電力測定するよ (SQLite3 / Python / JSON / Chart.js とか)

前からちょろちょろ作っていた 「電力測定するやつ」 が一通り完成した。正確には、電力ではなく、電流を測定するやつだが。

Pythonとか、JSONとか、Chart.jsなどという、C言語ばっかり書いている私にとっては、最近ぽい(そうでもない?)ものをグニグニくみあわせてみた。お勉強をかねて。

電流測定とデータの蓄積

この電流測定するやつは、電流を測定するモジュール(AVR+Xbee)と、測定結果を蓄積する部分(Raspberry Pi+Xbee)に分かれる。

  • 電流を測定する部分
    消費電力測定

    • AVR (ATMega8) が、30秒に一回Wakeupし、電流センサの値(電圧出力)を1秒間の間128回 AD変換する。128回の測定値の合計(正確には基準点との絶対値の合計)を、その時刻の消費電流量とする
    • AVRは、12回分の測定結果が溜まるごと、つまり30秒 * 12回 = 5分ごとに、その5分間の平均消費電流値を求める。
    • AVRは、1時間ごとに、XBeeをWakeupし、その1時間の間の5分ごとの平均消費電流データをXbeeを使って、Raspberry Piに送る。
    • これにより、電子レンジの利用など1分ぐらいの消費電流変化も捉えられるようにするとともに、乾電池で電力測定部分を計算上1年以上動作可能にした。
    • 測定したデータがいつ採取したしたものか分かるよう、RTCモジュールを搭載。RTCの値は、Raspberry Piとの通信時に、適宜、Raspberry Pi側の時刻に構成されるようにした。
    • 一応、本当に1年以上動くか評価するために、電池電圧のデータも、電流量のデータとともに、Raspberry Piに送信するようにしてある
  • 測定結果を蓄積する部分
    • Raspberry PiにXbeeを取り付けたものを利用。
    • 測定部分から送られてきたデータは、Raspberry Pi上で動かしているデーモンが、SQLite3のデータベースにガシガシつっこむ。

データの表示

データの表示部分が、自分にとって、新しい試み。

まず、測定データは、SQLite3のデータベースの次のテーブルにがしがし、記録される。

CREATE TABLE samples ( sample_time TEXT, sample_type INTEGER, value INTEGER, PRIMARY KEY(sample_time, sample_type) );

ここで、sample_type は、測定値のタイプ(0 : 電流測定値、1 : 電池電圧測定値)を示す。

このデータベースに対して「過去48時間の1時間後との電流値平均」「過去1ヶ月の1日ごとの電流値平均」「過去1年間の1Weekごとの電流値平均」を求めるSQLを発行し、その情報をJSONデータとして吐き出すCGIをPythonを用いて作成。

#!/usr/bin/python
# -*- coding: utf-8 -*-
import sqlite3
import json

def get_json_labels_data_pair(cursor):
	label = []
	value = []
	for r in c:
		label.append(r[0])
		value.append(r[1])
	return {"labels" : label, "data": value}

db = sqlite3.connect("//home/pi/XbeeDaemon/samples.db")

# 過去48時間の1時間後との電流値平均
sql = (
	"select strftime('%m-%d %H', sample_time) as time,avg(value)"
	" from samples"
	" where sample_type = 0"
	"  and julianday(sample_time) "
	"     >= julianday(datetime('now', 'localtime', '-48 hour'))"
	" group by time order by time;"
)
c = db.execute(sql)
hour_data = get_json_labels_data_pair(c)

# 過去1ヶ月の1日ごとの電流値平均
sql =  (
	"select strftime('%Y-%m-%d', sample_time) as time,avg(value)"
	" from samples"
	" where sample_type = 0"
	"  and julianday(sample_time) "
	"     >= julianday(datetime('now', 'localtime', '-1 month'))"
	" group by time order by time;"
)
c = db.execute(sql)
day_data = get_json_labels_data_pair(c)

# 過去1年間の1Weekごとの電流値平均
sql =  (
	"select strftime('%Y-%m (%W)', sample_time) as time, avg(value)"
	" from samples"
	" where sample_type = 0"
	"  and julianday(sample_time) "
	"     >= julianday(datetime('now', 'localtime', '-1 year'))"
	" group by time order by time;"
)
c = db.execute(sql)
week_data = get_json_labels_data_pair(c)

send_data = {"hour" : hour_data, "day" : day_data, "week" :  week_data}

print "Content-type: application/json"
print
print json.dumps(send_data)

