大阪市立科学館研究報告 25, 35 - 40 (2015) 携帯端末を使った遠隔操作の手法と科学館展示への応用 西 野 藍 子 ＊ 概 要 近 年 、スマートフォンなどの携 帯 端 末 が急 速 に普 及 している。こうした携 帯 端 末 には、さまざまな機 能 が備 わっており、科 学 館 での展 示 や教 育 普 及 活 動 など、さまざまな場面 に大 いに活 用 できうるものである。 例 えば、自 分 でスマートフォンのアプリを開 発 して、無 線 通 信 を使 ってモノを自 由 自在 に遠 隔 操 作 するこ とも実 現可 能 である。本 稿 では、スマートフォンアプリの開発 方 法 と、無 線 通信 を使った遠 隔 操 作 の手 法 、 および科学 館 展 示 への応 用 例 を紹 介 する。 １．はじめに 近 年、スマートフォンなどの多 機 能 携 帯 端 末 が急 速 に 普 及 している 。総 務 省 が 発 表 した「 平 成 ２ ５ 年 通 信 ２-１．従来の携帯電話との比較 従 来 の携 帯 電 話 との大 きな違 いを（１）～（４）に述 べ る。 利用動向調査」によると、スマートフォンの 1 世帯当た りの保有率 は平成 ２２年 末 の 9.7％に対 し、平 成２５年 には 62.6％となっており、非 常に急 速 な普 及が進んで いる。 （１）操作方式 従来の携帯電話では、ボタンを押して操作することが 主 流 であった。スマートフォンではタッチパネル方 式 が また、地 方 自 治 体 が観 光 やイベント、災 害 対 応 など 取 り入 れられており、液 晶 画 面 を指 でタッチしたりなぞ で、スマートフォンアプリを活 用 した公 共 サービスを提 っていくことで、指 の動 きに合 わせてメニューが選 択 さ 供する例も、この数 年 で急 速 に増 加 している。 れたり、画面が変わる。 当 館 の 展 示 場 に は 、来 館 者 が 能 動 的 に 展 示 に 触 れ、科 学 を楽 しくわかりやすく学 ぶことのできる体 験 型 （２）インターネットアクセス 展 示が数 多 くあるが、もしこうした展 示 にスマートフォン 携 帯 電 話では閲 覧 できるサイトの種 類がスマートフォ アプリを活 用 した新 たな展 示 手 法 を確 立 することがで ンに比べて少なく、情 報 量 が限 定されている。スマート きれば、さらに幅のある体 験 型 展 示 を提 供 できるように フォンでは、ほとんどのサイトをパソコンと同じように見る なると考える。 ことができる。 そこで今 回 は、その第 一 歩 として、スマートフォンア プリの開 発、およびスマートフォンの基 本 機 能 である無 （３）ＳＮＳ 線 通 信 を 使 っ て、物 を 遠 隔 操 作 するための 手 法 を 紹 近年、Facebook や Twitter などのソーシャル・ネット 介 し、今 後 の 科 学 館 展 示 へ どのように応 用 できるかと ワーキング・サービス(SNS)を利 用した情 報 発 信が進ん いうことについて述べる。 でいる。携帯電話ではこうした SNS の利用が難しいが、 スマートフォンでは簡単に利用することができる。 ２．スマートフォンについて ス マートフ ォ ンとは 、パソコ ンと 同 等 の 様 々 な機 能 を 持つ多機能型携 帯 端 末 である。iPhone や Android 端 末などが主流である。 （４）アプリ 従 来の携 帯 電話と大きく異 なるスマートフォンの最 大 の特 徴は、アプリを自 由に取 捨 選 択できるところである。 自分の用 途に合ったアプリをダウンロードし、自分の好 * 大 阪 市 立 科 学 館 学 芸 グループ E-mail:[email protected] みで使いたい機能をカスタマイズすることができる。 西野 藍子 ２-２．アプリ開 発 ③Arduino(アルドゥイーノ) スマートフォ ンの 最 大 の 特 徴 と も 言 える アプ リとは、 初 心 者 でも比 較 的 簡 単 に扱うことができるマイコンボ 正 式 に は 、 ア プ リ ケ ー シ ョ ン ソ フ ト ウ ェ ア (Application ー ド で あ る 。 