M5StackとPythonでIoT開発入門｜センサー連携やクラウド活用事例を解説

はじめに

brian

M5StackとPythonでIoT開発を始めてみませんか？このガイドでは、M5Stackの基本からPython環境のセットアップ、センサー連携、クラウド活用まで、初心者にもわかりやすく解説しています。IoTに興味がある方は、ぜひチェックしてみてください！

M5Stackとは？

M5Stack（エムファイブスタック）は、ESP32マイクロコントローラを搭載した開発ボードシリーズです。IoT（モノのインターネット）デバイスやプロトタイプの開発に適したデバイスで、コンパクトな筐体にディスプレイやボタン、バッテリー、拡張ポートが統合されています。

主な特徴

プログラム可能：Python（MicroPython）、Arduino、UIFlow（ブロックプログラム）など、複数のプログラム言語に対応。
ディスプレイ付き：LCDディスプレイが標準装備され、視覚的な情報表示が可能。
拡張性が高い：さまざまなモジュールやセンサーと簡単に接続できる。
Wi-FiとBluetooth搭載：ネットワーク機能を活用したIoTシステムの構築が容易。

M5Stackの用途

M5Stackは以下のようなシーンで活躍します。

IoTシステムの試作
温湿度センサーやGPSモジュールを利用してデータを収集し、クラウドに送信。
教育・学習用途
プログラミング教育や電子工作の入門用デバイスとして人気。
プロトタイピング
製品開発の初期段階で、短期間で動作確認を行うツールとして活用。
スマートデバイス制御
リモコンやスマートホームの制御デバイスとして応用。

M5Stackの種類と選び方

M5Stackの主なモデル

M5Stackには複数のモデルがあり、それぞれ特徴や用途が異なります。ここでは代表的なモデルを紹介します。

M5Stack Core2

特徴: タッチスクリーンと内蔵バッテリーを搭載した高機能モデル。
用途: ディスプレイを活用したUI開発やIoTデバイスのプロトタイピングに最適。
インターフェース: GPIOピン、I2C、SPIなどの多様な接続方法をサポート。

M5Stack CoreS3

特徴: ESP32-S3を搭載し、より高性能なプロセッサとAI機能に対応。
用途: 機械学習やAI処理を含むアプリケーションに適している。
拡張性: USB-C接続と豊富なモジュールサポート。

M5StickC Plus

特徴: コンパクトサイズで携帯性に優れる。バッテリーも内蔵。
用途: ウェアラブルデバイスや小型IoT機器の開発に便利。
ディスプレイ: 1.14インチのTFT液晶を搭載。

M5Stack Atomシリーズ

特徴: 小型ながらフル機能を備えたモデル。
用途: スペースが限られた場所でのデバイス制御や組み込み用途に最適。
拡張性: 小型センサーやモジュールと簡単に接続可能。

用途に応じたモデルの選び方

UI重視なら「Core2」や「CoreS3」がおすすめ。ディスプレイを使った操作画面の開発が可能です。
サイズ重視なら「M5StickC Plus」や「Atom」シリーズ。持ち運びや小型デバイスへの組み込みに適しています。
AI活用を検討している場合は「CoreS3」が最適。画像処理や音声認識などの高度な処理が可能です。

拡張モジュールとアクセサリ

M5Stackは、さまざまな拡張モジュールやセンサーと簡単に接続できる点も魅力です。

センサーモジュール: 温湿度センサー、加速度センサーなど。
通信モジュール: LoRaやGSMなどの通信拡張機能。
ディスプレイと入力デバイス: 外部LEDマトリクスやタッチパネルの追加。

これらの拡張機能により、用途に応じたカスタマイズが可能です。

Python環境のセットアップ

MicroPythonとUIFlowの違い

M5Stackは複数のプログラミング環境に対応していますが、特に人気なのが MicroPython と UIFlow です。それぞれの特徴を簡単に説明します。

MicroPython

概要: Pythonをベースとした軽量なプログラミング環境。
特徴:
- 標準的なPython文法が使用できるため、Pythonに慣れている人に最適。
- スクリプトで直接デバイスを制御できる。
- 柔軟なコード記述が可能で、複雑なアプリケーションにも対応。

