Pythonの小数値をArduinoで扱う！シリアル通信でのデータ変換術💻

はじめに (PythonとArduino間の小数値連携をマスターしよう)

この記事は、Pythonで計算・生成した小数値（浮動小数点数）をArduinoに送り、その値に基づいて何らかの制御や表示を行いたいと考えている方を対象にしています。特に、シリアル通信で小数値をやり取りする際の精度や効率の問題に直面している方に役立つでしょう。

この記事を読むことで、以下のことがわかるようになります。

• Pythonの小数値をArduinoに安全かつ正確に渡すための課題と背景。
• シリアル通信で浮動小数点数を効率的に送受信するための具体的な手法。
• Pythonのstructモジュールを使ったバイト列への変換方法。
• Arduino側で受信したバイト列を元の小数値に復元する具体的な実装方法。

Pythonで複雑なデータ処理を行い、その結果をシンプルなマイコンであるArduinoで活用する場面は多々あります。例えば、センサーデータの高度なフィルタリング結果をArduinoに送ってモーターを制御したり、AIの推論結果を元にロボットアームを動かしたりする際に、小数値の正確な連携は不可欠です。本記事を通して、PythonとArduinoの連携の幅を広げましょう。

前提知識

この記事を読み進める上で、以下の知識があるとスムーズです。

• Pythonの基本的なプログラミング知識: 特に、変数の扱い、標準ライブラリの利用方法。
• Arduinoの基本的なプログラミング知識: スケッチの書き方、シリアル通信（Serial.begin(), Serial.print(), Serial.read()など）の基本。
• シリアル通信の基本的な概念: ボーレート（Baud rate）など。

PythonとArduino間での小数値通信の課題とバイト列変換の利点

Pythonで計算された小数値をArduinoに渡す際、最もシンプルな方法は、str()関数で文字列に変換してシリアル通信で送ることです。しかし、この方法にはいくつかの課題があります。

1. データ量の増加と処理オーバーヘッド: 例えば3.14159265という小数値を送る場合、文字列として送ると9バイトのデータが必要になります。Arduino側ではこの文字列をfloat型に変換するために、parseFloat()のような関数を使う必要がありますが、これは処理負荷が高く、リアルタイム性が求められる場面ではボトルネックになりがちです。
2. 精度の問題: 文字列変換・復元時に丸め誤差が生じる可能性があります。また、固定小数点数表現に変換する場合は精度を犠牲にすることになります。
3. バイト順序（エンディアン）: 異なるアーキテクチャ間で数値をやり取りする際に、バイトの並び順（リトルエンディアン、ビッグエンディアン）が問題になることがあります。

これらの課題を解決する効果的な方法が、小数値をバイト列（バイナリデータ）に変換して送受信することです。 Pythonのfloat型は、通常IEEE 754標準の倍精度浮動小数点数（64ビット）ですが、Arduinoのfloat型は単精度浮動小数点数（32ビット）です。Python側でこの32ビット単精度浮動小数点数のバイト列に変換し、Arduino側でそのバイト列を直接float型として解釈することで、以下の利点が得られます。

• 効率性: 32ビットfloat値は常に4バイトとして送信されるため、データ量が一定で少なくなります。
• 処理速度: Arduino側で文字列解析を行う必要がなく、バイト列を直接float型としてメモリにコピーするだけなので高速です。
• 精度維持: IEEE 754形式で直接やり取りするため、変換による精度低下を最小限に抑えられます。

