測距センサ VL53L0X を用いた身長測定器

子供って長時間じっとできないので身長をはかるのってなかなか大変。。。
そこで低価格で高精度のセンサを見つけたので場所と時間を取らない身長測定器をつくりました。

構成

距離センサ VL53L0X

標準が120cmで、広範囲モードで220cmくらいまでは測定できるようです。データシートを読みながらツイート https://t.co/iigUvPf5Gz

— 朱雀技研 (@suzakulab) 2016年8月19日

Pololu Time of Flight光学測距モジュール（最大200cm） VL53L0X 定電圧レギュレータ付き :Pololu-2490:朱雀技研工房ストア - 通販 - Yahoo!ショッピング

Yahoo!ショッピング

凄い広範囲なのに分解能1mmのセンサです！Arduino用ライブラリは以下にあります。
　https://github.com/pololu/vl53l0x-arduino

６軸モーションセンサ MPU6050

WeiKedz MPU-6050 使用３軸ジャイロスコープ・３軸加速度センサーモジュール

３軸ジャイロスコープと３軸加速度センサで姿勢情報をセンシングできます。今回は水平方向のx軸、y軸の加速度のみ使用して測定器の水平度を計測してます。しかしメチャクチャ安い！Arduino用ライブラリは以下にあります（MPU6050とI2Cdevを使用）。
　https://github.com/jrowberg/i2cdevlib/tree/master/Arduino
LED（Neopixel）

NeoPixel RGB TAPE LED
akibaLED ピカリ館
測定器が非水平の時は赤く、水平の時は緑に光ります。

LCDディスプレイ
梅沢無線で￥４００！山積みにされてるのを購入。以下が参考になります。
　https://www.arduino.cc/en/Tutorial/HelloWorld
マイコンArduino Nano互換品

HiLetgo Nano V3.0 ATmega328P 5V 16M CH340 Arduinoと互換 Nano V3 ケーブルなし並行輸入品
激安の互換品を使用してます
測定ボタン(タクトスイッチ)
押すことで動作モードを変更します。

測定器

センサ VL53L0Xを木箱の底に配置し距離を測定します。距離はLCDディスプレイに表示されます。
木箱内部にマイコンArduino Nanoと６軸モーションセンサMPU6050に配置し、電源には9V電池を使用しました。

MPU6050の水平方向の(重力)加速度を検出して測定器の水平具合を計測し、水平時にLEDが緑色になります。

使い方

ディスプレイ表示

通常モード

電源スイッチを入れると起動し通常モードで動作します。通常モード時は常に距離を測定しディスプレイに表示されます。測定器が水平時にはLEDは緑に光り、非水平時は赤く光ります。

動画プレーヤー

Media error: Format(s) not supported or source(s) not found

ファイルをダウンロード: https://homemadegarbage.com/wp/wp-content/uploads/2016/09/VID_20160916_201545.mp4?_=1

00:00

ボリューム調節には上下矢印キーを使ってください。

測定モード

測定ボタン(タクトスイッチ)を押している間は測定モードとなります。測定器を頭に乗せて測定モードにしてから水平状態で距離が検出されるとLEDが青くひかり測定値が保持され身長が計測できます。

距離センサVL53L0Xで長女ちゃん身長測定 pic.twitter.com/1tMOndvOgy

— HomeMadeGarbage (@H0meMadeGarbage) 2016年9月16日

再度測定ボタンを押すと通常モードに戻ります。

Arduino IDE用コード

距離センサ VL53L0XはLONG_RANGEモードとHIGH_ACCURACYモードで使用。
距離は単位をcmにしてセンサ位置分補正してます(1mm)。

#include "I2Cdev.h"
#include "MPU6050.h"
#include <Adafruit_NeoPixel.h>
#include <VL53L0X.h>
#include <LiquidCrystal.h>

// Arduino Wire library is required if I2Cdev I2CDEV_ARDUINO_WIRE implementation
// is used in I2Cdev.h
#if I2CDEV_IMPLEMENTATION == I2CDEV_ARDUINO_WIRE
    #include "Wire.h"
#endif

int mode = 0;

MPU6050 accelgyro; // class default I2C address is 0x68
int16_t ax, ay, az;
int diffAccel = 100;

#define PIN            8
Adafruit_NeoPixel pixels = Adafruit_NeoPixel(1, PIN, NEO_GRB + NEO_KHZ800);