Bluetooth 通 信 で 伝 送 さ れ た 命 令 を Software)といい、メールソフトや音 楽 プレイヤーといっ Arduino に組み込まれたソフトウェアで解析し、信 号を た、パソコン上で動くソフトウェアのことである。 モーター側へ伝送する。 スマートフォンには 、非 常 に 多 くのアプリが 存 在 し、 ユーザは自由に取 捨 選 択 することができる。また、誰で も開発できるように無 償 でソフトウェア開 発 キットが公開 されているため、開 発 環 境 の構 築 方 法 とプログラミング の知 識 があれば、誰 でもスマートフォンのアプリを開 発 、 配布できるようになっている。 ３．開 発 今 回 、遠 隔 操 作 する“もの”(ハードウェア)とスマート フォンの“アプリ”(ソフトウェア)の両 方を製 作 した。 具 体 的には、Android 端 末 のアプリから無 線 通 信 の 写 真 ２：マイコンボード「Arduino Leonardo」 一つである Bluetooth 通 信を使って、ラジコンカーの遠 ※マイコンボードに組 み込 むソフトウェアの開 発 には、「 Arduino 隔操作を実現する、というものである(図 1 参 照)。 統 合 開 発 環 境 」が無 料 で公 開 されており、ダウンロード可 能 。 今回の製作には、書 籍「Arduino+Bluetooth Android プログラミング」を活 用させていただいた。 ④Arduino モーターシールド Arduino 本体に搭載して、機能拡張を実現するため の Arduino 専用「シールド」というキットがいくつか販売 されている。今 回 は、ラジコンカーの車 輪を駆 動 させる ため、Arduino モーターシールドを使用した。 図 １：Android 端 末 から無 線 通 信 (Bluetooth)で命 令 信 号 を送 り、 ラジコンカー側 で Arduino マイコンボードが命 令 を読 んで、モー ターからギア(車 輪 )に命 令 信 号 を伝 達 させる。 ※書 籍 「Arduino+Bluetooth Android プログラミング」p.97 より抜 粋 写 真 ３：「Arduino モーターシールド」 ３-１．用意するもの ①Android 端 末 ⑤タミヤ工作セット(各 種) スマートフォンとして Android 端 末を用 意する。開発 を行ったのは、Android 端 末 専 用のアプリである。 ラジコンカー本体となる部品。以下に列挙する。 ○ツインモーターギヤーボックス(写 真 4 左) 左 車 輪 と右 車 輪 を別 駆 動 させるため、モーターが二 ②Bluetooth モジュール つついているものを用意。 ス マ ート フ ォ ン と の Bluetooth ○タイヤセット（写真 4 中央） 通 信 を実 現 するためのモジュー ラジコンカーの後輪として車輪を 2 つ用意。 ル。ラジコンカーに搭載し、 ※前輪はボールキャスターを 1 つ使用。 Bluetooth 通信で受 け取った信 号をマイコンボードへ伝 送する。 写 真 １：Bluetooth モジュール ○ユニバーサルプレート ラジコンカーの車体部分。ここに Arduino やモーター を取付ける。 携帯端末を使った遠隔操作の手法と科学館展示への応用 ②マイコンボードの周辺回路を構築 Arduiｎo をラジコンカー のユニバーサルプレート を取り付け、その上に Arduino モーターシール ドを差 し込 む。さらに、そ の上に Bluetooth モジュ ー ルを 取 り 付 け る 。 モー 写 真 ７：ジャンプワイヤー ターと Arduino モーター 差 し込 むだけで使 用 でき、 シ ー ル ド 、 Arduino と 面 倒 なはんだ付 けが不 要 。 Bluetooth モジュールとをジャンプワイヤーでそれぞれ 写 真 ４：タミヤ工 作 セット 接続する。 ⑥電池、工具など 単 ３電 池 ４本 、ジャンプワイヤー、半 田 ごて、カッター ナイフ、プラスドライバー、ペンチ、はさみなど。 ⑦開発用ＰＣ Android アプリや Arduino ソフトウェアを開 発 するため のパソコン。今 回 は、Windows7 OS が搭 載 されたパソ コンを使用。 ３-２．製作 ①ラジコンカーの組 立 写 真 ８：マイコンボード周 辺 回 路 の取 り付 け ツインモーターギアーボックス、およびタイヤを手順書 通りに組み立て、ユニバーサルプレートにセットする。 ここまでで一 通 りラジコンカー(“もの”=ハードウェア) は完成。以 降 、プログラム(ソフトウェア)の製作に入る。 ③Arduino プログラム製作 Arduino プログラムの開発環境は無料で公開されて おり、以下サイトよりダウンロードすることができる。 [Arduino IDE(開 発 環 境)] http://arduino.cc/en/Main/Software 写 真 ５：タミヤ工 作 セットを組 み立 てる 写 真 ９：「Arduino IDE」Windows 版 をインストール 上記は、Windows、Mac、Linux などさまざまな OS に 対応している。今回の開発用 PC は Windows7 である 写 真 ６：組 み立 てたラジコンカー ため、Windows 版をインストールした。 西野 藍子 Arduino のプログラムは、C/C++ベースの独 自プログ ラミング言語(Arduino 言 語)を使 用し、プログラムのこと [Eclipse] https://www.eclipse.org/downloads/ を「スケッチ」とよぶ。 写 真 １２：Eclipse ホームページよりダウンロード [Android SDK] https://developer.android.com/sdk/index.html?hl=i [JDK] http://www.oracle.com/technetwork/java/javase/d ownloads/index.html 写 真 １０：Arduino IDE とスケッチ(プログラム) 上記を開発用 PC にダウンロードし、順番にインストー 開発用 PC と Arduino を USB 接 続し、作 成 したスケッ チを転 送 、Arduino マイコンボードにプログラムを書 き 込む。 ルする。 インストール後 、Eclipse を 起 動 して ADT(Android Development Tools) のインストール、および、Android 端末の OS バージョンに対応した API のインストールを 行う。 写 真 １１：PC からスケッチを Arduino に USB 転 送 ④Android アプリ製 作 写 真 １３：Eclipse の開 発 画 面 今 回 は、Android アプリの開 発 環 境 として「Eclipse」 を使用した。Eclipse は、IBM によって開 発された統合 今回製作した Android アプリにおける Bluetooth 通 開発環境で、Android SDK を組み込むことで Android 信のメイン部 分は、Android SDK 内 のサンプルコード アプリの開発環境とすることができる。 「BluetoothChat」の処理をベースに製作した。 なお、開発用 PC には Java 環 境も必 須のため、もし なお、画 面 部 分やメインの処 理プログラムに関しては、 入っていない場合 には JDK の事 前 インストールも必要 前 述の書籍「Arduino+Bluetooth Android プログラミン である。 グ」に記載されているコードを活用させていただいた。 携帯端末を使った遠隔操作の手法と科学館展示への応用 写 真 １４： 完 成 した Android アプリ。 画 面 は 11×11 の青 いマス目 となっている。 指 を置 いたところの上 下 左 右 のマス目 が黄 色 に変 わる。 →指 を動 かした方 向 にラジコ ンカーが動 くよう命 令 信 号 を Bluetooth 通 信 で送 信 する。 (上 なら前 進 、下 は後 退 、左 右 は左 右 ) ②探査車を操作してミッションを成功させよう！ スマートフォンを活 用した体 験 型 展 示の例を考える。 例えば、展示物としてミニチュアの「火星表 面 」と「火 星 探査車」を用意する。