Skip to content
IT Project .jp｜教材ポータル

第9章　温湿度の測定と状態判定

この章の目的

Section titled “この章の目的”

この章では、DHT11温湿度センサーを使い、 周囲の温度と湿度を数値として取得します。

取得した値を表示するだけでなく、 あらかじめ決めた条件と比較して「通常」または「注意」と判定します。 注意と判定したときは、第5章で配線した外付けLEDを点灯します。

周囲の温度・湿度
    ↓
DHT11で測定
    ↓
Pico Wで数値を取得
    ↓
しきい値と比較
    ↓
状態を表示し、LEDへ出力

センサーから得たデータを判断と行動へ結び付ける、 小さなデータ活用の仕組みを作ります。

この章でできるようになること

Section titled “この章でできるようになること”
  • 温度・湿度センサーの役割を説明できる
  • 4端子DHT11の端子を確認できる
  • データ端子にプルアップ抵抗が必要な理由を説明できる
  • MicroPythonのdhtモジュールで温度と湿度を取得できる
  • 一定時間ごとに測定する処理をポーリングとして説明できる
  • 読み取りエラーが起こる可能性を踏まえて処理できる
  • しきい値を使って状態を判定できる
  • 判定結果をShell表示とLED出力へ反映できる

使用するもの

Section titled “使用するもの”
分類使用するもの数量
制御用ボードピンヘッダー実装済みのRaspberry Pi Pico WまたはPico WH1
配線ブレッドボード1
センサーDHT11温湿度センサー（青色、4端子単体品）1
抵抗4.7kΩ抵抗（黄・紫・赤・金）1
出力回路第5章で配線した赤色LEDと330Ω抵抗1組
配線ジャンパーワイヤー4本程度を追加
PC接続データ通信対応Micro USBケーブル1

第8章の可変抵抗と、第6章・第7章のタクトスイッチは、 配線したままでも構いません。 この章のプログラムではGP14とGP26を使用しません。

安全上の注意

Section titled “安全上の注意”
  • 配線を追加・変更するときは、Pico WからUSBケーブルを外します
  • DHT11の電源には3V3(OUT)を使用します
  • DHT11の向きと端子番号を確認してから接続します
  • データ端子を3V3(OUT)やGNDへ直接接続しません
  • 3番端子のNCには何も接続しません
  • 第5章のLEDには、引き続き330Ω抵抗を直列に使用します
  • 配線後は講師または接続表による確認を行ってからUSB接続します

9-1　DHT11で測定できるもの

Section titled “9-1　DHT11で測定できるもの”

DHT11は、温度と相対湿度を測定し、 デジタル信号として出力するセンサーです。

測定値この章での単位例
温度℃24
相対湿度%55

MicroPythonのDHT11用ドライバーは、 温度と湿度を整数として返します。 小数を含む細かな変化を測定する用途には向きませんが、 データ取得、表示、判定、送信の流れを学ぶ本研修では十分に利用できます。

DHT11の値を精密な計測値として扱いません。 業務上の判断へ使用する場合は、 目的に合ったセンサー、校正、設置条件、測定基準が必要です。

9-2　4つの端子とプルアップ抵抗

Section titled “9-2　4つの端子とプルアップ抵抗”

この章では、基板が付いていない4端子のDHT11を使用します。 センサーの格子が見える面を正面にして、 端子を下へ向けたときの端子順は次のとおりです。

左から端子名役割この章での接続
1VCCセンサーの電源3V3(OUT)
2DATA測定データの信号GP16
3NC内部で未接続接続しない
4GND電源の基準GND

互換品では外観や表示が異なる場合があります。 実物の型番表示と資料を確認し、 向きを推測だけで決めないようにします。

プルアップ抵抗

Section titled “プルアップ抵抗”

