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Microsoft Excelで行う 遠隔制御実習テキスト 福岡県教育センター ユビキタス ネットワーク社会 平成 年 月 Microsoft Excel で行う遠隔制御実習テキスト ∼∼∼∼∼∼∼∼∼∼ 目 次 ∼∼∼∼∼∼∼∼∼∼ １ システムの概要 ・・・・ １ ２ システム開発の背景 ・・・・ １ ３ システムの活用例 ・・・・ ２ ４ システムを活用した授業例 ・・・・ ３ ５ 実習前の準備 ・・・・ ４ ６ 操作方法 ・・・・ ９ ７ メールによる命令 ・・・・１０ −−− 資 料 編 −−− １ ソフトウェアの準備 ・・・・１２ ２ ハードウェアの準備 ・・・・１３ ３ 参考 Web ページ ・・・・１６ ∼∼∼∼∼∼∼∼∼∼∼∼∼∼∼∼∼∼∼∼∼∼∼∼∼∼ １ システムの概要 本システムのハードウェア構成は USB ポートを備えたコンピュータ本体、 周辺機器を制御するための USB-IO ボー ドと入出力のためのスイッチやリレー、 および USB カメラである。ソフトウェ ア構成は制御用 VBA プログラムを含む Excel フ ァ イ ル と USB-IO を 制 御 す る vbausbio.dll、およびメール送受信を行う ための BASP21 である。メールに写真を 貼付する場合にはハードウェアとして USB カメラ、ソフトウェアとして自動 図１ 撮影ソフトウェア RtImage を使用する。 システムの概要 このシステムにより室内の変化や家電製品の動作状況などをスイッチやセンサーで検出 し、USB-IO からコンピュータに入力できる。入力された情報を Excel VBA で記述された 制御プログラムで処理し、USB-IO でリレーに出力して家電製品の電源を ON-OFF するこ とができる。さらに、それらの動作状況を携帯電話等にメール送信したり、携帯電話等か らのメールによって家電製品の電源操作を ON/OFF したりすることができる。また、USB カメラと組み合わせることで静止画をメールに添付して送信することができる。このシス テムを用いてできる操作は以下の通りである。 ・メールによる命令で器具の電源を操作し、操作終了をメールで通知する。 ・メールによる命令で静止画を撮影し、静止画をメールで送信する。 ・状況の変化をセンサーで感知して器具の電源を操作し、操作終了をメールで通知する。 ・状況の変化をセンサーで感知してセンサーで感知している内容をメールで通知する。 ・状況の変化をセンサーで感知して静止画を撮影し、画像をメールで送信する。 ・タイマーによって静止画を撮影し、画像をメールで送信する。 ２ システム開発の背景 １）ネットワークを使った授業の実態 現代社会はユビキタスネットワーク社会と呼ばれ、生活の様々な場面でネットワークが 活用されている。今後ネットワークへの依存度はさらに高まり、ネットワーク活用能力は 現代人に必須の資質となる。一方で福岡県の高等学校の校内ＬＡＮ整備率は全国 46 位（3.9 ％、全国平均 61.2 ％、文部科学省「学校における情報教育の実態等に関する調査結果」 平成 16 年 3 月 31 日現在）であり、各教科においてネットワークを使った授業はあまり行 われていない。そのため学校でネットワークの有用性を実感する場面は少なく、生徒がユ ビキタスネットワーク社会について学習する機会は、多くを家庭や地域に依存している現 状がある。 先進的情報技術に関しては、教科「情報」において情報社会の将来像を学習する単元で 「遠隔操作」「リモートセンシング」技術等が紹介されている。しかし、メールで起動で -1- きるエアコンや動作状況をメールで知らせるポットなど、一部の家電製品においてこれら の機能を持つものが登場しているが、まだ家庭には普及しておらず、生徒たちが実際にそ のような環境を体験できる機会はほとんどない。また学校においてもこれらの家電製品は 購入費用や維持費用の課題等により導入が困難で、実習を行うことができないためやむを 得ず講義のみによる学習にとどまっているのが実態である。 ２）遠隔制御のためのソフトウェア、ハードウェア環境の変化 Excel には VBA（Visual Basic for Apprications）と呼ばれる簡易プログラム言語があり、 これを用いてワークシート等を制御することができる。