シリアルLED（WS2812B）をArduinoで使おう
この記事では、Arduinoを使ってシリアルLED（WS2812B） を制御する方法を解説していきます。
シリアルLEDは、電流の許す限りいくつもの同じシリアルLEDを数珠つなぎで増設できる製品です。また、制御に必要な通信線はたったの1本で済みます。ひとつのArduinoで数百個のシリアルLEDを制御するなんてことも不可能ではありません。しかも、各シリアルLEDは独立してRGBフルカラーで点灯が可能となってます。シリアルLEDはArduinoととても相性が良いのでぜひ皆さんも遊んでみてください。
はじめに
シリアルLEDは、もともと中国のWorldSemi社が開発したもので「NeoPixel」と呼ばれています。Neo PixelのシリアルLEDは、単品以外にもさまざまな形になって売られています。
とくに、テープ状になっているシリアルLEDはハサミでカットして好きな長さで使用できて便利です。表面は柔らかい透明な樹脂でコーティングされており、裏面には両面テープが貼られてます。また「WS2812B」という名前がついていれば、この記事の内容と同じ方法で制御できます。
また、カットしたテープライトをつなげるために、コネクタケーブルがあると非常に便利です。
開発環境
シリアルLEDをテストするにあたって、開発環境は次の通りです。
| 項目 | バージョン |
|---|---|
| Arduinoデバイス | Seeeduino XIAO |
| シリアルLED | WS2812B |
| Arduino IDE | 1.8.10 |
| パソコン | macOS Big Sur 11.0.1 |
「Seeeduino XIAO」はArduino互換製品のひとつです。本記事の内容は、他のArduinoでも動作する内容となってますので、お好きなArduinoをお使いください。
Seeeduino XIAOの使い方はこちらの記事を参考に
シリアルLEDの仕組み
ここではシリアルLEDの仕組みをカンタンに説明したいと思います。
シリアルLEDの構造
シリアルLED「WS2812B」を拡大した写真です。
シリアルLEDをよく見ると、写真のようなICチップが埋め込まれています。これによって、Arduinoなどから送られてきたデータを受け取り、赤・緑・青のRGBカラーを点灯できる仕組みとなっています。
図中のDOUTには、次のシリアルLEDのDINへ接続されます。冒頭で述べたとおり、いくつものシリアルLEDを数珠つなぎのようして接続します。また、ひとつひとつのLEDは独立して色や明るさを変えられます。
| シリアルLED | Arduino |
|---|---|
| VDD | 5V |
| VSS | GND |
| DIN | デジタルピン |
| DOUT | 次のシリアルLEDのDIN |
シリアルLEDの制御信号の流れ
シリアルLEDの制御信号の流れをカンタンに説明します。
ひとつのシリアルLEDがDINから送られてきたデータを受信すると、先頭のデータだけ取り出し、残りのデータをDOUTから他のシリアルLEDへ渡す流れになっています。それぞれのデータの中には、赤・緑・青のLEDの明るさ情報が入れられており、それに基づいて各シリアルLEDは点灯されるのです。
データが空になれば、その先のシリアルLEDには届きません。よって予め、制御したいシリアルLEDの数分だけデータを作っておく必要があります。ただし今回はAdafruitの出しているNeo Pixcelライブラリを使用するので、難しいプログラミング作業はほとんどありませんのでご安心ください。
シリアルLEDとSeeeduino XIAOの配線
シリアルLEDとSeeeduino XIAOの配線はこちらの図のようになりました。
デジタルピン1番をシリアルLEDのDINへつないでいますが、もちろん他のピンでも構いません。シリアルLEDは5V電圧で動作しますが、Arduinoから電源供給するのではなく出来れば別電源を用意してお使いください。数十個のLEDを制御しようとするとArduinoからでは電流が足りなくなるからです。ただしGNDはArduinoと共通にしてください。
また、配線図ではシリアルLEDを数珠つなぎにしてますが、テープライトを使用する場合は予め数珠つなぎに配線されてますので、テープの末端のDIN端子にArduinoのデジタルピンを1つ繋げば済みます。
ライブラリのインストール
シリアルLED（WS2812B）をArduinoでカンタンに制御できるように、AdafruitがリリースしているNeoPixelのライブラリをインストールしましょう。
Arduino IDEのメニューから、
Sketch → Include Library → Manage Librares → Library Manager
を開きます。
そこで「neopixel」で検索し、
Adafruit NeoPixel／Arduino library for controlling single-wire-based LED pixels and strip.
