Arduino総合演習｜自動温湿度調整システムを作る（転職ポートフォリオ）

#ifndef WBGT_H
#define WBGT_H

#include <stdint.h>

/* 警告レベル（値が大きいほど危険側） */
typedef enum {
    RISK_NORMAL  = 0,   /* 注意未満（WBGT 25未満） */
    RISK_CAUTION = 1,   /* 警戒（25以上28未満） */
    RISK_SEVERE  = 2,   /* 厳重警戒（28以上31未満） */
    RISK_DANGER  = 3    /* 危険（31以上） */
} RiskLevel;

/* 気温(℃)と相対湿度(%)から室内のWBGT(℃)を推定する（21〜40℃/20〜100%。範囲外は端へ丸め） */
int8_t wbgt_estimate(int8_t temp_c, uint8_t humidity);

/* WBGTから警告レベルを判定する（ヒステリシス付き。currentは前回のレベル） */
RiskLevel wbgt_judge(int8_t wbgt, RiskLevel current);

#endif

#include "wbgt.h"
#include "config.h"

/* ---- 室内用WBGT簡易推定テーブル ----
 * 行：気温21〜40℃（1℃刻み）／列：相対湿度20〜100%（5%刻み）
 * 出典：日本生気象学会「日常生活における熱中症予防指針」Ver.4（2022）
 *       図3「室内を対象とした気温と相対湿度からWBGTを簡易的に推定する図」を数表化
 * 適用条件：日射のない室内・温湿度が一様・気流の弱い環境（屋外には使えない）
 */
#define WBGT_T_MIN  21
#define WBGT_T_MAX  40
#define WBGT_RH_COLS 17

static const int8_t WBGT_TABLE[WBGT_T_MAX - WBGT_T_MIN + 1][WBGT_RH_COLS] = {
    /* 21℃ */ { 14, 14, 15, 15, 16, 16, 17, 17, 18, 18, 19, 19, 19, 20, 20, 21, 21 },
    /* 22℃ */ { 15, 15, 16, 16, 17, 17, 18, 18, 19, 19, 20, 20, 20, 21, 21, 22, 22 },
    /* 23℃ */ { 15, 16, 16, 17, 18, 18, 19, 19, 20, 20, 20, 21, 21, 22, 22, 23, 23 },
    /* 24℃ */ { 16, 17, 17, 18, 18, 19, 19, 20, 20, 21, 21, 22, 22, 23, 23, 24, 24 },
    /* 25℃ */ { 17, 17, 18, 19, 19, 20, 20, 21, 21, 22, 22, 23, 23, 24, 24, 25, 25 },
    /* 26℃ */ { 18, 18, 19, 20, 20, 21, 21, 22, 22, 23, 23, 24, 24, 25, 25, 26, 26 },
    /* 27℃ */ { 18, 19, 20, 20, 21, 22, 22, 23, 23, 24, 24, 25, 25, 26, 26, 27, 27 },
    /* 28℃ */ { 19, 20, 21, 21, 22, 22, 23, 24, 24, 25, 25, 26, 26, 27, 27, 28, 28 },
    /* 29℃ */ { 20, 21, 21, 22, 23, 23, 24, 24, 25, 26, 26, 27, 27, 28, 28, 29, 29 },
    /* 30℃ */ { 21, 21, 22, 23, 23, 24, 25, 25, 26, 26, 27, 28, 28, 29, 29, 30, 30 },
    /* 31℃ */ { 21, 22, 23, 24, 24, 25, 26, 26, 27, 27, 28, 29, 29, 30, 30, 31, 31 },
    /* 32℃ */ { 22, 23, 24, 24, 25, 26, 26, 27, 28, 28, 29, 29, 30, 31, 31, 32, 32 },
    /* 33℃ */ { 23, 24, 25, 25, 26, 27, 27, 28, 29, 29, 30, 30, 31, 31, 32, 33, 33 },
    /* 34℃ */ { 24, 25, 25, 26, 27, 28, 28, 29, 30, 30, 31, 31, 32, 32, 33, 34, 34 },
    /* 35℃ */ { 24, 25, 26, 27, 28, 28, 29, 30, 30, 31, 32, 32, 33, 33, 34, 34, 35 },
    /* 36℃ */ { 25, 26, 27, 28, 29, 29, 30, 31, 31, 32, 33, 33, 34, 34, 35, 35, 36 },
    /* 37℃ */ { 26, 27, 28, 29, 29, 30, 31, 32, 32, 33, 34, 34, 35, 35, 36, 36, 37 },
    /* 38℃ */ { 27, 28, 29, 29, 30, 31, 32, 33, 33, 34, 35, 35, 36, 36, 37, 37, 38 },
    /* 39℃ */ { 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 33, 34, 35, 35, 36, 37, 37, 38, 38, 39 },
    /* 40℃ */ { 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 34, 35, 36, 36, 37, 38, 38, 39, 39, 40 }
};