//LiquidCrystal lcd(RS[4], E[6], DB4[11], DB5[12], DB6[13], DB7[14]);
LiquidCrystal lcd(12, 11, 5, 4, 3, 2);
char s[16];

VL53L0X sensor;
float height;

// Uncomment this line to use long range mode. This
// increases the sensitivity of the sensor and extends its
// potential range, but increases the likelihood of getting
// an inaccurate reading because of reflections from objects
// other than the intended target. It works best in dark
// conditions.
#define LONG_RANGE


// Uncomment ONE of these two lines to get
// - higher speed at the cost of lower accuracy OR
// - higher accuracy at the cost of lower speed
//#define HIGH_SPEED
#define HIGH_ACCURACY

void setup() {
  // join I2C bus (I2Cdev library doesn't do this automatically)
  #if I2CDEV_IMPLEMENTATION == I2CDEV_ARDUINO_WIRE
    Wire.begin();
  #elif I2CDEV_IMPLEMENTATION == I2CDEV_BUILTIN_FASTWIRE
    Fastwire::setup(400, true);
  #endif

  Serial.begin(38400);

  pinMode(9, INPUT_PULLUP);

  pixels.begin();
  pixels.setBrightness(50);
  pixels.setPixelColor(0, pixels.Color(0,0,0));
  pixels.show();

  lcd.begin(16, 2);
  lcd.setCursor(0, 0);
  lcd.print("x");
  lcd.setCursor(9, 0);
  lcd.print("y");
  lcd.setCursor(0, 1);
  lcd.print("Height:");
  
  sensor.init();
  sensor.setTimeout(500);

  #if defined LONG_RANGE
  // lower the return signal rate limit (default is 0.25 MCPS)
    sensor.setSignalRateLimit(0.1);
    // increase laser pulse periods (defaults are 14 and 10 PCLKs)
    sensor.setVcselPulsePeriod(VL53L0X::VcselPeriodPreRange, 18);
    sensor.setVcselPulsePeriod(VL53L0X::VcselPeriodFinalRange, 14);
  #endif
    
  #if defined HIGH_SPEED
  // reduce timing budget to 20 ms (default is about 33 ms)
    sensor.setMeasurementTimingBudget(20000);
  #elif defined HIGH_ACCURACY
    // increase timing budget to 200 ms
    sensor.setMeasurementTimingBudget(200000);
  #endif

  // initialize device
  Serial.println("Initializing I2C devices...");
  accelgyro.initialize();

  // verify connection
  Serial.println("Testing device connections...");
  Serial.println(accelgyro.testConnection() ? "MPU6050 connection successful" : "MPU6050 connection failed");

  if(accelgyro.testConnection()){
    pixels.setPixelColor(0, pixels.Color(255,0,0));
    pixels.show();
  }

  // use the code below to change accel/gyro offset values
  accelgyro.setXAccelOffset(40); //0
  accelgyro.setYAccelOffset(-985);  //0
  accelgyro.setZAccelOffset(968); //16384    
}

void loop() {  
  //測定モード
  while(digitalRead(9) == 0 && mode == 0){
    // read raw accel
    accelgyro.getAcceleration(&ax, &ay, &az);
    lcd.setCursor(1, 0);
    lcd.print(dtostrf(ax,6,0,s));
    lcd.setCursor(10, 0);
    lcd.print(dtostrf(ay,6,0,s));

    if(abs(ax) < diffAccel && abs(ay) < diffAccel){
      pixels.setPixelColor(0, pixels.Color(0,255,0));
      pixels.show();
      if (sensor.timeoutOccurred() == 0) {
        //距離測定
        height = sensor.readRangeSingleMillimeters()/10.0 + 0.1; 
        lcd.setCursor(8, 1);
        if(height <= 220.0){
          lcd.print(dtostrf(height,5,1,s));
          pixels.setPixelColor(0, pixels.Color(0,0,255));
          pixels.show();
          mode = 1;
        }
      }
    }else{
      pixels.setPixelColor(0, pixels.Color(255,0,0));
      pixels.show();
    }
  } 

  //modeリセット
  if(digitalRead(9) == 1 && mode == 1){
    mode = 2;
    delay(100);
  }
  if(digitalRead(9) == 0 && mode == 2){
    mode = 0;
    delay(100);
  }