近年、VBA にメールソフトを操 作するための機能が追加されたほか、VBA を使ってメールソフトを使わずにメールサー バと通信するための DLL（Dynamic Link Library）がインターネットなどで公開されるな ど、Excel を使ったメールの送受信が可能になっている。 また、従来コンピュータによる機器の制御には RS232C による制御が行われ、制御を専 門的に学ぶ工業高校等で盛んに実習が行われてきたが、現在 RS232C が標準ポートとして 装備されていないコンピュータが増え、RS232C に代わって USB によって機器を制御す るためのボード（USB-IO）が発売されるようになった。、さらに、比較的入手が容易なこ のボードを用いた VBA プログラムがインターネット上に公開されるようになってきたた め、普通科でもコンピュータで機器を簡単に制御する実習が行える可能性が出てきた。 このような背景から、多くの普通科高等学校において導入されている Excel を利用して、 様々な教科でネットワーク環境を活用し、低コストでリモートセンシングや遠隔操作等の 技術を用いた実習を行うことができるシステムを開発した。 ３ システムの活用例 本システムは、遠隔地の状況を知り、必要に応じて制御を行う機能を低コストで実現し ている。また、情報通信手段として携帯電話等のモバイル端末とメールを用いていること から、夜間や休業中も学校外から接続することができ、時間と場所の制約が少ない特徴を 持っている。そのため、例として次のような利用が可能である。 １）教科の内容を学ぶための実験器具として使用する ・太陽と影の動きや植物の成長・開花の様子を一定時間ごとに撮影する。（理科、総合 的な学習の時間等） ・飼育している動植物の状況を確認し、必要に応じて散水等を行う。（理科、農業、総 合的な学習の時間等） ・外出先から自宅の子供や被介護者、ペットの状況を知る。（家庭、福祉等） ２）教科の内容であるシステムの構造や活用例を学ぶための実習教材として使用する ・メールを使った遠隔制御やリモートセンシングを学ぶ。（情報、工業等） ・遠隔制御のアルゴリズムやプログラムを学ぶ。（情報、工業等） ・情報技術が社会に与える影響を学ぶ。（情報、工業等） -2- ４ システムを活用した授業例 普通教科「情報」において、本システムを活用した授業の具体例を示す。 単 元 「情報Ａ」 （４）情報機器の発達と生活の変化 イ 単元目標 情報化の進展が生活に及ぼす影響 情報化の進展が生活に及ぼす影響を身の回りの事例などを通して認識させ、 情報を生活に役立てて活用しようとする心構えについて考えさせる。 実施クラス 福岡県立宗像高等学校 第１学年２組（４０名） 実施場所 パソコン講義室 教師用パソコン１台 テレビ会議専用機１台 プロジェクタ２台 スクリーン２台 使用教科書 「情報 A」（実教出版） 図２ 【第一次】平成１９年１月１９日（金） 学習内容 パソコン講義室レイアウト 第６限 学 習 活 動 配時 学習形態 導 入 県別人口推移 ・国勢調査の結果を知る ５ 展 開 ブレーンスト ・県別人口推移から近未来社会に起こ １５ グループ ーミング りうる課題を考える ＫＪ法 ・課題を整理し一覧にまとめる まとめ ・明らかになった課題の中から家庭に 一斉 ２５ グループ ５ 個人 関するものをレポートにまとめる 【第二次】平成１９年１月２４日（水） 学習内容 導 入 第６限 学 習 活 動 前回のレポートを発表する 情報システム ・課題を解決するために必要な個々の の確認 展 開 遠隔制御 配時 学習形態 １０ 一斉 ５ 一斉 ２０ 一斉 １０ 一斉 仕組みを考える ・メールで機器を操作する ・離れた場所の写真を撮る ・離れた場所の状況変化を知る 遠隔授業 ・ネットワークを支える仕事を知る ・ＴＶ会議の有用性を知る まとめ 考えがどのように変わったかをレポー トにまとめる -3- 遠隔 ５ 個人 ５ 実習前の準備 １）メールの設定 ア Excel の受信用サーバの設定 POP3 サーバの URL または IP アドレス、UserID、パスワード、メールアドレスを 指定する。「指定した携帯からのみ受付｣を ON にすると、携帯メール側で指定された アドレスからの命令だけを実行する。読み込み間隔は、短かすぎると送受信が間に合 わず正常に動作しなくなるので、通信速度等、使用する環境によって適切に設定する。 イ Excel の送信用サーバの設定 SMTP サーバの URL または IP アドレスを指定する。