ノートパソコンでプログラミングをする少年

プログラミング学習にも最適!ラズベリーパイを使ってみよう!

ノートパソコンでプログラミングをする少年

ラズベリーパイを活用して、プログラミングを学んでみたいと考えていませんか?2012年の発売以降、世界的に広まったラズベリーパイ。子どもから大人まで、工作のような感覚で楽しみながらプログラムを作れます。日本でも、プログラミング学習の場で用いられることが多くなりました。

この記事では、そもそもラズベリーパイとは一体何なのか、なぜプログラミング学習に最適なのかについて詳しく解説しています。端末の種類や活用方法、産業用途での活用事例もあわせて紹介します。

ラズベリーパイ(Raspberry Pi)とは

ラズベリーパイ

ラズベリーパイとは、世界的に普及しているシングルボードコンピュータです。2012年にイギリスのラズベリーパイ財団によって開発されました。シングルボードコンピュータとは、CPUやメモリ、入出力インターフェイスなど最低限の部品が搭載された一枚のボードです。手のひらサイズの小型コンピュータというとわかりやすいでしょう。

ラズベリーパイには、ARMアーキテクチャと呼ばれる仕様設計のCPUが採用されています。省エネルギーながら高いパフォーマンスを発揮するCPUであるため、iPhoneやAndroidスマートフォンにも搭載されています。

ラズベリーパイの最大の特徴は、拡張性の高さにあります。見た目は名刺サイズの一枚のボードですが、HDMIやUSBなどの接続ポートが搭載されており、さまざまなセンサーとの連携が容易です。コンパクトサイズのラズベリーパイをコアモジュールとして利用すれば、ハードウェアを構築しなくても、手軽にプログラムの実行やIot機器との接続が行えます。工作レベルの制作から、実用的なデバイスの開発までさまざまな用途で使用されます。

ラズベリーパイは本体の価格も魅力的です。最新モデルのRaspberry Pi 4(メモリ1G)は、わずが35ドルで購入できます。

実はラズベリーパイは当初、教育目的で開発されました。子どもたちが手軽に高性能のコンピュータを扱えることを目指して作られたものであるため、安価に設定されているのです。発売以来、価格はほとんど変動していません。

プログラミング学習にも最適なラズベリーパイ(Raspberry Pi)

ラズベリーパイは、プログラミングの学習にも最適なツールです。自分の手で書いたプログラムを目に見える形で動かすことができるので、まるで電子工作のように楽しみながらプログラミングを学べます。

ラズベリーパイのOS「Raspbian(ラスビアン)」は、Linuxをベースとして作られています。Linux上で動作すれば、どのプログラミング言語でも使用できます。中でも最も推奨されているはPythonです。

Pythonはシンプルな文法が魅力のプログラミング言語です。読み書きのしやすさからプログラミング教育の分野でもPythonが採用される事例が増えています。Pythonでは、一般的なプログラミング言語で用いられる波括弧は使いません。コロンとインデント(字下げ)によって、プログラムを構造化するという独特の記法でコーディングするのです。これにより誰が書いても同じ形式の記述になり、可読性が向上します。Pythonは人工知能向けのライブラリも豊富に揃っており、近年大きな注目を集めています。

Pythonは、アメリカの学会誌「IEEE Spectrum」が2018年に発表した「人気プログラミング言語ランキング」の一位に輝きました。また同年に株式会社ビズリーチが調査した「プログラミング言語別年収ランキング」では、3位にランクインしています。これらの調査からも、Pythonの人気と需要の高さがうかがえます。

子ども向けのプログラミング教育の場では、Scratch(スクラッチ)という言語でラズベリーパイを動作させることもあります。Scratchはビジュアルプログラミング言語と呼ばれるもので、画面上で部品を組み合わせてプログラムを構築していきます。子どもでもパズルのような感覚で、直感的にプログラミングの本質を学べるでしょう。

