ESP32 滑走路進入灯デスクトップオブジェ

wuhanqing 投稿日時は　2026-02-25 21 表示

ESP32 滑走路進入灯デスクトップオブジェ

本プロジェクトは、民間航空滑走路進入灯光システムを高い再現性で模擬したデスクトップ型インテリジェントオブジェである。ESP32 マイクロコントローラとハードウェアシーケンス論理回路（NE556+CD4017）を組み合わせることにより、実機に近い視覚効果を実現するとともに、世界各地の空港に対する METAR および TAF 気象通報をリアルタイムで取得・表示することができる。

1. 要約

本プロジェクトの目的は、装飾性と機能性を兼ね備えた航空テーマのデスクトップオブジェを設計・実装することである。ハードウェア面では、2 層 PCB の積層構造を採用し、NE556 デュアルタイマおよび CD4017 カウンタにより、20 チャンネルのランニングライト（いわゆる「ラビットライト」）と 48 チャンネルの常時点灯進入灯をハイブリッド駆動するとともに、輝度および点滅周波数をハードウェア的に調整できるようにしている。ソフトウェア面では、MicroPython を基盤とし、ESP32 の WiFi 機能を活用して Web ベースのネットワーク設定および航空気象データ（METAR/TAF）のリアルタイム取得を実現した。本装置は、空港滑走路端の視覚的美観を再現するだけでなく、航空愛好家に対して実用的な気象モニタリング端末としての機能も提供する。

2. 機能特性

  • 模擬照明効果：20 基のランニング誘導灯（シーケンシャルフラッシングライトを模擬）および 48 基の常時点灯進入灯で構成される。
  • ハードウェアインタラクション：
    • 左ノブ：主電源スイッチおよび全体照明の輝度調整（PWM 調光）。
    • 右ノブ：ランニングライトの流れる速度（点滅周波数）の調整。
    • ベースボードボタン：ワンプッシュで WiFi ネットワーク設定および ICAO コード設定モードへ移行。
  • インテリジェント情報表示：0.96 インチ OLED 画面において、指定した空港の生 METAR および TAF 通報を 5 秒間隔で循環表示する。
  • 簡便なネットワーク設定：アクセスポイント（AP）方式のネットワーク設定をサポートし、内蔵 Web 設定ページおよび QR コードによる迅速なアクセス機能を備える。
  • 物理設計：2 層 PCB 構造（100mm × 80mm）とし、表面シルク上に空港平面図および無線周波数表（TWR, GND, APP など）を統合印刷している。

3. プロジェクト画像

3.1 実機写真

3.2 回路図

3.2.1 ベースボード回路図

3.2.2 トップボード回路図

3.3 2D プレビュー

3.3.1 ベースボード 2D プレビュー

3.3.2 トップボード 2D プレビュー

3.4 回路原理図

4. 使用方法および操作説明

4.1 初期起動

  1. 給電：Type-C データケーブルを用いて、ベースボード左上部のコネクタに接続する（5V/1A 以上の電源アダプタの使用を推奨）。
  2. 電源オン：時計回りに左側ノブを回転させると、赤色の電源インジケータ LED が点灯し、灯具システムが初期動作状態に入る。
  3. 調整：
    • 左ノブを回転させて全体の輝度を調整する。
    • 右ノブを回転させて滑走路灯の点滅速度およびランニング効果を変更する。

4.2 ネットワーク設定および構成

画面に未接続の表示が出る場合、または対象空港を変更する必要がある場合：

  1. 設定モードへの移行：ベースボード右下のタクタイルボタンを長押しする。
  2. QR コードによる接続：画面に QR コードおよび IP 192.168.4.1 が表示される。
  3. 操作：スマートフォンを用いて WiFi METAR_Config に接続し、QR コードをスキャンするか、ブラウザに IP を手動入力して設定ページにアクセスする。
  4. 送信：WiFi の SSID、パスワードおよび対象空港の 4 文字 ICAO コード（例：瀋陽桃仙空港 ZYTX）を入力し、Save をクリックする。装置は自動的に再起動し、気象データの取得を開始する。

5. システム設計原理

5.1 ハードウェア回路設計

本システムは、「照明効果はハードウェア論理で制御し、データ処理はマイクロプロセッサが担当する」という分業構造を採用している。

  • 中核ロジック (NE556 + CD4017)：
    • NE556 (Unit A)：1kHz のデューティ比可変波形を出力し、これを PWM 調光信号 として LED のアノード側に印加する。
    • NE556 (Unit B)：3～100Hz の可変周波数方形波を出力し、CD4017 への クロック信号 入力として用いる。
    • CD4017：10 進カウンタであり、その出力端 Q0～Q9 は 10 組の MOSFET を介して 20 基のランニングライト（2 個ずつ並列接続）を駆動する。
  • 視覚シミュレーションアルゴリズム：ランニングライトのゲート（G）端子は CD4017 の時系列制御を受け、アノード側は PWM 調光制御を受ける。PWM 周波数（1kHz）はシーケンス切り替え周波数より十分に高いため、速度制御と輝度制御の効果を相互干渉なく重畳的に実現できる。

5.2 ソフトウェア論理アーキテクチャ

  • 言語環境：MicroPython（Thonny を使用）。
  • データ取得：urequests モジュールにより航空気象 API へ定期的にリクエストを送信し、指定 ICAO コードに対応する JSON データを取得した上で、その中から rawOb（METAR）および rawTAF（TAF）文字列をパースする。
  • 表示制御：ssd1306 ドライバを用いて OLED を制御し、文字列分割アルゴリズムにより長文通報を行単位に分割して表示するとともに、自動スクロール切り替えを実現する。