UserID、パスワード、メール アドレスは PBS 認証（POP before SMTP）を必要とする場合に使用される。SPF 認証 (Sender Policy Framework)を必要とする場合は SPF を ON にすると AUTH LOGIN で 認証が行われる。PBS と SPF は使用するメールサーバにあわせて適切に設定する。 添付フォルダファイルは、静止画像ファイルを保存するフォルダで、RtImage のファ イルの保存先を指定する。 ウ 携帯メール側の設定 Excel からメールを送る際の宛先となるアドレス（「指定した携帯からのみ受付」を ON にした場合は命令を受け付けるアドレス）を指定する。パソコンのメールでもよい。 エ メールの送受信テスト 送受信テストのボタンを押す。送信、受信が正常に行われるか確認する。 正常に行われない場合は上記のサーバの設定やネットワークを確認する。 -4- ２）センサー、リレー等の接続 静止画の送受信のみを行う場合は、センサーや電化製品の接続は不要である。 ア 接続機器の設定 入力、出力の接続機器にセンサー等の名称を入力する。 ここで入力された名称がメールでの遠隔操作のキーワードになる。 入力した機器をインタフェース部に接続する。その際、＋と−（入力では port と GND、 出力では VCC と port）を間違えないように注意する。 -5- ３）制御の設定 入力側の変化で、出力側のどの機器を動作させるかを設定する。一つの入力で出力側の複 数の接続機器を設定することもできる。 メールの「送信」を ON にすると、動作したことをメールで送信する。 メールの「写真貼付」を ON にすると、メール設定画面で添付ファイルフォルダに指定し たフォルダにある「Image.jpg」を「toretaro.jpg」に名前を変更して送信する。 -6- ４）入力・出力の確認 ア 出力の確認 ①出力デモの「ALL ON」「ALL OFF」ボタンを押し、USB-IO ボードが正常に動作して いることを確認する。動作しない場合は、USB-IO ボードを差し直す。それでも動作 しない場合は Excel ファイルを開き直す、コンピュータの再起動を行うなどの対処を 行う。 ②機器が正しいポートに接続されているかを確認するには、ポート別入出力の出力側で、 出力テストを行うポートの値を「０」にして「出力」ボタンを押す。 イ 入力の確認 ①出力デモの「ALL OFF」ボタンを押す。 ポートが ON の状態からでは、センサーやスイッチの ON を検出できない。 ②センサーやスイッチを動作させ、ポート別入出力の入力側で「取得」ボタンを押す。 -7- ５）携帯電話の確認 携帯電話で着信拒否の設定をしている場合は、メール設定画面の送信用メールアドレス からのメールが受け取れるか確認をする。 ６）RtImage の確認 RtImage を起動し、添付ファイルフォルダに「Image.jpg」が作成され、RtImage に設定 した Interval の間隔ごとに更新されていることを確認する。 ７）メールボックスの確認 本システムでは、メールがメールサーバまで正しく届いているかを確認するためメール サーバ内のメールを削除しない仕様にしている。また、写真を送信する場合はメールサー バにコピーを残すように設定しているため、長期間使用するとメールサーバにメールがた まり、読み込みに時間がかかって正常に動作しなくなる場合がある。 Outlook などのメールソフトを使ってメールボックス内のメール数を確認し、必要がな くなったメールは削除するなどして、できるだけメールボックスを空にする必要がある。 -8- ６ 操作方法 １）メールまたはセンサーによる動作を行う場合 ・操作パネルの「開始」ボタンを押す。 ・プログラムが開始されると「待ち受け開始時刻」が更新され、メールボックス内の最終 メールの確認が始まる。 ・メール送受信の結果は「結果」に表示される。送受信が失敗に終わった場合はエラーメ ッセージが表示される。メールボックスに多量のメールがある場合は不要なメールを削 除する、通信速度が遅い場合はメール設定で「読み込み間隔」を広くする。 ・「メールの送受信」を OFF にすると、他の設定の有無にかかわらずメールの送受信を行 わない。センサー等による入出力のみを行う場合に使用する。 ※「開始」ボタンを押すと、プログラムがバックグラウンドで動作し続けるので、必ず 「停止」ボタンを押してプログラムを停止する。 -9- ２）タイマーによる動作（静止画撮影）を行う場合 ・タイマー操作パネルで、タイマー動作間隔（秒）を入力して「開始」ボタンを押す。 ・タイマー動作間隔は最小１秒だが、メールの送受信に時間がかかる場合、撮影されない 場合がある。 ※「開始」ボタンを押すと、プログラムがバックグラウンドで動作し続けるので、必ず 「停止」ボタンを押してプログラムを停止する。 ７ メールによる命令 携帯電話等からメールで命令を与える場合は、メール設定画面の Excel 受信用に設定し たアドレス宛のメールを作成し、件名（Subject）にコマンドを入力して送信する。本文は 不要である。コマンドの書式は以下の通りである。 接続機器をＯＮ にする場合：（操作パネルで入力した接続機器名）オン 接続機器をＯＦＦにする場合：（操作パネルで入力した接続機器名）オフ 例）扇風機オン 静止画像を撮影する場合 ：写真とって（依頼者の名前） 例）写真とって 撮れ太郎 その他、メール設定画面の添付ファイルフォルダで指定したフォルダに 「写真あ.jpg」、「写真い.jpg」、・・・「写真し.jpg」の静止画を保存しておくと、 指示された写真を、命令したメールアドレス宛に送り返すことができる。 写真あを送付させる場合：写真あ（依頼者の名前） 例）写真さ 撮れ太郎 - 10 - 資 料 - 11 - 編 １ ソフトウェアの準備 １）RemoteByMail.xls（制御用プログラム） システム全体を制御するためのＶＢＡプログラムを含む Excel ファイルで、この解説書 と共に提供する。使用の際はマクロのセキュリティレベルを「中」にし、マクロを有効に して使用する。 ２）vbausbio.dll（USB-IO 制御用ライブラリ） USB-IO ボードとの入出力を行うライブラリで、Web ページ「バケさんの趣味の部屋」 より無料でダウンロードできる。ダウンロードした vbausbio.dll は使用するコンピュータ 内のパスの設定されたフォルダ（例えば c:¥windows）に保存する。 ３）RtImage（静止画キャプチャー） Web ページ「松次郎の作品集」の中の USB カメラによる静止画キャプチャーソフトウ ェア。Vector より無料でダウンロードできる。 ①ダウンロードした Rti***.exe を実行する。RtImage.exe が作成される。 ②インストール後 、RtImageを起動。一度フォームが表示され、タスクバーに入る。 ③タスクバーにある RtImage を右クリックし「ShowForm」をクリック。 ④ CaptureDevice を選択し、カメラからの画像が表示されることを確認する。 ⑤TimerAの保存ファイル名を「D:\image.jpg」にする。 （※メール設定の添付ファイルフォルダが「D:」の場合） ⑥Interval を１秒にする。 （使い方によって適切に設定する。） ⑦次回、自動起動にするためAutostartをオンにする。 ※本システムではメールの命令によって静止画像をキャプチャーしているのではなく、 RtImage によって１秒間隔でキャプチャーした画像を、メールの命令によって添付・ 送信を行っている。 ４）BASP21（メール送受信用ライブラリ） メ ー ル ソ フ ト を 使 わ ず に メ ー ル の 送 受 信 を 行 う た め の ラ イ ブ ラ リ 。 Web ペ ー ジ 「BabaCenterfolds」より無料でダウンロードできる。ダウンロードした BASP21.exe を実 行することで必要な DLL が所定のフォルダに保存される。 - 12 - ２ ハードウェアの準備 １）インタフェース部 ア USB-IO USB-IO ボードはテクノキット社または Km2net 社 のホームページから購入できる。USB-IO は 12 の入 出力用端子（port00 ∼ 07、port10 ∼ 13）を持ち、そ れぞれを VCC 端子と接続することで出力、GND 端 子と接続することで入力を行う。どちらも USB-IO が５ V の電源供給を行っている。本研究では電極の 接続しやすさや拡張性を考慮してテクノキット社製 USB-IO でコネクタ付きの USB-IOV8/C を使用した。 イ 図１ USB-IOV8/C ボード 接続用基盤 入力部、出力部の接続を容易にするためには、テクノキット社の基盤セット（USB-A004） を使用するとよい。