スマートフォンの画 面 上で操作を すると、目 の 前 にあるミニチュアの 火 星 探 査 車 が 動 い て、画 面 上 での命 令 通 りに火 星 表 面 の写 真 を撮 影 を 行 ったり、地 表 面 の採 掘 に挑 戦 できる、というものであ る。 ③「大阪市立科学館ナビ」アプリ 将 来 的 には、展 示 物 との 連 携 も 含 めた大 阪 市 立 科 学館独自のアプリが制作できたらと考える。来館者は、 このアプリを利 用することで、より深く楽 しみながら科 学 ４．科学館 展示への応 用 ４-１．スマートフォンと連 携 する強 み を学ぶコツを知ることができる。 内容としては、以下のようなものである。 スマートフォンにはさまざまな機 能が備わっている。例 えば、さまざまなセンサー(加 速 度 センサーや温 度 セン サー、接 近 センサーなど)や無 線 通 信 (WiFi、赤 外 線 、 Bluetooth、LTE)、髙 い計 算 能 力 などが挙 げられる。こ う した 機 能 を 科 学 館 展 示 に 活 用 していく こと が できれ ば、さらに多 種 多 様 な体 験 型 展 示 を実 現 することも可 能である。 [大 阪 市 立 科 学 館 ナビ] ・展 示 物 にスマートフォンをかざすと、展 示 の詳 しい 紹介動画が流れる。 ・展 示 だけでなく、インフォメーションカウンター、トイ レ、授 乳 室 の場 所 など、館 内 のあらゆる情 報 を検 索 することができる。 ・当 館 の楽 しみ方 やオススメ情 報 などが随 時 更 新 さ ４-２．科学館展示 への応 用 例 スマートフォンとの連 携 とは実 際 にどのようなアプロー チがあるのか、展 示への応 用 例を以 下に示す。 ①スマート人間の部 屋 大 阪 市立 電 気 科 学 館 の時 代 に人 気 を博 した展示に、 「透 明 人 間 の部 屋 」がある。その現 代 版 として、スマー トフォンで部 屋 中 の家 電 などを操 作 する「スマート人 間 の部屋」を考える。 例 えば、スマートフォ ン の 画 面 に 部 屋 が 表 示 され 、 画 面 上 にあるカーテンにタッチすると実 際 に部 屋 のカ ーテンが開いたり、照 明 にタッチすると点 灯 する、という ものである。 れ、来館者は最新情報をいち早く知ることができる。 ・Twitter などの SNS と連携させて、来館者 同士のコ ミュニティの場とすることができる。 ５．まとめ 今 回 は科 学 館 における教 育 普 及 活 動 に 有 効 活 用 する第一歩として、スマートフォンアプリを開発し、無線 通信を使った遠隔操作の手法と科学館展示への応用 を考えた。 スマートフォンのアプリ開 発 は初 めて であったが、実 際 に開 発 環 境を構 築 し、アプリを完 成させることができ たことは、大 き な収 穫 であっ た。今 後 は 、科 学 館 展 示 に限 らずさまざまな場 面 で、教 育 普 及 に効 果 的 なアプ リを考え、開発に挑戦していきたい。 しかし一 方 で、さまざまな課 題 も見 えてきた。例 えば、 スマートフォンに搭載されている OS は随時バージョン アップする。もしアプリを配 布 するのであれば、常 に対 応していかなければいけない。また、iPhone と Android など様々なスマートフォンに対 応するためには、それぞ れにアプリ開発が必要となる。 こうした課 題 をクリアしていくために、さまざまな有 識 者に協力を仰ぎ、アドバイスいただくことも必要であると 実感した。今 後もし可能であれば、他館の方々や開 発 写 真 1５：「透 明 人 間 の部 屋 」(大 阪 市 立 電 気 科 学 館 ) の専 門 家 の方 々とも連 携 して取り組んでいきたい事 業 である。 西野 藍子 謝辞 今 回、開発を行 ったハードウェアやソフトウェアは、す べて書籍「Arduino+Bluetooth Android プログラミング」 に記載された内容を基 に製 作させていただきました。 開発にあたっては、この書 籍 の執 筆 者 である鈴木圭 介 氏 、および、丸 石 廉 氏 に幾 度 となくアドバイスをいた だきました。ここに、改めて御 礼 申 し上げます。
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