth.descriptor.gatt.client_characteristic_configuration.xml
  pCharacteristic->addDescriptor(new BLE2902());
  pService->start();
  pServer->getAdvertising()->start(); // start advertising
  Serial.println("Setup completed. starting advertising...");
}

void loop() {
  if (Serial.available() > 0) {
    String s;
    s = Serial.readStringUntil('\n');
    Serial.println(s);
    int new_n = menu(s);
    if (new_n != -1) n = new_n;
  }

  if (n > MAX) n = MAX;
  if (n < MIN) n = MIN;
  ledcWrite(0, n);

  // disconnecting
  if (!deviceConnected && oldDeviceConnected) {
      delay(500); // give the bluetooth stack the chance to get things ready
      pServer->startAdvertising(); // restart advertising
      Serial.println("start advertising");
      oldDeviceConnected = deviceConnected;
  }
  // connecting
  if (deviceConnected && !oldDeviceConnected) {
      oldDeviceConnected = deviceConnected;
  }
}

int menu(String s) {
  if (s.equals("?")) {
    Serial.println("entrance-exit-gate-controller");
    Serial.print("> ");
    return -1;
  } else if (s.equals("ver")) {
    Serial.println("0.0.1");
    Serial.print("> ");
    return -1;
  } else {
    Serial.println(s);
    Serial.print("> ");
    return s.toInt();
  }
}