Micro:bitで始めるPythonプログラミング入門

Micro:bitを使ったPythonプログラミングの基本を徹底解説。センサーやボタンを活用した簡単なプロジェクトから、無線通信機能を使った応用プロジェクトまで、初心者向けにわかりやすく紹介します。

UIFlow

概要: ブロックベースのビジュアルプログラミングツール。Pythonコードにも変換可能。
特徴:
- コーディング初心者でも直感的にプログラムを作成できる。
- Webブラウザや専用アプリからプログラムを編集・アップロード可能。
- 開発速度が速く、簡単なプロトタイプ作成に便利。

おすすめポイント

プログラミングに慣れている人は MicroPython を選択。
初心者や素早く試したい場合は UIFlow が使いやすいです。

開発環境のセットアップ

ここでは、MicroPythonを使用する場合の環境設定について説明します。

必要なソフトウェアの準備

Pythonのインストール
- Python公式サイトから最新版をダウンロードしてインストールします。
- コマンドプロンプトまたはターミナルで以下を実行し、インストールを確認します。

Bash

python --version
pip --version

Thonny IDEのインストール
- MicroPython用の統合開発環境 (IDE) である Thonny をダウンロードします。
- インストール後、起動して環境をセットアップします。
M5Stack用ドライバとファームウェアツールのインストール
- ドライバのインストール: M5StackがPCと接続できるように、CP210XまたはCH9102ドライバをインストールします。
- M5Burnerのダウンロード: M5Burner を使用してMicroPythonファームウェアをデバイスに書き込みます。

MicroPythonファームウェアの書き込み

M5Burnerを起動し、デバイスをUSBケーブルでPCに接続します。
デバイスを認識したら、MicroPythonの最新ファームウェアをダウンロードして選択します。
書き込みボタンをクリックしてファームウェアをインストールします。

接続と動作確認

Thonnyを起動し、以下の設定を行います。
- メニューから「ツール」→「インタープリタ」へ移動。
- インタープリタに「MicroPython (ESP32)」を選択。
- ポートにM5Stackが接続されているCOMポートを指定。
以下のコードを実行し、動作確認します。

Python

from machine import Pin
import time

led = Pin(2, Pin.OUT)
while True:
    led.value(1)
    time.sleep(0.5)
    led.value(0)
    time.sleep(0.5)

補足: UIFlowを使いたい場合

UIFlowを使う場合は、M5Stack公式UIFlowページにアクセスし、オンラインまたはデスクトップ版を使用します。設定はM5BurnerでUIFlowファームウェアをインストールするだけです。

M5StackでPythonプログラミングを始めよう

LED制御の基本プログラム

ここでは、M5Stackの内蔵LEDを制御するプログラムを作成しながら、Pythonコードの基本操作を学びます。

プログラムの概要

内蔵LEDを0.5秒間隔で点滅させる簡単なコードを作成します。

コード例: LEDの点滅

Python

from machine import Pin  # ピン制御用ライブラリをインポート
import time              # 時間制御用ライブラリをインポート

led = Pin(10, Pin.OUT)   # GPIO10を出力ピンとして設定（M5StackのLEDピン）

while True:              # 無限ループ
    led.value(1)         # LEDを点灯
    time.sleep(0.5)      # 0.5秒待つ
    led.value(0)         # LEDを消灯
    time.sleep(0.5)      # 0.5秒待つ

コード解説

from machine import Pin
GPIOピンを制御するためのライブラリをインポートします。
import time
ウェイト処理を行うためのライブラリをインポートします。
Pin(10, Pin.OUT)
GPIO10ピンを出力モードとして設定します。
led.value(1) と led.value(0)
ピンの出力を1にすると点灯、0にすると消灯します。
time.sleep(0.5)
指定した秒数（0.5秒）待機します。

ボタン操作の基本プログラム

次に、M5Stackの内蔵ボタンを押すとLEDが点灯するプログラムを作成します。

コード例: ボタン操作でLEDを制御

Python

from machine import Pin
import time

led = Pin(10, Pin.OUT)   # GPIO10をLED出力ピンとして設定
btnA = Pin(39, Pin.IN)  # GPIO39をボタンAの入力ピンとして設定

while True:
    if btnA.value() == 0:  # ボタンが押された場合（0: 押された状態）
        led.value(1)       # LEDを点灯
    else:
        led.value(0)       # LEDを消灯
    time.sleep(0.1)        # 短い遅延を入れてボタン入力を安定化