次のセクションでは、このバイト列変換を用いた具体的な実装方法を見ていきましょう。

PythonとArduinoでの小数データ成形・送受信の具体例

ここでは、Pythonで小数値をバイト列に変換して送信し、Arduinoでそれを受信して元の小数値に復元する具体的な手順を解説します。

ステップ1: Python側での小数値のバイト列変換と送信

Pythonでは、標準ライブラリのstructモジュールを使って、数値をバイト列にパック（Pack）することができます。

Python

import serial
import struct
import time

# シリアルポートの設定
# お使いの環境に合わせて適宜変更してください（例: Windows: 'COM3', macOS/Linux: '/dev/ttyUSB0', '/dev/tty.usbmodemXXXX'など）
ser = serial.Serial('COM3', 9600, timeout=1)

def send_float_to_arduino(value_f):
    """
    Pythonのfloat値をArduinoに送信する関数
    Args:
        value_f (float): 送信する小数値
    """
    # floatを32ビット単精度浮動小数点数（IEEE 754形式）のバイト列にパック
    # '<f' は「リトルエンディアンの単精度浮動小数点数」を意味します
    packed_data = struct.pack('<f', value_f)

    # バイト列をシリアルポート経由で送信
    ser.write(packed_data)
    print(f"送信データ: {value_f} (バイト列: {packed_data.hex()})")

if __name__ == "__main__":
    time.sleep(2) # Arduinoの起動を待つため、少し待機

    test_values = [3.14159, -0.00123, 1234.567, 0.0]

    for val in test_values:
        send_float_to_arduino(val)
        time.sleep(1) # 送信間隔を設ける

    ser.close()
    print("シリアルポートを閉じました。")

コード解説:

• import serial: シリアル通信を行うためのライブラリです。pip install pyserialでインストールできます。
• import struct: データをバイト列にパック/アンパックするためのライブラリです。
• ser = serial.Serial('COM3', 9600, timeout=1): シリアルポートを初期化します。お使いのPCの環境に合わせてポート名（例: 'COM3'）とボーレート（例: 9600）を設定してください。
• struct.pack('<f', value_f): ここが重要な部分です。
  • '<': バイト順序がリトルエンディアンであることを示します。ほとんどのPCやArduinoはリトルエンディアンを使用しているため、通常はこの指定で問題ありません。
  • 'f': データを単精度浮動小数点数（float型、4バイト）としてパックすることを意味します。Arduinoのfloat型は32ビットなので、これに合わせます。もし'd'を指定すると倍精度浮動小数点数（double型、8バイト）としてパックされてしまい、Arduino側で正しく解釈できなくなるので注意してください。
• ser.write(packed_data): 生成された4バイトのデータ（packed_data）をシリアルポートに書き込みます。

ステップ2: Arduino側でのバイト列受信と小数値復元

Arduino側では、受信した4バイトのデータをfloat型の変数に直接コピーすることで、元の小数値を復元します。この際、union構造体を使うと、バイト列とfloat型を同じメモリ空間で扱うことができ、直感的に変換が行えます。

Arduino

// Arduino IDEに書き込むスケッチ
// Pythonから送られてくる4バイトのfloat値を受信し、シリアルモニタに表示する

union FloatConverter {
  float f;
  byte b[4];
};

FloatConverter data; // float型とbyte配列を共有するユニオン

void setup() {
  Serial.begin(9600); // Python側のボーレートと合わせる
  while (!Serial); // シリアルポートが開くまで待機 (一部のボードでは不要)
  Serial.println("Arduino Ready. Waiting for float data...");
}

void loop() {
  // 受信バッファに4バイトのデータがあるか確認
  if (Serial.available() >= 4) {
    // 4バイトすべてを読み込み、unionのバイト配列に格納
    for (int i = 0; i < 4; i++) {
      data.b[i] = Serial.read();
    }

    // unionのfloatメンバーにアクセスすると、バイト列がfloat値として解釈される
    Serial.print("Received float: ");
    Serial.println(data.f, 6); // 小数点以下6桁まで表示
  }
}

コード解説:

• union FloatConverter:
  • float f;: 4バイトの浮動小数点数。
  • byte b[4];: 4つのバイトからなる配列。
  • unionを使うと、fとbが同じメモリ領域を共有します。これにより、bにバイト列を書き込むと、fからそのバイト列をfloat値として読み出すことができるようになります。これは、memcpy()関数を使うよりも直感的でエンディアンの問題を意識しやすい方法です。
• Serial.begin(9600);: Python側と同じボーレートでシリアル通信を開始します。
• if (Serial.available() >= 4): シリアル受信バッファに4バイト以上のデータが来たら、データ受信処理を実行します。Pythonから正確に4バイト送られてくることを想定しています。
• for (int i = 0; i < 4; i++) { data.b[i] = Serial.read(); }: 受信した4バイトをFloatConverterユニオンのb配列に順番に格納します。Python側でリトルエンディアンでパックしているため、Arduino側もリトルエンディアンでデータを読み込む必要がありますが、Arduinoのbyte配列への直接読み込みは、通常アーキテクチャのエンディアンに依存せず正しい順序で格納されます。
• Serial.println(data.f, 6);: data.fにアクセスすることで、受信したバイト列がfloat値として解釈され、シリアルモニタに出力されます。, 6は小数点以下6桁まで表示する指定です。

ハマった点やエラー解決

PythonとArduino間でバイト列通信を行う際には、いくつかの点で問題が発生しやすいです。

1. 送受信のBaud rate不一致

• 問題: PythonスクリプトとArduinoスケッチでSerial.begin()やserial.Serial()のボーレートが異なると、通信が成立しません。文字化けしたり、データが全く届かなかったりします。
• 解決策: Pythonコードのser = serial.Serial('COM3', 9600, timeout=1)と、ArduinoスケッチのSerial.begin(9600)の9600のようなボーレート値を完全に一致させます。

2. struct.pack()のフォーマット指定子誤り

• 問題: Arduinoのfloat型は32ビット（4バイト）ですが、Python側でstruct.pack('<d', value)のように倍精度浮動小数点数（d、8バイト）としてパックしてしまうと、Arduinoは4バイトしか受け取らないため、データが足りず、全く異なる値になってしまいます。
• 解決策: Python側では必ず単精度浮動小数点数を示す'f'を使用します。struct.pack('<f', value_f)のように指定しましょう。

3. エンディアンの不一致

• 問題: ほとんどのPC (x86/x64) やArduino (AVR) はリトルエンディアンですが、もしPythonを実行する環境がビッグエンディアンだったり、Arduinoのマイコンがビッグエンディアンの場合、バイトの並び順が逆になり、正しく小数値を復元できません。
• 解決策:
  • Python側で明示的にエンディアンを指定します。リトルエンディアンなら'<f'、ビッグエンディアンなら'>f'。
  • Arduino側でバイト列を受け取った後、必要に応じてreverse_bytes()のような関数でバイト順を反転させてからunionに格納する処理を追加します。しかし、ほとんどのケースではPythonとArduinoはリトルエンディアンで統一されているため、この問題に直面することは少ないでしょう。

4. データの欠損・オーバーラン

• 問題: Pythonが連続して高速にデータを送信すると、Arduino側のシリアル受信バッファがオーバーフローしてデータが欠損したり、一部のバイトが欠けてしまうことがあります。特にdelay()を使わないでループでデータを送り続けると発生しやすいです。
• 解決策:
  • Python側: time.sleep()を使って送信間隔を適切に設けることで、Arduinoがデータを処理する時間を確保します。
  • Arduino側: 受信バッファの監視をより厳密にするか、特定の開始/終了マーカー文字を付加して、完全なデータパケットが届いたことを確認してから処理するロジックを実装します。

解決策（データ欠損対策の例）

Arduino側でより堅牢にデータを受信する例として、特定の開始マーカーと終了マーカーを使ってデータパケットを識別する方法があります。これにより、途中でデータが欠損しても次の正しいパケットから処理を再開しやすくなります。

Arduino

// Arduino IDEに書き込むスケッチ（データ欠損対策強化版）

union FloatConverter {
  float f;
  byte b[4];
};