DHT11のデータ線には、 信号を使用していない間の電圧を3.3V側へ保つ プルアップ抵抗が必要です。

この章では、VCCとDATAの間に 4.7kΩ抵抗を接続します。 4.7kΩ抵抗には向きがありません。

3端子のDHT11モジュールには、 基板上にプルアップ抵抗が実装されている製品があります。 今回は4端子のセンサー単体品であるため、 外付け抵抗を省略しません。

9-3　DHT11とLEDを配線する

Section titled “9-3　DHT11とLEDを配線する”

第5章のGP15 LED回路を残し、 DHT11を次のように追加します。

DHT11の接続

Section titled “DHT11の接続”
接続元接続先物理ピン
DHT11の1番端子VCCPico Wの3V3(OUT)36
DHT11の2番端子DATAPico WのGP1621
DHT11の3番端子NC接続しない
DHT11の4番端子GNDPico WのGND23
4.7kΩ抵抗の片側DHT11の1番端子VCC
4.7kΩ抵抗の反対側DHT11の2番端子DATA

LED回路の接続

Section titled “LED回路の接続”
接続元接続先物理ピン
Pico WのGP15330Ω抵抗20
330Ω抵抗LEDのアノード
LEDのカソードPico WのGND18

格子のある面を正面にした4端子DHT11の1番端子を3V3 OUT、2番端子をGP16、4番端子をGNDへ接続し、1番端子と2番端子の間へ4.7kΩのプルアップ抵抗を接続する。3番端子は接続しない。GP15には330Ω抵抗と赤色LEDを接続する。

図9-1　DHT11の入力回路とGP15のLED出力

次の順番で配線します。

  1. Pico WからUSBケーブルを外します
  2. DHT11の格子が見える面を正面にし、4つの端子を確認します
  3. 1番端子VCCを物理ピン36の3V3(OUT)へ接続します
  4. 2番端子DATAを物理ピン21のGP16へ接続します
  5. 4番端子GNDを物理ピン23のGNDへ接続します
  6. 1番端子と2番端子の間に4.7kΩ抵抗を接続します
  7. 3番端子NCに何も接続していないことを確認します
  8. 第5章のGP15 LED回路を接続表と照合します
  9. 講師の確認後、USBケーブルを接続します

9-4　温度と湿度を読み取る

Section titled “9-4　温度と湿度を読み取る”

MicroPythonには、DHT11を扱うためのdhtモジュールがあります。 別のライブラリを追加せず、次のプログラムで測定します。

次のプログラムをch09_01_dht11_read.pyとして PC側へ保存し、実行します。

ch09_01_dht11_read.py
from machine import Pin
import dht
import time


DHT_PIN = 16
MEASURE_INTERVAL = 2


sensor = dht.DHT11(Pin(DHT_PIN))
time.sleep(2)


while True:
    try:
        sensor.measure()
        temperature = sensor.temperature()
        humidity = sensor.humidity()
        print("温度:", temperature, "℃", "湿度:", humidity, "%")
    except OSError as error:
        print("センサー読み取りエラー:", error)


    time.sleep(MEASURE_INTERVAL)

Shellへ温度と湿度が2秒ごとに表示されれば成功です。

温度: 24 ℃ 湿度: 55 %
温度: 24 ℃ 湿度: 55 %
温度: 25 ℃ 湿度: 54 %

表示される値は、室内環境、センサーの個体差、 設置場所などによって異なります。

センサーを準備する

Section titled “センサーを準備する”
sensor = dht.DHT11(Pin(DHT_PIN))

Pin(16)でGP16を指定し、 そのピンへ接続したDHT11をDHT11()で準備します。

1回の測定を行う

Section titled “1回の測定を行う”
sensor.measure()
temperature = sensor.temperature()
humidity = sensor.humidity()

measure()で新しい測定を行います。 その後、temperature()で温度、 humidity()で相対湿度を取り出します。

前回の値を取り出すだけにならないよう、 温度と湿度を読む前にmeasure()を実行します。

2秒ごとに測定する

Section titled “2秒ごとに測定する”
MEASURE_INTERVAL = 2

このプログラムは、測定、表示、待機を繰り返します。 一定時間ごとにセンサーの状態を調べるため、 第6章で学んだポーリングの例です。

短い間隔で連続して測定せず、 この章では測定間隔を2秒に統一します。 後のクラウド送信では、通信量や保存件数も考えて さらに長い送信間隔を使用します。

9-5　読み取りエラーを扱う

Section titled “9-5　読み取りエラーを扱う”