コード解説

Pin(39, Pin.IN)
GPIO39ピンを入力モードに設定します。これはM5StackのAボタンに対応しています。
btnA.value() == 0
ボタンが押されると0（LOW）になるため、その状態を検出します。
time.sleep(0.1)
0.1秒ごとに状態を確認することで、ボタンのチャタリングを防ぎます。

プログラムの応用例

この基本操作を組み合わせることで、以下のような機能も実現できます。

ボタンを長押ししたときにLEDが点滅する。
ボタンの押下回数をカウントしてディスプレイに表示する。
外部センサーからの入力に応じてLEDを制御する。

センサーとデバイス連携の実例

温度・湿度センサーのデータ取得

ここでは、M5Stackと温湿度センサー（DHT11またはDHT22）を使用して、温度と湿度のデータを取得し、ディスプレイに表示するプログラムを作成します。

センサー接続と準備

使用するセンサー
DHT11またはDHT22（デジタル温湿度センサー）
接続方法
DHTセンサーのピン配列
- VCC: 3.3Vまたは5V
- DATA: データ信号線（GPIO21に接続）
- GND: グランド

配線例

センサー	M5Stack (Core2)
VCC	3.3V
DATA	GPIO21
GND	GND

コード例: 温度と湿度の表示

Python

from machine import Pin
import dht
from m5stack import lcd  # ディスプレイ制御用ライブラリ
import time

# センサー設定
sensor = dht.DHT22(Pin(21))  # GPIO21に接続したDHT22を使用

while True:
    try:
        sensor.measure()  # センサーからデータを取得
        temp = sensor.temperature()  # 温度を取得
        hum = sensor.humidity()      # 湿度を取得
        
        # ディスプレイ表示
        lcd.clear()  # 画面をクリア
        lcd.print("Temp: {:.1f} C".format(temp), 10, 10)
        lcd.print("Hum: {:.1f} %".format(hum), 10, 40)
        
    except OSError as e:
        lcd.print("Sensor Error", 10, 10)  # エラー表示
    
    time.sleep(2)  # 2秒ごとに更新

コード解説

import dht
DHTセンサー用の専用ライブラリをインポートします。
dht.DHT22(Pin(21))
GPIO21に接続したDHT22センサーを設定します。
DHT11を使う場合は dht.DHT11(Pin(21)) に変更します。
sensor.measure()
センサーから最新データを取得します。
lcd.print()
取得したデータをディスプレイに表示します。座標(10, 10)から表示を開始します。
time.sleep(2)
更新間隔を2秒に設定します。

ディスプレイ表示の応用

上記プログラムを応用すると、以下の機能も実現できます。

しきい値設定: 温度や湿度が特定の値を超えた場合に警告を表示する。
データロギング: 測定データをSDカードやクラウドに保存する。
グラフ表示: 時系列でデータの変化をグラフ化する。

その他のセンサーとの連携例

加速度センサー（MPU6050）
3軸加速度データを取得して、動き検知や姿勢検知を行う。
環境センサー（BME280）
気圧や高度データも取得可能で、環境モニタリングに利用。
光センサー
照度レベルを検出し、自動調光システムを構築。

Wi-Fiとクラウド連携

Wi-Fi接続の設定

M5Stackは内蔵のWi-Fi機能を活用して、インターネットに接続できます。ここでは、Wi-Fiに接続し、デバイスのIPアドレスを表示する基本的なプログラムを作成します。

コード例: Wi-Fi接続とIPアドレス表示

Python

import network  # ネットワーク接続用ライブラリ
import time
from m5stack import lcd  # ディスプレイ表示用ライブラリ

# Wi-Fi設定
SSID = 'your-SSID'         # Wi-FiのSSIDを設定
PASSWORD = 'your-PASSWORD' # Wi-Fiのパスワードを設定

# Wi-Fi接続関数
def connect_wifi(ssid, password):
    wlan = network.WLAN(network.STA_IF)  # ステーションモードに設定
    wlan.active(True)                    # Wi-Fiを有効化
    wlan.connect(ssid, password)         # 指定したSSIDとパスワードで接続