ここではテクノキット社のコネクタ A、B（USB-A002,USB-A003）を 使用し、接続用基盤を作成した。この接続用基盤では全てのポートにディップスイッチを つけて入力の動作確認ができるように、また、インジケータ LED をもつテクノキット社 製インバータボード USB-IVB と接続して出力の動作確認ができるようにした。 図２ 接続用基盤配線図 図４ 図３ 接続用基盤 インタフェース部全体図（USB-IVB、ブザーを接続したところ） - 13 - ２）出力部 ア 家電製品電源操作出力用リレー 交流 100V で動作する家電製品の電源操作をするには、ソリッドステートリレー（SSR） を使用する。 SSR は小電圧の入力信号で大電圧の出力ができる素子である。また、入力 側の信号を光に変換して出力側に伝達するので、出力側にモータなどの逆起電力を生じる 機器を接続しても入力側への信号の逆流がなく、入力端子につながった機器への影響が少 ないという利点がある。CRYDOM 社製 SSR の D2W203F は電子部品の通信販売店などで 安価に購入できる。また、松下電器製 SSR（I/O リレー）の OAC3/15-A（または OAC3/15） は同社のホームページ上から購入できる。（OAC3/15-A は OAC3/15 に動作表示 LED がつ いたものである。） 図５ 出力用リレー配線図 図６ 出力用リレー（松下電器製） ただし、これら SSR を使用して電源操作ができるのは、家電製品の中で接点スイッチ を持つもののみである。電子スイッチを持つ製品は通電しただけでは電源が入らないため 電源操作はできない。安全性の面から、既成の家電製品に改造を加えることなくそのまま 使用することが望ましいので、実習に当たっては接点スイッチを持つ蛍光灯や扇風機など を使用することが重要である。 イ ブザー 出力をオンにすると音が出る仕組みとして３∼９ V で動作するメカニカルブザーを使 用した。USB-IO は５ V の電源供給ができるのでブザーを動作させるために別電源を必要 としない。制御用プログラムの動作確認用としても使用できる。 - 14 - ３）入力部 状況変化の入力は一般的な接点スイッチやトランジスタなどの半導体スイッチ等を使用 する。 ア 接点スイッチ 各 Port 端子と GND 端子間にスイッチを接続することでオン・オフの入力を行う。 イ 磁気近接スイッチ ドアの開閉等により動作するスイッチとしてオムロ ン社製の磁気近接センサー GLS-1 を使用した。電極の あるスイッチ部の GLS-S1 に、マグネット部の GLS-M1 を近づけるとオンになるスイッチである。 図７ ウ 磁気近接スイッチ内部イメージ 光センサー 硫化カドミウム光導電セル（CDS）を使用した。CDS は光の強度によって明るいほど抵抗値が下がる特性 を持つ。下図の回路は暗くなるとオンになるスイッ チである。 図８ エ 光センサー配線図 図９ 光センサー 家電製品動作状況入力用電流センサー ここでは交流 100V で動作する家電製品の動作状況を入力するために、通電状態を検出 する方法を採用した。この方法では本体に加工を必要としないため、ほとんどの家電製品 に対応できる。20 ∼ 100W の家電製品の場合、電流値が 0.2 ∼ 1.0A と比較的小さいため、 検出には電流センサー（U_RD 社製 CTL-6-P-H）を使用した。CTL-6-P-H は電源コード周 囲の磁界の変化を交流電流として出力する。これを整流増幅してトランジスタに入力する。 図 10 電流センサー配線図 - 15 - 図 11 電流センサー ３ 参考Ｗｅｂページ ・テクノキット社 http://www.technokit.biz/ ・Km2net 社 http://km2net.com/ ・バケさんの趣味の部屋 http://bake-san.com/ ・BabaCenterfolds http://www.hi-ho.ne.jp/babaq/ ・松次郎の作品集 http://hp.vector.co.jp/authors/VA028028/ ・松下電器 http://www.nais-j.com/product/index.html ・オムロン http://www.fa.omron.co.jp/product/sensor/prox/194/index.html ・U_RD http://www.u-rd.com/ - 16 -