をインストールしましょう。
シリアルLEDのプログラム例
シリアルLEDを1つだけ点灯させてみよう
まずは、シリアルLEDを1つだけ点灯させてみましょう。プログラムは次の通りです。
/*
Created by Toshihiko Arai.
https://101010.fun/iot/arduino-serial-led.html
*/
#include <Adafruit_NeoPixel.h>
const int DIN_PIN = 1; // D1
const int LED_COUNT = 60; // LEDの数
Adafruit_NeoPixel pixels(LED_COUNT, DIN_PIN, NEO_GRB + NEO_KHZ800);
void setup() {
pixels.begin();
}
void loop() {
pixels.clear();
pixels.setPixelColor(0, pixels.Color(128, 0, 0)); // 0番目の色を変える
pixels.show();
}
プログラムの解説
まず、pixels(LEDの数, DINに繋ぐArduinoのデジタルピン, NEO_GRB + NEO_KHZ800)で初期化します。制御するシリアルLEDの数を正しくセットしてください。他の型番のシリアルLEDではNEO_GRB + NEO_KHZ800を変える必要があるので注意しましょう。
pixels.clear()を呼び出すことで、すべてのシリアルLEDがリセットされ、点灯しているLEDが消灯します。シリアルLEDの色を変える場合はpixels.setPixelColor(LED番号, 色) のように制御したいシリアルLEDの番号と色を指定します。
pixels.Color(128, 0, 0)では、赤・緑・青の順で0から255の範囲で明るさをセットします。数字が大きいほど明るくなりますが、シリアルLEDは非常に明るいので小さい値でも十分キレイです。
詳しくは、AdafruitのNeoPixelライブラリーを覗いてみてください。
シリアルLEDの色を赤→緑→青の順に変える
今度は、先ほどのプログラムのloop関数の中を次のように変えてみましょう。シリアルLEDの色が、赤 → 緑 → 青の順番で変化します。
void loop() {
pixels.clear();
pixels.setPixelColor(0, pixels.Color(128, 0, 0)); // red
pixels.show();
delay(1000);
pixels.clear();
pixels.setPixelColor(0, pixels.Color(0, 128, 0)); // green
pixels.show();
delay(1000);
pixels.clear();
pixels.setPixelColor(0, pixels.Color(0, 0, 128)); // blue
pixels.show();
delay(1000);
}
60個のシリアルLEDを順番に点灯させる
今度は60個のシリアルLEDを順番に点灯させてみます。loop関数の中を次のように変えましょう。まるで光が生き物のように光が動いて面白いです。
void loop() {
for(int i=0; i<LED_COUNT; i++) {
pixels.clear();
pixels.setPixelColor(i, pixels.Color(0, 0, 128)); // red
pixels.show();
delay(10);
}
}
シリアルLEDで虹を走らせてみた
最後にシリアルLEDで虹を走らせてみましょう。C言語の配列を使っているのでちょっと難しく感じるかもしれませんが、少しずつ慣れていってください。
/*
Created by Toshihiko Arai.
https://101010.fun/iot/arduino-serial-led.html
*/
#include <Adafruit_NeoPixel.h>
const int DIN_PIN = 1; // D1
const int LED_COUNT = 60; // LEDの数
Adafruit_NeoPixel pixels(LED_COUNT, DIN_PIN, NEO_GRB + NEO_KHZ800);
void setup() {
pixels.begin();
}
uint32_t red = pixels.Color(128, 0, 0);
uint32_t orange = pixels.Color(128, 82, 0);
uint32_t yellow = pixels.Color(128, 128, 0);
uint32_t green = pixels.Color(0, 128, 0);
uint32_t cyan = pixels.Color(0, 128, 128);
uint32_t blue = pixels.Color(0, 0, 128);
uint32_t purple = pixels.Color(128, 0, 128);
uint32_t rainbow_color[] = {red, orange, yellow, green, cyan, blue, purple};
int rainbow_index[] = {6, 5, 4, 3, 2, 1, 0};
void loop() {
for(int i = 0; i < LED_COUNT; i++) {
pixels.clear();
for(int j = 0; j < 7; j++) {
rainbow_index[j] = i + 6 - j;
if(rainbow_index[j] >= LED_COUNT) rainbow_index[j] -= LED_COUNT;
pixels.setPixelColor(rainbow_index[j], rainbow_color[j]);
}
pixels.show();
delay(20);
}
}
以上でシリアルLED（WS2812B）の基本的な使い方の説明を終わります。
シリアルLEDを使って、実用的なRGBライトも作ってみました。よかったらこちらの記事もご参考になさってみてください。
シリアルLEDを購入する際は、型番に注意しましょう。「WS2812B」であれば、この記事で紹介したライブラリが使えますし、書籍やネットにも情報が多くありますのでオススメです。
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