  //通常モード
  if(digitalRead(9) == 1 && mode == 0){
    // read raw accel
    accelgyro.getAcceleration(&ax, &ay, &az);
    lcd.setCursor(1, 0);
    lcd.print(dtostrf(ax,6,0,s));
    lcd.setCursor(10, 0);
    lcd.print(dtostrf(ay,6,0,s));
    
    if(abs(ax) < diffAccel && abs(ay) < diffAccel){
      pixels.setPixelColor(0, pixels.Color(0,255,0));
      pixels.show();
    }else{
      pixels.setPixelColor(0, pixels.Color(255,0,0));
      pixels.show();
    }
  
    if (sensor.timeoutOccurred() == 0) {
      //距離測定
      height = sensor.readRangeSingleMillimeters()/10.0 + 0.1;
      Serial.print(height); Serial.print("\t"); 
      lcd.setCursor(8, 1);
      if(height <= 220.0){
        lcd.print(dtostrf(height,5,1,s));
      }
    }
  }
}

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#include "I2Cdev.h"

#include "MPU6050.h"

#include <Adafruit_NeoPixel.h>

#include <VL53L0X.h>

#include <LiquidCrystal.h>

// Arduino Wire library is required if I2Cdev I2CDEV_ARDUINO_WIRE implementation

// is used in I2Cdev.h

#if I2CDEV_IMPLEMENTATION == I2CDEV_ARDUINO_WIRE

#include "Wire.h"

#endif

int mode = 0;

MPU6050 accelgyro; // class default I2C address is 0x68

int16_t ax, ay, az;

int diffAccel = 100;

#define PIN 8

Adafruit_NeoPixel pixels = Adafruit_NeoPixel(1, PIN, NEO_GRB + NEO_KHZ800);

//LiquidCrystal lcd(RS[4], E[6], DB4[11], DB5[12], DB6[13], DB7[14]);

LiquidCrystal lcd(12, 11, 5, 4, 3, 2);

char s[16];

VL53L0X sensor;

float height;

// Uncomment this line to use long range mode. This

// increases the sensitivity of the sensor and extends its

// potential range, but increases the likelihood of getting

// an inaccurate reading because of reflections from objects

// other than the intended target. It works best in dark

// conditions.

#define LONG_RANGE

// Uncomment ONE of these two lines to get

// - higher speed at the cost of lower accuracy OR

// - higher accuracy at the cost of lower speed

//#define HIGH_SPEED

#define HIGH_ACCURACY

void setup() {

// join I2C bus (I2Cdev library doesn't do this automatically)

#if I2CDEV_IMPLEMENTATION == I2CDEV_ARDUINO_WIRE

Wire.begin();

#elif I2CDEV_IMPLEMENTATION == I2CDEV_BUILTIN_FASTWIRE

Fastwire::setup(400, true);

#endif

Serial.begin(38400);

pinMode(9, INPUT_PULLUP);

pixels.begin();

pixels.setBrightness(50);

pixels.setPixelColor(0, pixels.Color(0,0,0));

pixels.show();

lcd.begin(16, 2);

lcd.setCursor(0, 0);

lcd.print("x");

lcd.setCursor(9, 0);

lcd.print("y");

lcd.setCursor(0, 1);

lcd.print("Height:");

sensor.init();

sensor.setTimeout(500);

#if defined LONG_RANGE

// lower the return signal rate limit (default is 0.25 MCPS)

sensor.setSignalRateLimit(0.1);

// increase laser pulse periods (defaults are 14 and 10 PCLKs)

sensor.setVcselPulsePeriod(VL53L0X::VcselPeriodPreRange, 18);

sensor.setVcselPulsePeriod(VL53L0X::VcselPeriodFinalRange, 14);

#endif

#if defined HIGH_SPEED

// reduce timing budget to 20 ms (default is about 33 ms)

sensor.setMeasurementTimingBudget(20000);

#elif defined HIGH_ACCURACY

// increase timing budget to 200 ms

sensor.setMeasurementTimingBudget(200000);

#endif

// initialize device

Serial.println("Initializing I2C devices...");

accelgyro.initialize();

// verify connection

Serial.println("Testing device connections...");

Serial.println(accelgyro.testConnection() ? "MPU6050 connection successful" : "MPU6050 connection failed");

if(accelgyro.testConnection()){

pixels.setPixelColor(0, pixels.Color(255,0,0));

pixels.show();