ラズベリーパイ(Raspberry Pi)をはじめる時に必要なもの

ラズベリーパイのクローズアップ

ラズベリーパイでプログラミングを始める上で、必要となるものを紹介します。

ラズベリーパイ本体

まずはラズベリーパイ本体を用意します。Raspberry Pi 3以降のモデルにはWi-FiとBluetoothが搭載されていますので、別途無線LANの環境を作る必要はありません。

USBアダプタ

本体を動作させる電源用アダプタを用意します。ラズベリーパイは大容量の電源がです。特にRaspberry Pi 3以降では2.5A以上が推奨されます。自宅にあるUSBアダプタをそのまま使っても構いませんが、アンペア数によっては途中で強制終了してしまう恐れもありますので気をつけましょう。

SDカード

ラズベリーパイはストレージにmicroSDを使用します。OS「Raspbian」はSDカードに書き込む形で、本体にインストールします。Raspbianはラズベリーパイ財団の公式サイトからダウンロード可能です。

キーボード・マウス・ディスプレイ

ラズベリーパイをコアモジュールとして、一般的なパソコンのように使用することもできます。その場合、キーボード・マウス・ディスプレイを用意し、HDMIケーブルなどを用いて本体と接続します。

ラズベリーパイ(Raspberry Pi)にはどんな種類がある?

ラズベリーパイ本体

数あるラズベリーパイの中で、現状手に入りやすいモデルを紹介します。

Raspberry Pi 3 modelB +

2018年にリリースされたモデルです。現行のラズベリーパイの教本やキットは、このRaspberry Pi 3 modelB +を基準に書かれていることが多いようです。4つのUSBポートに加え、カメラやマイク用のインターフェイスも搭載しています。

Raspberry Pi 3 modelB

Raspberry Pi 3 modelBは、modelB +の前世代モデルです。modelB +のリリースによって流通量は少なくなっていますが、いまだにメジャーに利用されています。

Raspberry Pi 3modelA

ラズベリーパイのモデルには、AとBの2パターンが存在します。それぞれ基板形状が異なります。Aは正方形、Bは長方形です。モデルAの方が安価で小さく、軽量で消費電力が少ない利点がありますが、その分メモリー容量が小さく性能も劣るため、プログラミング経験者向きと言えるでしょう。一般的にエントリーモデルとして購入するのであればモデルBをおすすめします。

2019年最新版 Raspberry Pi 4

2019年6月に発売された最新のモデルです。従来と価格はそのままに、性能が大幅に向上しています。Raspberry Pi 3までは、メモリが1Gのものしか存在しませんでしたが、Raspberry Pi 4からは2G、4Gが用意されています。作業用のデスクが広くなったというイメージです。この結果処理速度が大幅に向上しました。

ラズベリーパイ(Raspberry Pi)で作れるもの

LEDライト

ラズベリーパイを用いて以下のような開発を行えます。

LEDライト

ラズベリーパイを購入したら、まずはLEDライトを点灯させてみましょう。本体の扱い方や、外部装置を制御する流れを学べます。LEDライトをチカチカさせることから、「Lチカ」と呼ばれることもあるこの作業は、ラズベリーパイの定番です。プログラミングにおける実行処理の第一歩「Hello World」のようなものと言えるでしょう。LEDライトはただ光らせるだけではなく、温度センサなどで周囲の状況を感知し、明るさや色を変えることもできます。

温度・湿度計

ラズベリーパイはあらゆるセンサと接続し、現実世界のデータを取得できます。温度・湿度センサを接続し、気象観測の百葉箱のような装置を作ることも可能です。電池やバッテリーを用いれば、遠隔で毎時間ごとの情報も取得できるでしょう。

IoTシステムの構築

ラズベリーパイはIoTの分野で大きな注目を集めています。IoTはInternet of Thingsの頭文字を取ったもので、身の回りのさまざまなモノがインターネットとつながる仕組みを意味します。ラズベリーパイは安価で手軽に扱えることもあり、自宅で使う簡易的なIoTデバイスから、製品のプロトタイプ作りまで幅広く用いられます。