DHT11との通信では、配線、接触、測定間隔などの影響により、 測定に失敗する場合があります。

try:
    sensor.measure()
    temperature = sensor.temperature()
    humidity = sensor.humidity()
except OSError as error:
    print("センサー読み取りエラー:", error)

tryの中でエラーが発生しなければ、 温度と湿度を取得します。

センサー通信に関するOSErrorが発生した場合は、 exceptの処理へ移り、エラー内容を表示します。 プログラム全体を終了せず、2秒待って次の測定を試します。

エラーを無視しているのではありません。 エラーが発生したことを表示し、 正常な測定値と区別しています。

9-6　温湿度から状態を判定する

Section titled “9-6　温湿度から状態を判定する”

次は、温度と湿度を研修用のしきい値と比較します。

条件状態LED
温度が28℃以上、または湿度が70%以上注意点灯
どちらの条件にも当てはまらない通常消灯
センサーの読み取りに失敗測定できない消灯

28℃と70%は、条件分岐と出力を確認するための 研修用のしきい値です。 健康、安全、熱中症、結露、製品保管などの 判断基準を示すものではありません。

次のプログラムをch09_02_temperature_state.pyとして PC側へ保存し、実行します。

ch09_02_temperature_state.py
from machine import Pin
import dht
import time


DHT_PIN = 16
LED_PIN = 15
MEASURE_INTERVAL = 2
TEMP_WARNING = 28
HUMIDITY_WARNING = 70


sensor = dht.DHT11(Pin(DHT_PIN))
led = Pin(LED_PIN, Pin.OUT)
led.off()
time.sleep(2)


try:
    while True:
        try:
            sensor.measure()
            temperature = sensor.temperature()
            humidity = sensor.humidity()


            if temperature >= TEMP_WARNING or humidity >= HUMIDITY_WARNING:
                state = "注意"
                led.on()
            else:
                state = "通常"
                led.off()


            print(
                "温度:", temperature, "℃",
                "湿度:", humidity, "%",
                "状態:", state
            )
        except OSError as error:
            led.off()
            print("センサー読み取りエラー:", error)


        time.sleep(MEASURE_INTERVAL)
finally:
    led.off()

温度、湿度、状態が2秒ごとに表示されます。 どちらかの値がしきい値以上になると、 状態が「注意」になり、外付けLEDが点灯します。

判定条件

Section titled “判定条件”
if temperature >= TEMP_WARNING or humidity >= HUMIDITY_WARNING:

orは、左右の条件のどちらか一方でも成立したときに 全体を成立とする演算子です。

この章では、温度または湿度のどちらかが しきい値以上になると「注意」と判定します。

判定結果を2つの出力へ使う

Section titled “判定結果を2つの出力へ使う”

同じ判定結果を次の2か所へ出力しています。

  • Shellへ通常または注意を表示する
  • GP15のLEDを消灯または点灯する

センサーの値を取得するだけでなく、 人が確認できる文字と光へ変換しています。

停止時と読み取り失敗時は消灯する

Section titled “停止時と読み取り失敗時は消灯する”

読み取りに失敗したときや、 プログラムを停止したときはLEDを消灯します。

測定できていない状態を、 直前の「注意」表示のまま残さないためです。 実際のシステムでは、測定不能を示す表示や通知を 通常・注意とは別に用意する場合があります。

9-7　データ活用の流れを確認する

Section titled “9-7　データ活用の流れを確認する”