int8_t wbgt_estimate(int8_t temp_c, uint8_t humidity) {
    /* 表の範囲外は端の値へ丸める（DHT11は0〜50℃/20〜90%を返す） */
    if (temp_c < WBGT_T_MIN) {
        temp_c = WBGT_T_MIN;
    }
    if (temp_c > WBGT_T_MAX) {
        temp_c = WBGT_T_MAX;
    }
    if (humidity < 20) {
        humidity = 20;
    }
    if (humidity > 100) {
        humidity = 100;
    }

    uint8_t row = (uint8_t)(temp_c - WBGT_T_MIN);
    uint8_t col = (uint8_t)((humidity - 20 + 2) / 5);   /* 最も近い5%刻みの列へ */
    if (col >= WBGT_RH_COLS) {
        col = WBGT_RH_COLS - 1;
    }
    return WBGT_TABLE[row][col];
}

/* WBGT→レベルの単純変換（ヒステリシスなし） */
static RiskLevel level_of(int8_t wbgt) {
    if (wbgt >= WBGT_DANGER) {
        return RISK_DANGER;
    } else if (wbgt >= WBGT_SEVERE) {
        return RISK_SEVERE;
    } else if (wbgt >= WBGT_CAUTION) {
        return RISK_CAUTION;
    } else {
        return RISK_NORMAL;
    }
}

/* レベルの入口しきい値（RISK_CAUTION以上で使う） */
static int8_t threshold_of(RiskLevel level) {
    if (level == RISK_DANGER) {
        return WBGT_DANGER;
    } else if (level == RISK_SEVERE) {
        return WBGT_SEVERE;
    } else {
        return WBGT_CAUTION;
    }
}

RiskLevel wbgt_judge(int8_t wbgt, RiskLevel current) {
    RiskLevel raw = level_of(wbgt);

    if (raw > current) {
        /* 危険側への変化は即時に反映する（安全側） */
        return raw;
    }
    if (raw < current) {
        /* 安全側への変化は、今のレベルの入口よりWBGT_HYST℃下がるまで保留。
         * しきい値の上下でON/OFFがバタつくのを防ぐ（1段ずつ降ろす） */
        if (wbgt <= (int8_t)(threshold_of(current) - 1 - WBGT_HYST)) {
            return (RiskLevel)(current - 1);
        }
        return current;
    }
    return current;
}

#ifndef DHT11_H
#define DHT11_H

#include <stdint.h>

/* 読み取り成功でtrue。成功時はtemp_c/humidityに整数値が入る（#4のコードを関数化） */
bool dht11_read(int8_t *temp_c, uint8_t *humidity);

#endif

#include <Arduino.h>
#include "dht11.h"
#include "config.h"

/* ---- ライブラリを使わずDHT11を読む（#4 DHT11ドリルと同じ実装） ----
 * データは40bit＝5バイト（湿度整数/湿度小数/温度整数/温度小数/チェックサム） */

/* タイムアウト付きで、指定レベルが続く間のマイクロ秒を測る */
static long wait_level(uint8_t level, unsigned long timeout_us) {
    unsigned long start = micros();
    while (digitalRead(PIN_DHT) == level) {
        if (micros() - start > timeout_us) {
            return -1;                 /* タイムアウト */
        }
    }
    return (long)(micros() - start);
}

bool dht11_read(int8_t *temp_c, uint8_t *humidity) {
    uint8_t bits[5] = {0, 0, 0, 0, 0};

    /* 1) スタート信号：Lowを18ms以上→Highへ戻す */
    pinMode(PIN_DHT, OUTPUT);
    digitalWrite(PIN_DHT, LOW);
    delay(20);
    digitalWrite(PIN_DHT, HIGH);
    delayMicroseconds(30);
    pinMode(PIN_DHT, INPUT_PULLUP);

    /* 2) 応答：Low約80us→High約80us */
    if (wait_level(HIGH, 100) < 0) {
        return false;
    }
    if (wait_level(LOW, 100) < 0) {
        return false;
    }
    if (wait_level(HIGH, 100) < 0) {
        return false;
    }