}

// use the code below to change accel/gyro offset values

accelgyro.setXAccelOffset(40); //0

accelgyro.setYAccelOffset(-985); //0

accelgyro.setZAccelOffset(968); //16384

}

void loop() {

//測定モード

while(digitalRead(9) == 0 && mode == 0){

// read raw accel

accelgyro.getAcceleration(&ax, &ay, &az);

lcd.setCursor(1, 0);

lcd.print(dtostrf(ax,6,0,s));

lcd.setCursor(10, 0);

lcd.print(dtostrf(ay,6,0,s));

if(abs(ax) < diffAccel && abs(ay) < diffAccel){

pixels.setPixelColor(0, pixels.Color(0,255,0));

pixels.show();

if (sensor.timeoutOccurred() == 0) {

//距離測定

height = sensor.readRangeSingleMillimeters()/10.0 + 0.1;

lcd.setCursor(8, 1);

if(height <= 220.0){

lcd.print(dtostrf(height,5,1,s));

pixels.setPixelColor(0, pixels.Color(0,0,255));

pixels.show();

mode = 1;

}

}else{

pixels.setPixelColor(0, pixels.Color(255,0,0));

pixels.show();

}

//modeリセット

if(digitalRead(9) == 1 && mode == 1){

mode = 2;

delay(100);

}

if(digitalRead(9) == 0 && mode == 2){

mode = 0;

delay(100);

}

//通常モード

if(digitalRead(9) == 1 && mode == 0){

// read raw accel

accelgyro.getAcceleration(&ax, &ay, &az);

lcd.setCursor(1, 0);

lcd.print(dtostrf(ax,6,0,s));

lcd.setCursor(10, 0);

lcd.print(dtostrf(ay,6,0,s));

if(abs(ax) < diffAccel && abs(ay) < diffAccel){

pixels.setPixelColor(0, pixels.Color(0,255,0));

pixels.show();

}else{

pixels.setPixelColor(0, pixels.Color(255,0,0));

pixels.show();

}

if (sensor.timeoutOccurred() == 0) {

//距離測定

height = sensor.readRangeSingleMillimeters()/10.0 + 0.1;

Serial.print(height); Serial.print("\t");

lcd.setCursor(8, 1);

if(height <= 220.0){

lcd.print(dtostrf(height,5,1,s));

}

比較的高速で測定でき精度も高いので、これで落ち着きのない長男くんの身長でも簡単に測ることができます♪

動画プレーヤー

Media error: Format(s) not supported or source(s) not found

ファイルをダウンロード: https://homemadegarbage.com/wp/wp-content/uploads/2016/09/VID_20160916_195245_1.mp4?_=2

00:00

ボリューム調節には上下矢印キーを使ってください。

追記(16/9/23)

hackaday.com様にて紹介いただきました！

Hi-Tech Tool For Measuring Your Kid’s Height

Hackaday

動画プレーヤー

Media error: Format(s) not supported or source(s) not found

ファイルをダウンロード: https://homemadegarbage.com/wp/wp-content/uploads/2016/09/VIDEO0041.mp4?_=3

00:00

ボリューム調節には上下矢印キーを使ってください。

170cmくらいまではそれなりの精度で測れてます。180cm超えると誤差大きくなりますね。。。水平度測るセンサMPU6050の値平均化してノイズ除去とか　まだまだ詰めれそうです。

追記(16/9/26)

Adafruit様のブログで取り上げていただきました。

This Build Makes Measuring Height Simple #ArduinoMonday

Adafruit Industries - Makers, hackers, artists, designers and engineers!

追記(16/9/28)

各所で取り上げていただき感謝です！

EngineersGarage様

Measuring Height With The Help Of VL53L0X
www.engineersgarage.com

electronics-lab様

Using VL53L0X With Arduino to Measure Height - Electronics-Lab
Electronics-Lab

なんと本家Arduino様やAtmel様もTweetくださいました！！

Save your walls from pencil marks! Measure your kid’s height using an Arduino and distance sensor: https://t.co/KTvi8L0dBT pic.twitter.com/OiHeTdBMsO

— Arduino (@arduino) 2016年9月21日

Don’t want to pencil your walls? Try this height-measuring Arduino device instead: https://t.co/WOomZpaUHS pic.twitter.com/ZvidD67YTn

— Atmel Corporation (@Atmel) 2016年9月22日