【Python】Raspberry Pi Zeroと3Dプリンタを使った、オブジェ制作 – 外部PCのGPU使用率を計測して、LEDを色を変えてみる –

こんにちは、Zero-Cheeseです。

今回は、久々に趣味で制作した物を、紹介いたします。

制作した物は

外部PCのGPU使用率を計測して、
目の色を変化させるオブジェ

です。

下記の属性をお持ちの方は、楽しめると、思います。

Python初心者以上の方
ワクワクした物を作りたい人！！
（３Dモデル、3Dプリンタの知見は、なくても大丈夫です）
（Raspberry Pi（ラズパイ）の知見がなくても、問題なしです。）

【構想時の絵】

今回、計測に用いた外部PCは、GPUが2個、付いています。（自作PCです。）

Nvidiaの、「GTX1080Ti」と「GTX1080」が付いています。

きしょい・・・

この子のスペック：

外部パソコンのGPU使用率に応じて、目の色を変えられる

筆者が勢いで作った物なので、軽い気持ちで、流し読みしてやって下さい。

動機

家の自作PCが、ディープラーニング学習のために、ずーと働いてくれてます。

ディープラーニングの学習をしていると、GPU使用率が気になるところです。

ターミナルを開いて、コマンドを打ち込めば、簡単に分かりますが、

なにかもっと、感情的に訴えるものがほしい！！

と思い、本企画を実行に移しました。

制作に必要なモノ

一覧

RaspBerry Pi Zero WH
LED（フルカラータイプ）
抵抗
ブレッドボード
ブレッドボード用ジャンバー線
3Dプリンタ

RaspBerry Pi Zero WH

とても、小さなコンピュータです。

コンピュータなのに、手のひらにのるサイズです！

WiFi、Bluetooth 等も付属しています。

CPUは、クロック1GHzもあります。

月に行った、アポロのコンピュータのクロックが、0.002GHzだったとか・・（あちらは、リアルタイム組込なので、単純比較が難しい所ですが・・）

主な特徴

802.11 b/g/n wireless LAN
Bluetooth 4.1
Bluetooth Low Energy (BLE)
1GHz, single-core CPU
512MB RAM 等々

より詳細を知りたい方は、公式サイトをご参照ください。

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マルチスレッド性能が５倍向上した、「Raspberry Pi Zero 2 W」が発売予定です。

しかし、半導体不足等の影響により、まだ入手困難な状況です。（2022年6月現在）

LED（フルカラータイプ）

RGB全部ありの、フルカラーLEDを使いました。

ピンは、

RGBのそれぞれに対応するピン（＋側：アノードと呼ばれます。）
GNDに対応するピン（−側：カソードと呼ばれます。）

の合計、４本になります。

秋月電子通商さんのリンクを貼っておきます。

ＲＧＢフルカラーＬＥＤ　５ｍｍ　ＯＳＴＡＭＡ５Ｂ３１Ａ　アノードコモンhttps://akizukidenshi.com/catalog/g/gI-12167/

電源とLEDの直接接続は、NGです。

LEDは、抵抗がほぼゼロのため、大電流が流れ、一発で壊れるからです。

よって、電源と抵抗との間に、必ず抵抗を入れ、LEDの許容電流以下にします。

抵抗

今回使用した抵抗は、330Ωです。

一般的な、抵抗を使用しました。

ブレッドボードとブレッドボード用ジャンバー線

ちょっとテストする場合、配線のハンダ付けとか、面倒だと思います。

そんなとき、ブレッドボードとジャンバー線は、とても便利です。

【ブレッドボードに、ジャンバー線が、刺さっている写真】

こんな感じで、ブレッドボードに、抵抗や、ジャンバー線をさすだけで、簡単に、電子工作が楽しめます。

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制作手順

以下の手順で、制作しました。

「ガイコツ」の3Dモデルを制作
3Dプリンタで、「ガイコツ」制作
電子工作（ラズパイとLED接続等）
プログラム制作

① 「ガイコツ」の3Dモデル制作

3Dモデル制作には、Fusion 360を使用しました。

制作したモデルは、こちらです。

【斜め上から】

【下から】

下部には、ラズパイ設置用スペースを設けました。

また、目にLEDの配線するため、ラズパイまでの配線スペースである、貫通穴も作りました。

【配線イメージ】

３Dモデルでは、配線が太く描かれてしますが、ただのリード線を使っています。

もっとガイコツっぽい外観にしたかったのですが、作者のスキルが・・

② 3Dプリンタで、「ガイコツ」制作

うちにある、3Dプリンタは、こちらになります。

主なスペック

メーカー：QIDI Technology
型番：X-Plus
造形材料：PLA, ABS TPU PETG, PC, Nylon, Carbon fiber
ビルドサイズ：270×200×200mm
層の厚さ：0.05 – 0.4 mm
位置決め精度：Z：0.0025mm; XY：0.011mm

様々な材料が使える！（カーボンが使えるのはGood！）、積層厚も0.05mm とGood！、あと結構大きいモノまで作れるので、購入しました。

制作した「ガイコツ」は、こちらです。

【3Dプリンタ直後（サポート材有りの状態）】

せっかくなので、金色で作ってみました！

結構、色がリアルです！

③ 電子工作（ラズパイとLED接続等）

電子回路は、本当に単純です。

ラズパイのピンと、LEDと、抵抗を直列に繋ぐだけになります。

ラズパイのピンは、番号がふられています。

上図の、GPIO（汎用入出力）と記載されている「ピン」を使用します。

制作した回路（＋から−まで、接続の順番を、記しています。）

◆ GTX1080Ti 用の LED

LEDのR用回路： GPIO 17ピン → LED R → 抵抗 → GND ピン
G用回路：GPIO 27ピン → LED G → 抵抗 → GND ピン
B用回路：GPIO 22ピン → LED B → 抵抗 → GND ピン