    /* 3) 40bitを読む：各bitはLow約50us→High（短い=0/長い=1） */
    for (uint8_t i = 0; i < 40; i++) {
        if (wait_level(LOW, 100) < 0) {
            return false;
        }
        long high_len = wait_level(HIGH, 200);
        if (high_len < 0) {
            return false;
        }

        bits[i / 8] <<= 1;
        if (high_len > 40) {           /* 約40usより長ければ1 */
            bits[i / 8] |= 1;
        }
    }

    /* 4) チェックサム：前4バイトの和の下位8bitが5バイト目と一致するか */
    uint8_t sum = bits[0] + bits[1] + bits[2] + bits[3];
    if (sum != bits[4]) {
        return false;
    }

    *humidity = bits[0];
    *temp_c = (int8_t)bits[2];
    return true;
}

#ifndef IR_AC_H
#define IR_AC_H

#include <stdint.h>

/* Timer2の38kHzキャリア初期化＋受信ピン初期化（#5 赤外線ドリルの送信部） */
void ir_init(void);

/* 記録済みの生パルス幅列を38kHz変調で再生する（エアコンの長フレーム対応） */
void ir_send_raw(const uint16_t *frame_us, uint16_t len);

/* 受信ピンに赤外線信号の活動があればtrue（人間のリモコン操作の検知に使う）。
 * 自分の送信直後は反射を誤検知しないよう一定時間無視する */
bool ir_human_detected(void);

#endif

#include <Arduino.h>
#include "ir_ac.h"
#include "config.h"

/* ---- 送信：Timer2 CTCトグルで38kHzキャリアを作る（#5と同じ） ----
 * D11(PB3/OC2A)に赤外線LED。16MHz/(2*1*(209+1)) = 38.095kHz */

static unsigned long g_last_tx_ms = 0;   /* 最後に自分が送信した時刻 */
#define TX_IGNORE_MS 1000UL              /* 送信後この時間は受信を無視（反射対策） */

void ir_init(void) {
    DDRB |= (1 << DDB3);                 /* D11(PB3)を出力に */
    TCCR2A = (1 << WGM21);               /* CTCモード（TOP=OCR2A）。OC2Aはまだ切断 */
    TCCR2B = (1 << CS20);                /* 分周なし（clk/1） */
    OCR2A = 209;                         /* 38kHzキャリア */
    pinMode(PIN_IR_RX, INPUT);           /* 受信モジュールOUT（アイドルHigh） */
}

static void carrier_on(void) {
    TCCR2A |= (1 << COM2A0);             /* 比較一致でOC2Aをトグル＝38kHz出力 */
}

static void carrier_off(void) {
    TCCR2A &= (uint8_t)~(1 << COM2A0);   /* OC2Aを切断して通常ポートに戻す */
    PORTB &= (uint8_t)~(1 << PORTB3);    /* 出力をLowに固定（LED消灯） */
}

static void ir_mark(uint16_t us) {
    carrier_on();
    delayMicroseconds(us);
}

static void ir_space(uint16_t us) {
    carrier_off();
    delayMicroseconds(us);
}

void ir_send_raw(const uint16_t *frame_us, uint16_t len) {
    for (uint16_t i = 0; i < len; i++) {
        if (i % 2 == 0) {
            ir_mark(frame_us[i]);        /* 偶数番＝mark（キャリアON） */
        } else {
            ir_space(frame_us[i]);       /* 奇数番＝space（無信号） */
        }
    }
    carrier_off();
    g_last_tx_ms = millis();
}

bool ir_human_detected(void) {
    /* 自分が送った直後は、壁などで反射した自分の信号を拾うことがあるので無視する */
    if (millis() - g_last_tx_ms < TX_IGNORE_MS) {
        return false;
    }
    /* 受信モジュールはアイドルHigh。Lowなら何かの赤外線フレームを受信中＝
     * このシステムは送信していないので、人間がリモコンを操作したと判断する */
    if (digitalRead(PIN_IR_RX) == LOW) {
        return true;
    }
    return false;
}

