圧電ブザーとWiFiマイコンで簡易型の振動FFT装置を作った

圧電ブザーを振動ピックアップにしてWiFiマイコン（ESP-WROOM-02）でFFT演算を行い、スマホのブラウザに結果を表示します。



機能と特徴
・市販の圧電ブザー（ピエゾ素子）を振動ピックアップとして使いました。
　通常、ブザーは電圧を振動に変換しますが、この逆の作用を利用しています。
・振動を計測してマイコンでFFT演算を行います。
・WiFi経由でスマホから直接マイコンにアクセスして操作し、結果を閲覧します。
・圧電ブザーを利用することで、簡易的ながら非常に安価に振動FFTができました。

FFT結果の例が以下の図です。
自宅の洗濯機に取り付けて計測した際のスマホ画面のスクリーンショットです。
本来は洗濯中より脱水中の方が回転が速いのではと思いましたが、逆の結果になりました。あまり深くは考えないことにします。
少なくとも、運転状態の違いが検出できています。

注水中（モータOFF）・・・特にピークなし

洗濯中・・・約25Hzとその２倍でピークあり

脱水中・・・約14Hzとその整数倍でピークあり

使用した部品は以下の通りです。
価格はおおよそで、若干高めに見ている部品もあります。
合計3000円と非常に安くできました。

動作の概要
1) ピックアップで拾われた振動電圧はアンプで増幅され、マイコンのADコンバータへ入力されています。
2) マイコンはWiFiアクセスポイントとなりスマホから接続され、同時にWEBサーバとして待機しておりスマホブラウザからのアクセスに対してページを返します。
3) スマホブラウザからのアクセスがあった時、ADコンバータからの振動電圧を読みとってFFT演算を行い、結果表示のデータを返します。


FFTの演算はArduinoFFTライブラリ（kosme氏）を利用しました。内部の演算やパラメータには深入りしていません。FFT結果の再現性がイマイチで、平均化処理等をすれば改善するような気がしますが試していません。

オペアンプの増幅についてはほぼデータシートにあった作例通りですが、アマチュアですので本当に正しくできているか微妙です。ゲインは20倍で、ADコンバータのレンジ（0～1V）をオーバーするため抵抗で分圧しました。
あと振動なので交流ですが、正負のうち正の波形しか入力できていないと思います。

とにかく安価で簡易的にできればよかったので、上記の細かい点は気にせず、それらしく動くことだけに注力しました。とりあえず動いたのでこれでOK！

あと、スマホブラウザへの結果表示は、グラフ描画はプログラムが大変そうだったのでテキストのみで表現するよう工夫しました。


丸いのが圧電ブザー。

ブレッドボードにオペアンプ等の回路を組んだものと、ESP-WROOM-02開発ボード。

黒い四角いのが電池ボックスで100均で見つけて買ったのですが、これでなんと5V昇圧回路が入っています。
圧電ブザーは両面テープで接着しました。

参考にさせていただいた主な記事
・ArduinoFFTライブラリ
・WIFI-TNGとESP-WROOM-02で始めるWIFI Arduino


Arduinoプログラム
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/*
これ（FFT_03）を少し改造した
http://platformio.org/lib/show/1651/arduinoFFT
これもほぼコピーした
http://qiita.com/tadfmac/items/17448a2d96bd56373a66
上記２つを組み合わせた。
*/

#include "arduinoFFT.h"
#include <ESP8266WiFi.h>
#include <WiFiClient.h> 
#include <ESP8266WebServer.h>

//ESP-WROOM-02でアナログ入力をするために必要
extern "C" {
#include "user_interface.h"
}

const char *ssid = "XXXXXX"; // WiFiアクセスポイントのSSID　好きな文字列で設定
const char *password = "YYYYYY"; // 同上パスワード　好きな文字列で設定
ESP8266WebServer server(80);

arduinoFFT FFT = arduinoFFT(); /* Create FFT object */
/*
These values can be changed in order to evaluate the functions
*/
//#define CHANNEL A0
const uint16_t samples = 64; //This value MUST ALWAYS be a power of 2
double samplingFrequency = 200;
unsigned int delayTime = 0;