◆ GTX1080 用の LED

LEDのR用回路： GPIO 13ピン → LED R → 抵抗 → GND ピン
G用回路：GPIO 19ピン → LED G → 抵抗 → GND ピン
B用回路：GPIO 26ピン → LED B → 抵抗 → GND ピン

回路図でご紹介しようと思いましたが、単純なので、省略しました。

④ プログラム制作

ソフトウェア部分は、下記の構成になっています。

外部PCのWebサーバを立てて、GPU使用率を知らせるAPIを作る
ラズパイで、そのAPIを叩いて、GPU使用率を取得 → LEDを光らせる

＜構成イメージ＞

外部PCにWebサーバを立てる

Webアプリフレームワークである、Flaskを使用しました。

このプログラムは、外部PC側で、走らせます。

エンドポイント「/get_gpu_usage」を叩くと、JSONで、GPUの使用率が返ります。

import os
import subprocess
from flask import Flask
from flask import jsonify

app = Flask(__name__)

@app.route('/')
def get_main():
    # この部分は、特にいらない
    return 'world'

@app.route('/get_gpu_usage')
def get_gpu_usage():
    try:
        p1 = subprocess.Popen(['nvidia-smi', '--query-gpu=utilization.gpu', '--format=csv,noheader,nounits'], stdout=subprocess.PIPE)
        output = p1.communicate()[0]
        output = output.decode()
        output = output.split()

        output_json = {
            'GTX1080Ti': {
                'usage': output[0],
                'temp': None
            },
            'GTX1080': {
                'usage': output,
                'temp': None
            }
        }
        return jsonify(output_json)

    except:
        return {'message': 'Error'}


if __name__ == '__main__':
    app.run(debug='True', host='0.0.0.0', port=8000)

ラズパイ側のプログラム

外部PCのAPIを叩いて、GPU使用率を取得するコード

「gpu_usage.py」というファイル名で作成しました。

import json
import requests
import time

class GpuUsage(object):
    def __init__(self, url):
        self.url = url

    def get_both_usage(self):
        try:
            r = requests.get(self.url)
            r = r.json()

            gtx1080ti_usage = r['GTX1080Ti']['usage']
            gtx1080_usage = r['GTX1080']['usage']

            return gtx1080ti_usage, gtx1080_usage

        except Exception as e:
            print(e)

LEDを光らせるクラスと、全体管理するクラス

「monitor_controller.py」というファイル名で、作成しています。

import time
import RPi.GPIO as GPIO
import gpu_usage

GPIO.setmode(GPIO.BCM)


class Led(object):

    def __init__(self, name: str):
        self.name = name
        self.port_R = 0
        self.port_G = 0
        self.port_B = 0

        if self.name == 'GTX1080ti':
            self.port_R = 17
            self.port_G = 27
            self.port_B = 22
        elif self.name == 'GTX1080':
            self.port_R = 13
            self.port_G = 19
            self.port_B = 26

        self.ports = [self.port_R, self.port_G, self.port_B]

        for port in self.ports:
            GPIO.setup(port, GPIO.OUT)

    def _set_color(self, r, g, b):
        GPIO.output(self.ports[0], r)
        GPIO.output(self.ports, g)
        GPIO.output(self.ports, b)

    def red_light_on(self):
        self._set_color(1, 0, 0)
        print('red')

    def green_light_on(self):
        self._set_color(1, 0, 1)
        print('green')

    def blue_light_on(self):
        self._set_color(0, 0, 1)
        print('blue')

    def light_off(self):
        self._set_color(0, 0, 0)
        print('off')


class MonitorController(object):

    PROCESS_TIME = 0.5　# 何秒おきに、GPU使用率をチェックするか
    MAX_USAGE_LOW_LEVEL = 80 # GPU使用率 80%以上でLEDの色を変える
    MAX_USAGE_MIDDLE_LEVEL = 95 # GPU使用率 95%以上でLEDの色を変える

    def __init__(self, gpu_usage: GpuUsage, led_gtx1080: Led, led_gtx1080ti: Led):
        self.gpu_usage = gpu_usage
        self.led_gtx1080 = led_gtx1080
        self.led_gtx1080ti = led_gtx1080ti

    def process(self):
        while True:

            gtx1080ti_usage, gtx1080_usage = self.gpu_usage.get_both_usage()

            gtx1080ti_usage = int(gtx1080ti_usage)
            gtx1080_usage = int(gtx1080_usage)

            self._change_led_color(gtx1080ti_usage, self.led_gtx1080ti)
            self._change_led_color(gtx1080_usage, self.led_gtx1080)

            time.sleep(PROCESS_TIME)

    def _change_led_color(self, usage: int, led: Led):
        if usage <= MAX_USAGE_LOW_LEVEL:
            led.blue_light_on()
        elif usage <= MAX_USAGE_MIDDLE_LEVEL:
            led.green_light_on()
        else:
            led.red_light_on()


if __name__ == '__main__':
    # 外部PCのIPアドレスが、192.168.10.100   ポートが、8000の場合
    gpu_usage_obj = gpu_usage.GpuUsage('http://192.168.10.100:8000/get_gpu_usage')
    gtx1080_led = Led('GTX1080')
    gtx1080ti_led = Led('GTX1080ti')

    monitor_controller = MonitorController(gpu_usage_obj, gtx1080_led, gtx1080ti_led)
    monitor_controller.process()