ラズベリーパイは多数の端子を搭載しているため、複数のデバイスを中継する媒介のような用途にも使われます。センサからある情報を読み取り、ラズベリーパイ上で動作するプログラムを用いて処理し、その処理結果に応じて、別のデバイスを操作することもできます。例えば、植物の土の湿度を読み取り、乾燥状態になったタイミングで自動で水やりをするといったユニークなデバイスも開発されています。センサで感知した情報をラズベリーパイで経由して、スマートフォンへ通知も可能です。

ラズベリーパイは、さまざまなセンサやデバイスとの組み合わせによって、自由な発想でものづくりができるツールなのです。

簡易的なサーバーの構築

データの共有などを行うサーバーも、ラズベリーパイなら低コストで構築できます。ラズベリーパイで動作するLinuxはそもそもサーバー構築などに用いられることが多々あります。外付けハードディスクなどを接続すれば、ネットワークに直接つなげるファイルサーバとして大容量のファイルも安定的に格納・アクセスできるでしょう。

スマートスピーカー

GoogleHomeやAmazonAlexaなど、近年注目を集めているスマートスピーカーも、ラズベリーパイで構築できます。必要なものはラズベリーパイ本体とUSBマイク、バッテリーです。音声の認識はGoogleが提供する音声認識ツール開発キット「Google AIY Voice Kit」を使うと良いでしょう。Google AIY Voice Kitにはさまざまなサンプルプログラムが用意されており、プログラミング言語でそれらをカスタマイズしていくことで、用途に合わせたアプリケーションを構築できます。

ラズベリーパイ(Raspberry Pi)は趣味のもの?

準備運動をする女性

ラズベリーパイは安価で手軽なことから、現状は個人・趣味レベルのプロダクトへの利用が目立ちます。ですが、実用的なIoTサービスへの活用も盛んになっているのです。

道路管理システム

気象情報を提供するウェザーニュースは、AI技術による道路管理支援システムの導入を進めています。使用端末にはラズベリーパイが採用されています。

積雪や凍結などの路面情報の確認をする際、目視では精度にバラツキが生じますが、AIによる画像解析を行えば、路面の異常を的確に発見できるようになります。そして定点情報の取得には、ラズベリーパイが用いられているのです。搭載されたカメラから、映像データはクラウド上に転送されます。モニター側でもラズベリーパイを介して分析が行われ、処理結果がディスプレイに表示されます。

端末にラズベリーパイ、AI解析にはオープンソースのソフトウェアが採用されており、低コストでのシステム運用を目指しています。

スマートウェア

立命館大学が建設現場向けに開発したスマートウェアにも、ラズベリーパイが採用されています。同システムは、建設現場の作業者が身につけるものです。生体情報から、体調不良の作業者を早期に発見したり、立ち入り禁止へリアへの侵入を回避させることで、作業者の身の安全を守ります。

スマートウェアにはセンサが取り付けられており、作業者の生体情報をアクセスポイントに設置されたデバイスに送信します。このデバイスがラズベリーパイで作られています。アクセスポイントは、5~10m感覚で建設現場に設置されます。本来であれば膨大なコストがかかりますが、ラズベリーパイの価格の低さがこれを可能にしているのです。アクセスポイントからはWi-Fiを経由して情報がサーバーへ送られ、分析されます。

センサからは心拍数や体温などのデータが毎秒取得されます。体調の異変や作業負荷などを正確なデータとして集め、作業環境の改善などに活かせるのです。解析に使われるシステムは、Pythonで構築されています。

このスマートウェアは、2018年に実証実験が行われました。今後は随時ブラッシュアップされていくとのことです。

IoTは世界中のテック企業が注目している分野であり、世界のIoT市場は2020年に1兆7,000億ドルにまで達すると予測されています。IoTプログラムを低コストで構築できるラズベリーパイの活躍の場も、広がっていくでしょう。

まとめ

プログラミングをする人

IoTは将来性が期待される技術です。今後ますます私たちの生活に浸透していくでしょう。もしIoTに関するプログラムを作ってみたいと思った時、ハードウェアから構築するのは至難の技ですが、ラズベリーパイであれば、気軽に取り組んでみることができます。

ラズベリーパイを活用して、IoTプログラミングへの一歩を踏み出してみてはいかがでしょうか。

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