6. ハードウェア構成一覧 (BOM)

（詳細については、本フォルダ内の BOM_TOTAL_PCB.xlsx ドキュメントを参照のこと。）

7. オープンソースによる再現に関する注意事項

本プロジェクトを円滑に再現するため、以下の工学的な細部に十分留意する必要がある。

7.1 ハードウェアおよびはんだ付け上の要点

  • EDA プラットフォーム：本プロジェクトは 嘉立创EDA（プロフェッショナル版） を基盤としている。ソースファイルは ProPrj_Runway_Approach_Light_2026-02-24.epro2 である。
  • ピン位置合わせ：寸法不整合を回避するため、必ず 38 ピン版 の ESP32 開発ボード（片側 19 ピン）を使用すること。
  • はんだ付けプロセス：ベースボード上の論理 IC（NE556/CD4017）については、ブリッジはんだを厳重に防止しなければならない。MOSFET ドライバ素子 は温度に極めて敏感（耐熱温度は約 170℃）であるため、必ず最後に実装・はんだ付けすること。低温はんだの使用を推奨し、1 箇所あたりのはんだ付け時間は 3 秒を超えないようにして、熱蓄積による素子の破壊または熱損傷を防止する必要がある。

7.2 ツールチェーンおよびリソースの配置

本プロジェクトに必要なすべての関連ソフトウェアおよびファームウェアは、tools フォルダ内に格納されており、その構成は次のとおりである。

tools/
├── 1-Thonny开发软件
├── 2-开发板CH340驱动
├── 3-ESP32-FLASH固件下载工具
└── 4-ESP32-MicroPython固件
    ├── esp32-20220618-v1.19.1.bin (推荐)
    ├── ESP32_GENERIC-20240602-v1.23.0.bin
    └── ESP32_GENERIC-20250415-v1.25.0.bin

ファームウェアに関する説明：複数バージョンのファームウェアを用意しているが、互換性と安定性を確保する観点から、v1.19.1 バージョンを書き込むことを強く推奨する。

7.3 中核的開発手順

  1. ハードウェア自己診断：すべてのはんだ付けが完了した後、まず通電試験を行い、ランニングライトおよび常時点灯グループの論理動作が正常であることを確認する。
  2. ドライバのインストール：PC に tools/2-开发板CH340驱动 をインストールし、デバイスが正しく認識されるようにする。
  3. ファームウェア書き込み：tools/3-ESP32-FLASH固件下载工具 を用いて、推奨 MicroPython ファームウェア バージョンを ESP32 に書き込む。
  4. 環境構成：Thonny をインストールして起動し、インタプリタとして ESP32 を選択する。設定の詳細は、Bilibili 上の「普中 ESP32 教程」などの関連動画を参考にすることができる。
  5. コード展開：Thonny を通じて開発ボードに接続し、プロジェクトソースファイル METAR.py をアップロードして実行する。
  6. 最終組立：ソフトウェアが正常に動作することを確認した後、ESP32 をベースボード上のピンヘッダに挿入し、装置全体を組み立てたうえで最終的な通電試験を実施する。

8. 参考文献および技術規格

8.1 国際標準および業界規範

  • 文献名：WMO-No.306_Vol_I.1_Manual_on_Codes.pdf
    • 発行機関：World Meteorological Organization (WMO)
    • 主な関係性：本プロジェクトにおける METAR/TAF 通報の解析ロジックは、本マニュアルにおける FM 15 (METAR) および FM 51 (TAF) のフィールド定義ならびに符号化規則を厳格に遵守している。
  • 文献名：ICAO_Annex_14_Vol_I_Aerodrome_Design_and_Operations.pdf
    • 発行機関：International Civil Aviation Organization (ICAO)
    • 主な関係性：本プロジェクトの灯火配置およびランニングライト（Sequenced Flashing Lights）の時系列要件は、同規格の Chapter 5.3.4 における進入灯火システムに関する規定を参照している。

8.2 主要電子部品の仕様書

  • 文献名：C7434190_555定时器-计时器NE556DR-MS规格书_WJ411490.pdf
    • 製造メーカー：MSKSEMI (美森科)
    • 主な関係性：デュアル 555 タイマベースの時定数回路設計に用いられ、システム調光用 PWM 波形の生成および CD4017 用クロックパルスの供給に利用される。
  • 文献名：C7473153_计数器-分频器CD4017BM-MS规格书_WJ411742.pdf
    • 製造メーカー：MSKSEMI (美森科)
    • 主な関係性：20 チャンネル滑走路シーケンスフラッシングライト（ランニングライト）のデコードカウントロジックおよびハードウェアシフト駆動の実装に用いられる。

9. 著者についておよび技術サポート

本プロジェクトの再現過程で技術的な問題に直面した場合、あるいは本プロジェクトに対する改善提案がある場合は、以下の方法でご連絡いただきたい。

9.1 著者情報

9.2 技術交流グループ

  • QQ グループ：1087242118（参加申請の際は「進入灯」と明記してください）

9.3 プロジェクトデモ動画

https://www.bilibili.com/video/BV1fFtZz1Eyx

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最終更新日 2026-02-25