Raspberry Pi Zero WでJupyter Notebookを起動し、MacからUSB経由でPythonコードでLチカする

1. 背景

初心者でもお手軽に、Raspberry Pi Zero W上でPythonプログラムでLEDを光らせられる環境を構築する。作るまではある程度手間だけど、できてしまえばUSB接続したRaspberry PiをJupyter NotebookのPythonプログラムで操作できる。

前提となる環境は以下の通り。

• Raspberry Pi Zero W
• ホストはMac
• USB接続

USB接続にこだわったのは、使用環境がネットワークに依存しないようにしたかったから。

Windows10でもできるように検討したが、現状ではUSB接続にするとドライバのインストールや設定が大変で、とてもでないが初心者にオススメできないので諦めた。できなくはないが、普通にできても時間がかかる。簡単な方法があれば教えて欲しい。

2. SDカードの準備

2-1. イメージの取得

今回はこれを使う。
RASPBIAN Buster LITE
https://www.raspberrypi.org/downloads/raspbian/

2-2. SDカードにイメージを書き込む

SDカードをスロットに挿入する。

diskutil list

でSDカードのデバイスを調べてから、以下のコマンドを実行。
以降、SDカードのデバイスは/dev/disk2として説明する。

sudo diskutil umountDisk /dev/disk2
sudo dd bs=1m if=./2019-07-10-raspbian-buster-lite.img of=/dev/disk2

自分のマシンでだいたい4分ちょっとかかった。

bootディスクがマウントされていればOK

2-3. ネットワークの設定

SSHを有効にする

以下のコマンドを実行。

touch /Volumes/boot/ssh

USB経由のインターネット接続を有効にする

vi /Volumes/boot/cmdline.txt
でファイルを編集する。以下のように、rootwaitの後ろに
modules-load=dwc2,g_etherを挿入する。

dwc_otg.lpm_enable=0 console=serial0,115200 console=tty1 root=PARTUUID=17869 b7d-02 rootfstype=ext4 elevator=deadline fsck.repair=yes rootwait modules-load=dwc2,g_ether quiet init    =/usr/lib/raspi-config/init_resize.sh

また、以下のコマンドを実行する。

echo "dtoverlay=dwc2" >> /Volumes/boot/config.txt

マウント解除してSDカードを抜き取る

マウントの解除は以下のコマンド。

sudo diskutil umountDisk /dev/disk2

3. Raspberry Pi Zero(W)の起動

• SDカードをRaspberry Pi Zero(W)に挿入する
• USB接続でMacにつなぐ（電源が入る）

以下のコマンドでログインできる

ssh [e-mail]

パスワードはデフォルトでraspberry。

4. Raspberry Pi Zero(W)の設定

ここからはRaspberry Piの上で作業。

4-1. ディスクの拡張

以下のコマンドを実行する。

sudo raspi-config  --expand-rootfs

ここでリブートするようにメッセージ表示されるのでリブートする。
リブートは以下のコマンド。

sudo reboot

4-2. ホスト名を変更する

sshでデフォルトのraspberrypi.localでログインしているが、複数のRaspberry Piを接続すると衝突するため、重ならないホスト名を設定する。
ここではraspi0というホスト名にするため、以下のコマンドを実行する。

sudo raspi-config nonint do_hostname raspi0

変更の確認は/etc/hostnameの中を見る。

cat /etc/hostname

再起動しないと、hostnameコマンドでは古いホスト名が表示される。必ずリブートすること。

sudo reboot

次からは以下のコマンドでログインできる。

ssh [e-mail]

4-3. WiFiの設定

raspberry.localからMacOSを介してインターネット接続を試みるがうまくいかず。WiFiでネットワークに接続してなんとかaptとかpipを使えるようにした。

sudo vi /etc/wpa_supplicant/wpa_supplicant.conf

以下のように　入力して保存。

ctrl_interface=DIR=/var/run/wpa_supplicant GROUP=netdev
update_config=1
country=JP

network={
     ssid="SSID-NAME"
     psk="PASSWORD"
}

SSID-NAMEとPASSWORDは適宜入力すること
WiFiを有効にするため、再起動する。

sudo reboot

補足）ここは再起動しなくても、以下のコマンドでいいかも（未確認）
以下を実行するとエラーになったので、素直にrebootした方がいい。

sudo wpa_cli -i wlan0 reconfigure
sudo dhclient wlan0

4-4. システムのアップデート

以下のコマンドを入力する。

sudo apt update
sudo apt upgrade

4-5. PythonからGPIOを制御するパッケージをインストール

以下のコマンドを実行する。

sudo apt install python-rpi.gpio
sudo apt install -y python3-pip
pip3 install RPi.GPIO

4-6. Jupyterをインストールする

以下のコマンドを実行する。

pip3 install jupyter
jupyter notebook --generate-config

.jupyter/jupyter_notebook_config.pyを以下のように修正する。

c.NotebookApp.ip = '0.0.0.0'
c.NotebookApp.notebook_dir = '/home/pi/jupyter_notebook'
c.NotebookApp.token = 'password'

passwordの部分は適当なパスワード文字列にすること

4-7. Jupyter Notebookを起動する

以下のコマンドを入力する。

mkdir /home/pi/jupyter_notebook
cd /home/pi/jupyter_notebook
jupyter notebook

Macからhttp://raspi0.local:8888 をアクセスする。

ここまでで、参考文献(4)で紹介されているPythonプログラムが実行できるはず。

5. 課題

• Jupyter Notebookを自動起動
• Windows10にも対応（一旦あきらめたけど）

追記
Windows10とRaspberry Piの接続で、LANケーブルで直接接続できる（Raspberry Pi 2とか3とか）なら以下の方法で接続できた。
http://moguno.hatenablog.jp/entry/2015/09/12/100231

6. 参考文献

(1) Raspberry Pi Zero(W, WH)のセットアップ
https://qiita.com/hishi/items/8bdfd9d72fa8fe2e7573

(2) 必要最小限でRaspberry PiにJupyter (Python3)をInstallする方法（2018-08-10）
https://qiita.com/iton/items/1bd670bc84f264024d5d

(3) Raspberry pi 喋らせよう jupyter note で試す
https://qiita.com/hiratarich/items/a829f2550ecf5e3ca206

(4) GPIOでLEDの点滅(Python)
http://make.bcde.jp/raspberry-pi/gpioでledの点滅python/