PIDI-BOX01: JLCPCBがRaspberry Pi Zero 2WでモジュラーDINレールコントローラを可能にした方法
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- Raspberry Pi Zero 2Wによるガーデン灌漑の自動化：固定I/Oでは不足するとき
- 課題：成長が必要な灌漑システム
- 解決策：DINレール上のモジュラーI2Cアーキテクチャ
- コントローラモジュール：小さな筐体に詰まった豊富なハードウェア
- 拡張モジュール：必要な分だけ追加
- JLCPCBがプロジェクトを現実にした理由
- 結果：4年間ノートラブル灌漑
- オープンソース、すぐに複製可能
- こうしてスケーラブルなコントローラは完成する
Raspberry Pi Zero 2Wによるガーデン灌漑の自動化：固定I/Oでは不足するとき
4年前、豊富なハードウェア開発経験を持つドイツ人の電子設計エンジニア、ヴォルフガング・マンスフェルド氏は、自宅のガーデン灌漑を自動化する商用ソリューションを探していました。しかし、自身のニーズに合うものは見つかりませんでした。そこで、自分で作ることにしたのです。
最初のプロトタイプは動作しましたが、PCBの製造コストが高く、イテレーションを続ける大きな障壁となっていました。そんな中、JLCPCBをKiCadコミュニティ経由で発見し、プロジェクトは新たな次元へ。Raspberry Pi Zero 2Wを基盤とした、完全にモジュラーでオープンソースのDINレールコントローラ「PIDI-BOX01」が誕生しました。
PIDI-BOX01 モジュラーDINレールコントローラ（Raspberry Pi Zero 2W搭載）をJLCPCBで製造
課題：成長が必要な灌漑システム
自動ガーデンは一度に完成しません。最初は2つの電磁弁から始まり、湿度センサーを追加し、温度プローブを足し、気づけば10個のデバイスを制御する必要がありながら、コントローラは6ポートしかない、という状況に。
最初は別のコントローラを増設しようとしましたが、結果としてつなぎ合わせた構成となり、メンテナンスが困難でコストも無駄にかさむものでした。発想を転換する必要がありました。
解決策：DINレール上のモジュラーI2Cアーキテクチャ
PIDI-BOX01モジュラーI2CバスがDINレール上で拡張モジュールを接続
ヴォルフガング氏はPIDI-BOX01を、Raspberry Pi Zero 2Wを中核とし、すべての拡張モジュールを6ピン共有I2Cバスで接続するという明確な前提で設計しました。これにより、リレーや光入力、アナログチャンネルが必要になったときに、単にレールに新モジュールを差し込むだけで追加でき、システムの再設計や完全な再配線は不要です。
すべての電子回路はDINレールに取り付け可能なCamdenboss CNMB筐体に収められています。PCBは筐体にぴったり収まる寸法で設計されており、Camdenboss筐体を加工する必要はありません。
コントローラモジュール：小さな筐体に詰まった豊富なハードウェア
PIDI-BOX01 Raspberry Pi Zero 2WコントローラPCB（KiCad設計）
コントローラモジュールはRaspberry Pi Zero 2Wを収め、システム起動に必要な機能をすべて集約しています。
| コンポーネント | 仕様 |
|---|---|
| DC/DCコンバータ | 12V→5V 3A |
| RTC | DS3132 + CR2032電池 |
| 電源 | 10–28V DC / USB-C 5V |
| ディスプレイ | OLED 128×64 |
| 操作部 | タクトスイッチ3個 + 裏面実装LED6個 |
| I/O | 光デジタル1系統、1-Wire1系統、UART1系統、I2C IDC6ピン1系統 |
| 配線 | 26–12AWG端子台 |
拡張モジュール：必要な分だけ追加
Raspberry Pi Zero 2Wはシステムのブレインですが、単体では大したことはできません。PIDI-BOX01の面白い点は、各拡張モジュールをI2Cバスに差し込むだけで、既存の動作に影響を与えることなく自動認識されることです。リレー増設、アナログ入力追加、センサー増設は、必要になってから行えばよく、事前に用意する必要はありません。
6chリレーモジュール
PCF8574Aエキスパンダで6つの独立チャンネルを制御。電源投入時はすべてOFF（ビット7）で始まり、前面パネルに6つのテストボタンとステータスLEDを装備し、ソフトウェアやコントローラ接続なしに各出力を確認できます。
6ch光入力モジュール
同じPCF8574Aアーキテクチャを採用しながら、光絶縁入りの読み取り専用設計。12V産業用センサーを接続し、バスへの干渉リスクを排除するのに最適です。
4ch ADCモジュール（ADS1115）
プラットフォームで最も洗練されたコンポーネント。4系統のアナログ入力はシステムに対して電位フリー、I2CバスはAnalog Devices ADUM1250で絶縁、センサー給電用に4–8V 200mAの内部電源を搭載。I2Cアドレスを0x48–0x4Bの4種から選択できるA2版もあり、同一バスに最大4枚のADCモジュールを設置可能です。
JLCPCBがプロジェクトを現実にした理由
PIDI-BOX01 PCB、JLCPCB製造、KiCadオープンソースDINレールハードウェア
以前のバージョンでは、PCB製造コストが開発を続ける最大のブレーキでした。ヴォルフガング氏は手頃なソリューションを求め、2024年にKiCadコミュニティでJLCPCBを発見。それ以降30枚以上のPCBを発注しています。
価格だけでなく、寸法精度の高さによりモジュールを余計なケーブルなしで組み立てられること、表面仕上げの質の高さにより183℃リフローでも問題なくSMD実装できること、Gerberに誤りがあればJLCPCB技術サポートが指摘してくれ修正データをすぐに再アップロードできることなどが評価されています。
はんだペーストの塗布には、必ずJLCPCBのステンシルをご利用ください。必要な形状ですぐに発注できます。
結果：4年間ノートラブル灌漑
PIDI-BOX01は実験室のプロトタイプではありません。複数のシーズンにわたり、リレーによる電磁弁制御、アナログセンサー読み取り、RTCタイマー管理、1-Wire・I2C環境センシングを実環境で稼働させ続けています。すべて低電圧：デジタルI/Oは最大24V、リレー接点は最大48V、全入力に両方向TVSによるESD保護を配置。すべてのモジュールが現役で動作中です。
「フォーラムでJLCPCBを見つけられて本当に良かった。予算の負担が大幅に軽くなりました。」
— ヴォルフガング・マンスフェルド、プロジェクト作者
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オープンソース、すぐに複製可能
プロジェクト全体がGitHubでオープンソース公開：KiCad回路図、PCBデータ、Gerber、前面パネル設計データすべて揃っています。共に開発・利用いただけるコントリビューターを募集しています。
GitHub: github.com/zero-pidi-box/PIDI-BOX01-X-ZERO
お問い合わせ: PIDI-BOX01@GMX.NET
こうしてスケーラブルなコントローラは完成する
ヴォルフガング氏は市場に求めるものが見つからなかったので、自分で作った。4年後、システムはガーデンを灌漑し続け、モジュールは現役で、すべてのファイルはGitHubに公開され誰でも複製可能だ。
JLCPCBのおかげで予算を気にせずイテレーションでき、30枚以上の発注がそれを証明。PIDI-BOX01を自作したい方は、Gerberデータがすでに揃っているので、今日すぐJLCPCBで発注できます。
学び続ける
PIDI-BOX01: JLCPCBがRaspberry Pi Zero 2WでモジュラーDINレールコントローラを可能にした方法
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