#ifndef EEPROM_LOG_H
#define EEPROM_LOG_H

#include <stdint.h>

/* イベント種別（EEPROMに1バイトで残す） */
typedef enum {
    EV_BOOT        = 0x01,   /* 起動 */
    EV_LEVEL_UP    = 0x02,   /* 警告レベルが上がった */
    EV_LEVEL_DOWN  = 0x03,   /* 警告レベルが下がった */
    EV_AC_ON       = 0x04,   /* 冷房ONを送信 */
    EV_AC_TEMP_DOWN= 0x05,   /* 設定温度ダウンを送信 */
    EV_AC_OFF      = 0x06,   /* 停止を送信 */
    EV_HUMAN       = 0x07,   /* 人間のリモコン操作を検知（人間優先へ） */
    EV_RESUME      = 0x08,   /* 人間優先から自動制御へ復帰 */
    EV_SENSOR_FAIL = 0x09    /* センサ読み取りの連続失敗 */
} LogEvent;

void eeprom_log_init(void);                                    /* 起動回数+1とログ位置の復元 */
void eeprom_log_write(LogEvent ev, int8_t wbgt, int8_t temp_c, uint8_t humidity);
void eeprom_log_dump(void);                                    /* シリアルへCSV形式で全件表示 */

#endif

#include <Arduino.h>
#include <avr/io.h>
#include <avr/interrupt.h>
#include "eeprom_log.h"

/* ---- レジスタ版EEPROM読み書き（#6 EEPROMドリルと同じ） ---- */

static void eeprom_write_reg(uint16_t addr, uint8_t data) {
    while (EECR & _BV(EEPE)) {      /* 前の書き込みが終わるまで待つ */
    }
    cli();                          /* EEMPE→EEPEの手順を割り込みで邪魔されないように */
    EEAR = addr;
    EEDR = data;
    EECR |= _BV(EEMPE);             /* マスター書き込み許可（4サイクル以内にEEPE） */
    EECR |= _BV(EEPE);              /* 書き込み開始 */
    sei();
}

static uint8_t eeprom_read_reg(uint16_t addr) {
    while (EECR & _BV(EEPE)) {      /* 書き込み中は読まない */
    }
    EEAR = addr;
    EECR |= _BV(EERE);              /* 読み出し */
    return EEDR;
}

/* 書き込み回数を減らす：今と同じ値なら書かない（update相当） */
static void eeprom_update_reg(uint16_t addr, uint8_t data) {
    if (eeprom_read_reg(addr) != data) {
        eeprom_write_reg(addr, data);
    }
}

/* ---- イベントログ（リングバッファ） ----
 * アドレス0：起動回数／アドレス1：次に書くレコード番号
 * アドレス8以降：1レコード4バイト（イベント種別・WBGT・気温・湿度）×32件
 * 32件を超えたら一番古いレコードから上書きする */
#define LOG_BASE   8
#define LOG_SIZE   4
#define LOG_COUNT  32

static uint8_t g_next = 0;          /* 次に書くレコード番号（0〜31） */

void eeprom_log_init(void) {
    uint8_t boot = eeprom_read_reg(0);
    eeprom_update_reg(0, (uint8_t)(boot + 1));

    g_next = eeprom_read_reg(1);
    if (g_next >= LOG_COUNT) {      /* 初回（0xFF）や壊れた値は0へ */
        g_next = 0;
    }
    eeprom_log_write(EV_BOOT, 0, 0, 0);
}

void eeprom_log_write(LogEvent ev, int8_t wbgt, int8_t temp_c, uint8_t humidity) {
    uint16_t addr = (uint16_t)(LOG_BASE + g_next * LOG_SIZE);
    eeprom_update_reg(addr + 0, (uint8_t)ev);
    eeprom_update_reg(addr + 1, (uint8_t)wbgt);
    eeprom_update_reg(addr + 2, (uint8_t)temp_c);
    eeprom_update_reg(addr + 3, humidity);

    g_next = (uint8_t)((g_next + 1) % LOG_COUNT);
    eeprom_update_reg(1, g_next);   /* 次回起動時に続きから書けるよう保存 */
}

void eeprom_log_dump(void) {
    Serial.print(F("boot_count,"));
    Serial.println(eeprom_read_reg(0));
    Serial.println(F("no,event,wbgt,temp,humidity"));

    /* 一番古いレコード（＝次に書く位置）から順に表示する */
    for (uint8_t i = 0; i < LOG_COUNT; i++) {
        uint8_t rec = (uint8_t)((g_next + i) % LOG_COUNT);
        uint16_t addr = (uint16_t)(LOG_BASE + rec * LOG_SIZE);
        uint8_t ev = eeprom_read_reg(addr);
        if (ev == 0xFF || ev == 0x00) {   /* 未使用領域は飛ばす */
            continue;
        }
        Serial.print(i);
        Serial.print(',');
        Serial.print(ev);
        Serial.print(',');
        Serial.print((int8_t)eeprom_read_reg(addr + 1));
        Serial.print(',');
        Serial.print((int8_t)eeprom_read_reg(addr + 2));
        Serial.print(',');
        Serial.println(eeprom_read_reg(addr + 3));
    }
}