/*
These are the input and output vectors
Input vectors receive computed results from FFT
*/
double vReal[samples];
double vImag[samples];

double freq[32];
double mag[32];

#define SCL_INDEX 0x00
#define SCL_TIME 0x01
#define SCL_FREQUENCY 0x02

void setup()
{
  if(samplingFrequency<=1000)
    delayTime = 1000/samplingFrequency;
  else
    delayTime = 1000000/samplingFrequency;
//  Serial.begin(115200);
//  Serial.println("Ready");

  pinMode(2,OUTPUT);
  delay(1000);
  Serial.begin(115200);
  Serial.println();
  Serial.print("Configuring access point...");
  WiFi.softAP(ssid, password);
  IPAddress myIP = WiFi.softAPIP();
  Serial.print("AP IP address: ");
  Serial.println(myIP);
  server.on("/", handleRoot);
  server.on("/fft", showFFT); //マイコンのIPアドレス/fft にスマホブラウザからアクセス。
  server.begin();
  Serial.println("HTTP server started");
}

void loop()
{
  server.handleClient();
}

void handleRoot() {
    server.send(200, "text/html", "<h1>You are connected</h1>");
}

void showFFT(){
  digitalWrite(2,HIGH); //計測&演算中にLEDを点灯させる
  for(uint16_t i =0;i<samples;i++)
  {
//    vReal[i] = double(analogRead(CHANNEL));
    vImag[i] = 0;
    vReal[i] = double( system_adc_read() );
    if(samplingFrequency<=1000)
      delay(delayTime);
    else
      delayMicroseconds(delayTime);
  }
  /* Print the results of the sampling according to time */
  Serial.println("Data:");
  PrintVector(vReal, samples, SCL_TIME);
  FFT.Windowing(vReal, samples, FFT_WIN_TYP_HAMMING, FFT_FORWARD);  /* Weigh data */
  Serial.println("Weighed data:");
  PrintVector(vReal, samples, SCL_TIME);
  FFT.Compute(vReal, vImag, samples, FFT_FORWARD); /* Compute FFT */
  Serial.println("Computed Real values:");
  PrintVector(vReal, samples, SCL_INDEX);
  Serial.println("Computed Imaginary values:");
  PrintVector(vImag, samples, SCL_INDEX);
  FFT.ComplexToMagnitude(vReal, vImag, samples); /* Compute magnitudes */
  Serial.println("Computed magnitudes:");
  PrintVector(vReal, (samples >> 1), SCL_FREQUENCY);
  double x = FFT.MajorPeak(vReal, samples, samplingFrequency);
  Serial.println(x, 6);
//  while(1); /* Run Once */
//  delay(10000);

// ブラウザへの結果表示（テキストのみでグラフっぽく）
  String s = "Freq[Hz}<br>";
  for (uint16_t i = 0; i < 32; i++)
  {
    s += String(freq[i]) + "  ";
    for (int j = 0; j < int(mag[i]/20); j++)
    {
      s += "*";
      if(j > 50){
        s += "OVER";
        break;
      }
    }
    s += "<br>";
  }

  server.send(200, "text/html", s );
  digitalWrite(2,LOW);
}

void PrintVector(double *vData, uint8_t bufferSize, uint8_t scaleType)
{
  for (uint16_t i = 0; i < bufferSize; i++)
  {
    double abscissa;
    /* Print abscissa value */
    switch (scaleType)
    {
      case SCL_INDEX:
        abscissa = (i * 1.0);
break;
      case SCL_TIME:
        abscissa = ((i * 1.0) / samplingFrequency);
break;
      case SCL_FREQUENCY:
        abscissa = ((i * 1.0 * samplingFrequency) / samples);
break;
    }
    Serial.print(abscissa, 6);
    Serial.print(" ");
    Serial.print(vData[i], 4);
    Serial.println();

    freq[i] = abscissa;
    mag[i] = vData[i];
  }
  Serial.println();
}

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