FloatConverter data;
const byte START_MARKER = '<'; // 開始マーカー
const byte END_MARKER = '>';   // 終了マーカー
byte receivedBytes[4];         // 受信用バッファ
int byteCount = 0;             // 受信したバイト数

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  while (!Serial);
  Serial.println("Arduino Ready. Waiting for float data with markers...");
}

void loop() {
  if (Serial.available() > 0) {
    byte incomingByte = Serial.read();

    if (incomingByte == START_MARKER) {
      byteCount = 0; // 開始マーカーを受け取ったらカウンタをリセット
    } else if (incomingByte == END_MARKER) {
      if (byteCount == 4) { // 4バイトすべて受信していたら
        // 受信したバイトをunionにコピー
        for (int i = 0; i < 4; i++) {
          data.b[i] = receivedBytes[i];
        }
        Serial.print("Received float: ");
        Serial.println(data.f, 6);
      } else {
        Serial.println("Error: Incomplete data packet received.");
      }
      byteCount = 0; // 終了マーカーを受け取ったらカウンタをリセット
    } else {
      // 開始マーカーと終了マーカーの間に来るデータバイト
      if (byteCount < 4) {
        receivedBytes[byteCount] = incomingByte;
        byteCount++;
      }
    }
  }
}

このArduinoスケッチに対応するPythonコードも、開始/終了マーカーを追加するように変更する必要があります。

Python

import serial
import struct
import time

ser = serial.Serial('COM3', 9600, timeout=1)

def send_float_to_arduino_with_markers(value_f):
    """
    Pythonのfloat値をArduinoに送信する関数（マーカー付き）
    Args:
        value_f (float): 送信する小数値
    """
    packed_data = struct.pack('<f', value_f)

    # 開始マーカー、バイト列、終了マーカーを送信
    ser.write(b'<') # 開始マーカー
    ser.write(packed_data)
    ser.write(b'>') # 終了マーカー

    print(f"送信データ: {value_f} (バイト列: {packed_data.hex()})")

if __name__ == "__main__":
    time.sleep(2)

    test_values = [3.14159, -0.00123, 1234.567, 0.0]

    for val in test_values:
        send_float_to_arduino_with_markers(val)
        time.sleep(1)

    ser.close()
    print("シリアルポートを閉じました。")

このマーカーを用いた方法は、データの信頼性を向上させるための一般的なアプローチです。

まとめ

本記事では、PythonとArduino間で小数値（浮動小数点数）を効率的かつ正確にやり取りするためのデータ成形・送受信方法について解説しました。

• Pythonのstructモジュールを活用: 小数値をstruct.pack('<f', value)を使って32ビット単精度浮動小数点数（4バイト）のバイト列に変換することで、データ量と処理オーバーヘッドを削減しました。
• Arduinoのunion構造体でバイト列を復元: 受信した4バイトのデータをunionのバイト配列に格納し、そのunionのfloatメンバーにアクセスすることで、元の小数値を簡単に復元できることを示しました。
• 通信の信頼性向上: ボーレートの一致、struct.packのフォーマット指定子の正確性、そして開始/終了マーカーを用いたデータパケットの識別といった点に注意することで、より堅牢な通信システムを構築できることを学びました。

この記事を通して、PythonとArduino間の小数値連携の課題を克服し、より高度なプロジェクトに挑戦できるようになったかと思います。

今後は、複数の小数値をまとめて送る方法、チェックサムを用いたデータ整合性のさらなる確保、あるいは双方向通信の実現など、発展的な内容についても検討してみると良いでしょう。

参考資料

• Python structモジュール公式ドキュメント: https://docs.python.org/ja/3/library/struct.html
• PySerial公式ドキュメント: https://pyserial.readthedocs.io/en/latest/
• Arduino Serialリファレンス: https://www.arduino.cc/reference/en/language/functions/communication/serial/
• IEEE 754 浮動小数点数: https://ja.wikipedia.org/wiki/IEEE_754