    # 接続待機
    while not wlan.isconnected():
        lcd.print('.', 10, 10)
        time.sleep(1)

    lcd.print('\nConnected!', 10, 30)
    lcd.print('IP: ' + wlan.ifconfig()[0], 10, 50)  # IPアドレス表示

# Wi-Fi接続実行
lcd.clear()
lcd.print('Connecting to Wi-Fi...', 10, 10)
connect_wifi(SSID, PASSWORD)

コード解説

network.WLAN(network.STA_IF)
ステーションモード（クライアントモード）を有効化します。
Wi-Fiルーターに接続するための設定です。
wlan.active(True)
Wi-Fi機能を有効にします。
wlan.connect()
指定したSSIDとパスワードでWi-Fiに接続します。
wlan.isconnected()
Wi-Fi接続状態を確認します。接続完了まで待機します。
wlan.ifconfig()
IPアドレスやネットワーク設定を取得し、IPアドレスを表示します。

クラウド連携の基礎

Wi-Fi接続を利用して、クラウドサービスとのデータ送受信も簡単に実現できます。ここでは、HTTPを使ったクラウド通信の基本を紹介します。

コード例: HTTP GETリクエスト

以下は、天気予報APIを利用して現在の天気データを取得する例です。

Python

import urequests  # HTTPリクエスト用ライブラリ
from m5stack import lcd
import time

# 天気API設定
API_URL = 'http://api.openweathermap.org/data/2.5/weather'
CITY = 'Tokyo'
API_KEY = 'your-api-key'  # APIキーを設定
URL = f"{API_URL}?q={CITY}&appid={API_KEY}&units=metric"

# データ取得
try:
    response = urequests.get(URL)  # HTTP GETリクエスト送信
    data = response.json()         # JSON形式でデータ取得
    response.close()

    # データ表示
    lcd.clear()
    lcd.print('Weather: ' + data['weather'][0]['description'], 10, 10)
    lcd.print('Temp: {:.1f} C'.format(data['main']['temp']), 10, 30)
except Exception as e:
    lcd.print('Error: {}'.format(str(e)), 10, 10)

コード解説

urequests.get(URL)
指定したURLにHTTP GETリクエストを送信します。
response.json()
APIからの応答データをJSON形式で解析します。
lcd.print()
APIから取得した天気や気温データをディスプレイに表示します。
エラーハンドリング
接続エラー時は例外をキャッチし、エラーメッセージを表示します。

応用例: データ送信と通知

データ送信
測定した温度・湿度データをクラウドに送信し、ログを保存。
通知機能
特定の条件を満たしたときにメールやLINE通知を送信。
IoTプラットフォームとの連携
BlynkやThingSpeakを利用してデータの可視化や遠隔制御を実現。

プロジェクト事例紹介

環境モニタリングシステム

ここでは、M5Stackとセンサーを組み合わせた環境モニタリングシステムの構築例を紹介します。このシステムは、温湿度データをクラウドに送信し、リアルタイムで監視できる仕組みを実現します。

システム構成

ハードウェア構成
- M5Stack Core2: データの取得と表示を担当。
- DHT22センサー: 温湿度データを測定。
- Wi-Fi接続: クラウドへのデータ送信。
ソフトウェア構成
- MicroPython: デバイスプログラムの開発言語。
- HTTP API: クラウドサービス（例: ThingSpeak）へのデータ送信。

コード例: データ取得とクラウド送信

Python

import network
import urequests
import dht
from machine import Pin
from m5stack import lcd
import time

# Wi-Fi設定
SSID = 'your-SSID'
PASSWORD = 'your-PASSWORD'

# ThingSpeak API設定
API_KEY = 'your-api-key'
URL = 'https://api.thingspeak.com/update'

# センサー設定
sensor = dht.DHT22(Pin(21))

# Wi-Fi接続
def connect_wifi():
    wlan = network.WLAN(network.STA_IF)
    wlan.active(True)
    wlan.connect(SSID, PASSWORD)
    while not wlan.isconnected():
        time.sleep(1)