で、最後に、このCGIプログラムを呼び出して、JSONデータを取得し、その情報を Chart.js によって表示するHTMLファイルを作成。

<html>
<head>
<meta http-equiv="Content-Type" content="text/html; charset=UTF-8" />
<script src="./Chart.js"></script>
<script src="http://ajax.googleapis.com/ajax/libs/jquery/2.0.2/jquery.min.js"></script>
<script type="text/javascript">
function drawChart(labelData, targetCanvas)
{
	var chartData = {
		datasets : [
			{
				fillColor : "rgba(151,187,205,0.5)",
				strokeColor : "rgba(151,187,205,1)",
				pointColor : "rgba(151,187,205,1)",
				pointStrokeColor : "#fff",
			}
	  	]
	};
	chartData.labels = labelData.labels;
	chartData.datasets[0].data = labelData.data;
	new Chart(targetCanvas.getContext("2d")).Line(chartData);
}
function updateChart ()
{
	$.getJSON("http://pi/cgi-bin/Power.py", function(json) {
		drawChart(json.hour, document.getElementById("hourChart"));
		drawChart(json.day, document.getElementById("dayChart"));
		drawChart(json.week, document.getElementById("weekChart"));
	});
}
$(function(){
	var currentChart = 0;
	var chart = $("#chartArea").children('div');

	$(chart).hide();

	updateChart();
	setInterval(updateChart, 60 * 60 * 1000); // 一時間ごとに更新

	$(chart[currentChart]).show();
	setInterval(function()
		{
			var nextChart = currentChart + 1;
			if (nextChart >= chart.length) {
				nextChart = 0;
			}
			$(chart[currentChart]).fadeOut(1000);
			$(chart[nextChart]).fadeIn(1000);
			currentChart = nextChart;
		},
		30 * 1000 // 30秒置きに切り替え
	);

});
</script>
<style type="text/css">
#chartArea {
	height: 600px;
	width: 850px;
	overflow:hidden;
	position:relative;
}
.chart {
	position:absolute;
}
</style>
</head>
<body>
<H1>消費電流量表示するやつ</h1>
<div id="chartArea">
<div id="divhour" class="chart">
<h2>過去48時間のデータ(1時間単位)</h2>
<canvas id="hourChart" height="500" width="800"></canvas>
</div>
<div id="divday" class="chart">
<h2>過去1ヶ月のデータ(1日単位)</h2>
<canvas id="dayChart" height="500" width="800"></canvas>
</div>
<div id="divweek" class="chart">
<h2>過去1年のデータ(1週間単位)</h2>
<canvas id="weekChart" height="500" width="800"></canvas>
</div>
</div>
</body>
</html>

んで、このHTMLにブラウザからアクセスすると、次のような画面が30秒、お気に切り替わって表示される、と。(まだ測定を始めて1週間ぐらいなので、過去1ヶ月と1年の表示はしょんぼりな感じ)

過去48時間のデータ

過去1ヶ月のデータ

過去1年のデータ

あとは、Raspberry Piを常時テレビにつないでおいて、Raspberry Pi起動とともに、Raspberry Piの標準Webブラウザ Midori を全画面で起動して、上記のHTMLを表示するようにする。加えて、現在は、センサの生データを表示しているので、電気メータの実測値から係数を求めて、W(KWh)単位でグラフ表示するようにすれば、おしまいかな。

思ったこと

  • センサの値とかは、とりあえず、データベースに放り込んでおけば、SQL 1つでグニグニできるので、良い感じ。
  • ちょっと勉強でも、それっぽく使える。JQueryとかChart.jsとか、すごいね。。。

Makefile 別ディレクトリに中間ファイル & 自動依存関係設定

普段、自分でMakefileを書くことはほとんど無い。あったとしても、ちょっとしたプログラムでソースファイルとして数個のCソースがあるようなもの。なので、Makefileの知識は、ターゲットと依存関係を : で区切って書くとか、変数が使えて、その参照は$(~)でやるとか、そういうぐらいしかなかった。

ところが、ある程度の規模があるプログラムを作成することになり、ちょっと自分流Makefileというものを、ちゃんと作っておこうと思い立つ。一回作っておけば、使いまわしできるからね。

こんなことができれば・・・・という自分の要求は、以下のとおり。

  1. 中間ファイル(オブジェクトファイル)は、ソースとは別のディレクトリに吐き出させたい。ただし、ここで、元となるソースは複数のディレクトリ内に散在している。
  2. ソースからインクルードしているヘッダなどの依存関係も、ちゃんとなんとかしてほしい
  3. ビルドは、最速である必要はないが、モッサリしているのは嫌
  4. 新しいソースを追加したとき、いろんなところを書き換えるのは嫌

適当にググレば、そんなMakefileのサンプルがわんさか出てきて、コピペで終了と思ったが、甘かった。1.と2.を同時に実現する方法がなかなか見つからない・・・。

ということで、Makefileの仕様を勉強しながら、自分流Makefileをつくる。

例題

例として次のようなディレクトリ・ファイル構成を考える。

 / 
 | Makefile / main.c / ValDef.h / Funcs.h
 |- SubDir1
 |   |   func.c
 |   |- SubSub
 |         func.c
 |- SubDir2
 |   func.c
 |- Build
     中間ファイルはここに吐き出させたい

作業スペースのルートに Makefile と Cコード(main.c)とヘッダファイル。そしてサブのディレクトリに、複数のCコード(func.c)が存在している状態。複数のディレクトリに同じファイル名のCファイルがあるのが曲者だ。既存のソースの流用などをしたいとき、同じファイル名のcファイルが複数存在することはありうる。

こういうMakefileを作った

SRCS = \
	main.c \
	SubDir1/func.c \
	SubDir1/SubSub/func.c \
	SubDir2/func.c

INC_DIR = .

