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Wi-Fiマイコンで作るIoTエッジ　OpenAI APIの活用


エッジ・デバイスの通信フロー

ChatGPTサーバと送受信するコマンドの詳細

図1　Wi-Fiマイコン Pico Wで，センサ・データをChatGPTクラウドに送信し，サーバからのレスポンスをOLEDに表示するIoTエッジを製作．［著・提供］後閑 哲也．画像クリックで動画を見る．または記事を読む．詳細は［VOD/KIT/Book］ラズパイPico W×ChatGPT APIで学ぶ 会話型IoTエッジ開発 超入門

ChatGPTとWi-Fiマイコンを使ったIoTエッジ開発

1．ChatGPTとWi-Fiマイコンの連携

IoTエッジ開発では，マイコンを利用してクラウドとデータの送受信を行うことが重要です．ChatGPTの自然言語処理を活用することで，エッジ・デバイスでのインタラクティブな応答や操作を実現できます．

Wi-Fiモジュールを使い，I$^2$C通信で各種センサから取得したデータをクラウドに送信し，サーバからのレスポンスを受け取って表示することができます．例えば，クイズの出題や解答をChatGPTに依頼し，その結果をOLEDディスプレイに表示するIoTエッジを製作できます．

2．エッジ・デバイスの通信フロー

クイズ出題システムでは，以下のブロック構成でデータの送受信が行われます．

  1. ラズベリー・パイ Pico WなどのWi-Fi接続マイコン
  2. 温湿度データを取得し，I$^2$C通信で送信するセンサ群．例えばBME280
  4. ChatGPTからの応答を表示するディスプレイ（OLEDのSSD1306など）
  5. OpenAIのAPI経由でクラウドと通信する処理

通信の流れ

  1. 初期化：Wi-Fiアクセス・ポイントに接続
  2. クイズ出題のリクエスト：スイッチS1を押すと，ChatGPTにクイズ出題を依頼
  3. 応答の表示:クイズ内容をOLEDディスプレイに表示
  4. 解答依頼：S2スイッチを押すと，ChatGPTに解答を依頼し表示

3．OpenAI APIの活用とマイコンのプログラミング・ポイント

OpenAI APIを活用するには，APIキーを取得し，各種モデル（例：GPT-3.5，GPT-4）を選定する必要があります．ラズベリー・パイ Pico Wでのプログラムでは，MicroPythonを使い，APIとの通信をシンプルに実装します．

  1. APIキーの取得
    2. https://openai.com/から取得し，マイコン・プログラムに組み込みます．
  2. クイズ出題と解答の流れ
    3. APIリクエストのボディ部に，ユーザ・メッセージをJSONで送信します．これにより，会話の流れを保ったまま自然な対話が可能になります．

4．キーワード

OpenAIのAPIとエッジ・デバイス開発の可能性

OpenAIのAPIは，さまざまなモデル（GPT-3.5，GPT-4，Whisper，DALL-E）を活用することで，IoTデバイスに新しいインタラクティブな機能を提供します．これにより，従来のセンサやデバイスに自然言語の応答機能が追加され，エッジ・コンピューティングがさらに進化します．

  1. JSON形式の重要性
    2. JSONは，サーバとエッジ・デバイス間の通信において，データを柔軟かつシンプルに扱えるフォーマットです．JSONの可読性と拡張性は，MicroPython環境でもそのまま活用できるため，IoT開発に最適です．

  2. I$^2$C通信の役割
    3. I$^2$C（Inter-Integrated Circuit）は，デバイス間のデータ通信に使われるシリアル通信方式で，センサからのデータ取得に頻繁に用いられます．今回のシステムでは，BME280センサがI$^2$C経由で温湿度データを提供します．

  3. Wi-Fiとクラウド連携のメリット
    4. ラズベリー・パイ Pico WのようなWi-Fi対応マイコンを使うことで，クラウドとのリアルタイムな通信が可能になります．ChatGPTとの連携により，音声認識やクイズ出題のような高度な機能も容易に実装でき，ユーザ体験の向上に寄与します．

このように，ChatGPTを活用したIoTエッジ開発は，AIの力でエッジ・デバイスのインタラクティブ性を高める新しい可能性を提供します．センサからのデータ取得，APIを使った自然言語の応答，Wi-Fi通信によるクラウドとの連携を組み合わせることで，これまでにないユーザ体験が実現されるでしょう．〈著：ZEPマガジン〉

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チャプタ・リスト

著者紹介

  • 1971年　東北大学　工学部卒　大手通信機メーカにて制御機器開発に従事
  • 1996年　ホームページ「電子工作の実験室」を開設
  • 2003年　有限会社マイクロチップ・デザインラボ設立　代表取締役 計測制御システムコンサルタント，書籍執筆　セミナ講師
  • 2012年　神奈川工科大学　工学部　客員教授

著書

  1. ［VOD/KIT］PICマイコン オールイン1日学習キット ，ZEPエンジニアリング株式会社．
  2. ［VOD/Pi KIT］ラズベリー・パイで学ぶLinux＆Pythonプログラミング超入門，ZEPエンジニアリング株式会社．
  3. ［VOD/Pi KIT］ラズパイ×Node-REDで作ろう！IoTアプリ開発入門，ZEPエンジニアリング株式会社．
  4. 電子工作のための PIC16F1ファミリ活用ガイドブック，技術評論社．

参考文献

  1. ［VOD/KIT］STM32マイコン＆Wi-Fiモジュールで学ぶ C/C++プログラミング入門，ZEPエンジニアリング株式会社．
  2. ［VOD/KIT］M5Stack Core2付き！ESP32で学ぶPython＆Arduinoプログラミング入門，ZEPエンジニアリング株式会社．
  3. ［VOD/KIT］STM32マイコン＆Wi-Fiモジュールで学ぶ C/C++プログラミング入門，ZEPエンジニアリング株式会社．
  4. ［VOD/KIT］M5Stackで一緒に作ろう！IoTセンシング・エッジ×クラウド連携システム開発［改訂版］，ZEPエンジニアリング株式会社．
  5. ［VOD/KIT］実習キットでできる！ラズパイPicoでマイコン入門，ZEPエンジニアリング株式会社．
  6. ［VOD/KIT］LabVIEW×Arduino！初めてのパソコン計測＆制御【改訂版】，ZEPエンジニアリング株式会社．