# データ送信
def send_data(temp, hum):
    try:
        response = urequests.get(f'{URL}?api_key={API_KEY}&field1={temp}&field2={hum}')
        response.close()
    except Exception as e:
        lcd.print('Error: {}'.format(str(e)), 10, 10)

# メイン処理
connect_wifi()
lcd.clear()
lcd.print('Monitoring...', 10, 10)

while True:
    try:
        sensor.measure()
        temp = sensor.temperature()
        hum = sensor.humidity()
        
        # ディスプレイ表示
        lcd.clear()
        lcd.print('Temp: {:.1f} C'.format(temp), 10, 10)
        lcd.print('Hum: {:.1f} %'.format(hum), 10, 30)
        
        # データ送信
        send_data(temp, hum)
    except Exception as e:
        lcd.print('Sensor Error', 10, 10)

    time.sleep(10)

ポイント解説

クラウド連携
ThingSpeakのAPIを使い、測定データをクラウドに送信します。送信間隔は10秒に設定されています。
リアルタイム監視
クラウド側のグラフ機能を使えば、データの推移を視覚的に確認できます。
拡張性
他のセンサー（光センサーや加速度センサーなど）を追加することで、より多機能なモニタリングシステムに拡張できます。

応用例

警告通知システム: 異常温度や湿度を検出した際にメール通知を送信。
リモート監視: クラウドを介してスマートフォンからリアルタイムデータを確認。
エネルギー管理システム: 電力使用量などのデータも追加し、エネルギー効率を分析。

スマートホーム制御

もう一つの事例として、M5Stackを使ったスマートホーム制御システムも紹介します。

システム構成

スマートプラグ制御
- 赤外線リモコンを利用して家電を操作。
- Wi-Fi経由で遠隔操作。
コード例: 赤外線リモコン操作

Python

from machine import Pin, PWM
import time

ir_led = Pin(15, Pin.OUT)  # 赤外線LEDをGPIO15に接続

def send_signal():
    for i in range(100):  # 信号の送信回数
        ir_led.value(1)
        time.sleep_us(560)  # 高速点滅
        ir_led.value(0)
        time.sleep_us(560)

send_signal()  # 赤外線信号を送信

応用例

スマートライト制御: 明るさや色を遠隔で調整。
エアコン操作: 温度設定をセンサーと連携して自動化。
ドアロック管理: Wi-Fi経由でドアロックを解除するシステム。

これらのシステムは、M5StackとPythonを使うことで手軽に構築できます。

まとめと今後の展望

M5Stackの魅力と活用ポイント

M5Stackは、以下の点で非常に魅力的な開発プラットフォームです。

多機能かつ拡張性が高い
ディスプレイ、ボタン、Wi-Fi、Bluetoothなどを標準搭載し、追加センサーやモジュールとの接続も簡単です。
多様なプログラミング環境に対応
Pythonやブロックプログラム（UIFlow）を使って、初心者から上級者まで幅広く利用できます。
IoTプロジェクトに最適
クラウド連携やリモート監視が簡単に構築できるため、IoTの試作やプロトタイプ作成に適しています。

応用例と発展可能性

M5Stackは、以下のような応用例にも発展させることができます。

スマート農業システム
温湿度センサーや土壌センサーを組み合わせて、農作物の成長環境を遠隔監視・制御。
防災モニタリングシステム
地震センサーや水位センサーを使った災害予測や警報システムを構築。
ウェアラブルデバイス
M5StickCを利用したヘルスケアモニタリングやスポーツ分析ツール。
AI・機械学習との統合
ESP32-S3モデルを使い、画像認識や音声認識を組み込んだ高度なAIデバイスを作成。

今後の展望と学習リソース

M5Stackは、IoT分野の進化とともにさらに多様な活用法が期待されています。

学習リソースの活用
- 公式ドキュメント: M5Stack公式サイト
- フォーラムとコミュニティ: 開発者間での情報交換や質問サポート。
- GitHubリポジトリ: サンプルコードやオープンソースプロジェクトを活用。
最新技術への対応
- MQTTやLoRaなど、最新の通信技術を使ったプロジェクトへの応用。
- AIや機械学習モデルを活用した次世代IoTシステムの開発。