BUILD_DIR = Build

OBJS=$(addprefix $(BUILD_DIR)/,$(patsubst %.c,%.o,$(SRCS)))
DEPS=$(patsubst %.o,%.d, $(OBJS))

CC = gcc
TARGET = TestProg.exe
CFLAGS += $(addprefix -I,$(INC_DIR))
LDFLAGS += 

all: $(BUILD_DIR) $(TARGET)

$(BUILD_DIR):
	mkdir -p $(BUILD_DIR)

$(TARGET) : $(OBJS)
	$(CC) $(CFLAGS) $(LDFLAGS) -o $@ $^

$(BUILD_DIR)/%.o : %.c
	mkdir -p $(dir $@); \
	$(CC) -c $(CFLAGS) -o $@ $<

$(BUILD_DIR)/%.d : %.c
	mkdir -p $(dir $@); \
	$(CC) -MM $(CFLAGS) $< \
	| sed 's/$(notdir $*).o/$(subst /,\/,$(patsubst %.d,%.o,$@) $@)/' > $@ ; \
	[ -s $@ ] || rm -f $@

clean:
	rm -rf $(BUILD_DIR) $(TARGET)

.PHONY: all clean
-include $(DEPS)

上記のMakefileを、Buildディレクトリがまだできていない状態から実行したときに何が行われるのか、ちゃんと理解しようとすると、以下のとおり。

  1. makeは41行目のinclude $(DEPS)にしたがって、Build/main.d や、Build/SubDir1/func.d などのファイルをincludeしようとするが、これらファイルが 存在していないことに気づく。ゆえに、まずは ~.d ファイルがターゲットとなっているルールを見つける。
  2. ~.dを生成するルールは31~35行目にある。
    例えば、Build/SubDir1/func.d は、$(BUILD_DIR)/%.d にマッチする。このとき、%の部分(stemと言うらしい)は、SubDir1/func なので、make は、Build/SubDir1/func.d が依存するファイルが、 SubDir1/func.c であると認識する。
  3. fund.dを吐き出すための Build/SubDir1 ディレクトリを作成する。(32行目)
  4. gcc -MM オプションを使って func.c がincludeしているヘッダの一覧を標準出力に出力させる。ここで、gccの出力は、以下のフォーマットになる。
    func.o: SubDir1/func.c Funcs.h

    このままでは、次の理由でNGである。

    • .oファイルの相対パスが書かれていない。これでは、Func.h を書き換えても、Build/SubDir1/func.o を新たに生成する必要があると、makeは思わない。
    • .h ファイルに新しいincludeを追加したときに、.dファイルが新しく生成されない。

    そこでsedを使って、gccの出力を以下のようになるように書き換える。

    Build/SubDir1/func.o Build/SubDir1/func.d: SubDir1/func.c Funcs.h

    さらに、gcc -MMが失敗して、空の .d ファイルができてしまった場合は、その .d ファイルを削除するようにした。

  5. .dが出来上がるとincludeが成功するので、次にmakeは$(TARGET)の依存ファイルである各種.oファイルを生成しようとする
  6. そのルールは27-30行目に書いてあるので、それに従い、.oを作成
  7. .oができると24行目のルールで最終生成物 TARGET が出来上がる

・・・なんとか、できました。

電力使用量測定するよ

消費電力測定

 

先月だったか、東京電力からの毎月の電力使用量のお知らせと一緒に、一日の時間帯での電気使用量が異なるいくつかの家庭用のプランがありますよーというお知らせが入っていた。

どうやら申請するとメーターが交換されて、例えば朝得プランなんていうものに入ると、朝の電力が割安になるらしい。で、どのプランに入るのかが一番安いのかは、東京電力のサイトから試算できるようになっているのだが、その方法は、あなたは何時ぐらいに家をでますか~? といった質問から求めるもので、いまいち、本当のところ、どのプランが自分にあっているのか良く分からない。

・・・ということで、家の電力使用量をモニタリングしてみようと思い立つ。

現在、システム全体は未完成。

画像のものは、作成した現在の消費電流(など)を定期的に測定し、その情報をある程度、貯めてからXbeeを使って、送信するというもの。後で、詳細書こう・・・。

情報の受け取り手はXbeeを接続したRaspberry Pi。とりあえず、受け取ったデータを、がしがしDBにぶち込んで、あとでソレを集計するみたいな・・・ことを考え中。

このサイトは何か?

  • 馬鹿にならないよう、頑張るために、技術的なこととか記録していく自己満足なもの。
  • 記事がたまってきて、誰かの目に付いて、反応があると、頑張りの後押しになると思ったもの。

・・・続くのか?