DHT11が温度と湿度を取得し、Pico Wが28℃と70%の研修用しきい値と比較する。どちらかがしきい値以上なら注意としてLEDを点灯し、どちらも未満なら通常としてLEDを消灯する。読み取りに失敗した場合はエラーを表示して次の測定を待つ。

図9-2　温湿度の取得から状態判定までの流れ

第1章で確認したデータ活用の流れと対応させます。

段階この章で行うこと
現場の状態周囲の温度と湿度
取得DHT11で測定
整理温度と湿度を別の数値として保持
可視化Shellへ単位付きで表示
判断研修用しきい値と比較
行動状態を表示し、注意時にLEDを点灯
改善測定間隔や判定条件を目的に合わせて見直す

この段階では、データはPico WとPCの間だけで確認しています。 後の章では、同じ温度・湿度データを ネットワーク経由で利用できる形へ発展させます。

変更してみる

Section titled “変更してみる”

現在の室内環境ではLEDが点灯しない場合があります。 動作確認のため、TEMP_WARNINGを 現在の温度より1℃低い値へ一時的に変更します。

たとえば、Shellの温度が24℃の場合は次のようにします。

TEMP_WARNING = 23

状態が「注意」になり、LEDが点灯することを確認します。 確認後は、元の28へ戻します。

しきい値だけを変更し、 センサーの配線や判定処理は変更しません。

動作確認

Section titled “動作確認”
  • DHT11の正面と4つの端子を確認できる
  • VCC、DATA、NC、GNDを区別できる
  • VCCとDATAの間へ4.7kΩ抵抗を接続できる
  • DATAをGP16へ接続できる
  • 温度と湿度が2秒ごとに表示される
  • 定期測定がポーリングであることを説明できる
  • 読み取りエラーと正常な測定値を区別できる
  • しきい値を使って「通常」と「注意」を判定できる
  • 注意時にGP15のLEDが点灯する
  • プログラム停止時にLEDが消灯する

よくある問題と確認方法

Section titled “よくある問題と確認方法”
状況主な確認箇所
値が表示されないThonnyの接続先、import dht、プログラムが実行中か
読み取りエラーが続くDHT11の向き、VCC・DATA・GND、GP16、4.7kΩ抵抗、ジャンパーワイヤーの接触
センサーが熱くなる電源を直ちに外し、VCCとGNDの逆接続がないか確認
値がほとんど変わらないDHT11は整数値を返すため、小さな変化は表示へ表れない場合がある
1回目だけエラーになる電源投入後の待機、直前の測定から2秒空いているか
LEDが点灯しないGP15、330Ω抵抗、LEDの向き、現在値としきい値
LEDが常に点灯するTEMP_WARNINGとHUMIDITY_WARNING、Shellに表示された現在値
停止後もLEDが点灯するfinallyとled.off()を確認し、必要ならShellからled.off()を実行

配線を確認するときは、先にUSBケーブルを外します。 エラーが続く場合は部品を追加せず、 端子順、接続先、抵抗値を順番に確認します。

まとめ

Section titled “まとめ”
  • DHT11は、温度と相対湿度をデジタル信号として出力します
  • 4端子単体品は、データ線へ外付けのプルアップ抵抗が必要です
  • この章では、DHT11のDATAをGP16へ接続します
  • dht.DHT11()でセンサーを準備し、measure()で測定します
  • temperature()とhumidity()で温度と湿度を取得します
  • 2秒ごとの測定は、センサーを定期的に確認するポーリングです
  • センサー通信の失敗は、正常な測定値と区別して扱います
  • 取得した値をしきい値と比較し、状態表示とLED出力へ利用できます
  • しきい値は利用目的に合わせて定める必要があります
  • センサーデータを取得、表示、判断、行動へつなげることがデータ活用の基本です

参考資料

Section titled “参考資料”

次の章

Section titled “次の章”

次の第10章では、Pico WをWi-Fiへ接続し、 IPアドレスとネットワーク上の役割を確認します。