⛓️ 👩🏽‍⚕️ 🥛 天気予報ランプ㊗️ 🥓 🎱

私たちの多くは、午前中に家を出る前に、翌日の天気予報を確認します。私はいつもこのためにスマートフォンを使用していましたが、ある日、このプロセスをより簡単で便利なものにしてみませんか。だから、アイデアは、私の部屋の天気予報を表示し、降水量と風速の可能性を警告できるルームランプを作成するというアイデアを思いつきました。

カットシーンの下で、ビデオと画像はこのランプの操作とその作成の詳細な手順を示します。

作業実演

ランプは、14時間先の天気予報を表示できます。技術的には、ランプ内に14の水平レベルがあります（それぞれ20個のLEDのRGB LEDストリップ）。下の最初のレベルは、次の1時間の初めになる天気です。次のレベルはそれぞれプラス1時間です。各レベルでの水平方向の動きは風速です。雨の効果もあります-各レベルの最初と最後の部分がすべての色で滑らかに点滅します。

ここでは、ランプが非常に強く光るので、この記事のすべての写真とビデオは長い苦痛を経て撮影されたことに注意する必要があります。正直に何度も試してみましたが、現実と同じような状況には至りませんでした。

カバーなしのランプの別のビデオと、降水量（すべての色で輝くストライプの端）の表示を示すビデオを見ることができます。

要件と設計

まず、要件を定式化してみましょう。

永続的なインターネット接続。インターネットから天気予報を受け取る必要があります
自治。ランプは他のデバイスに依存してはいけません
さまざまな気象データ（温度、雨、雷雨、風）を表示する機能

少し考えた後、それぞれに20個のLEDがある12の水平レベルがある長方形のランプで停止することにしました。これにより、12時間先の天気予報を表示できます。各レベルの色は、このときの気温によって異なります。同時に、各レベルには、雨、風、雷などのさまざまな効果を表示するのに十分な数のLEDがあります。その後、LEDが追加されたため、レベルの数は14に増加しました。

鉄

まず、プラットフォームを決定する必要があります。Arduinoのようなリアルタイムマイクロコントローラー、またはオペレーティングシステムが搭載されたRaspberry Piなどの本格的なコンピューターです。これらのオプションにはそれぞれ長所と短所があります。 OSがRaspberry Piにロードされるまで10秒待つ必要がないという理由だけで、Arduinoは一見このプロジェクトに最適です。ただし、Arduinoを使用している場合でも、インスタントコールドスタートは機能しません。Wi-Fiシールドの初期化とサーバーの天気予報の要求にはまだ遅延があります。また、wifiシールドの同時操作（サーバーの予測を要求するとき）とLEDストリップの操作についての質問に少し混乱しました。

同様に、Raspberry Piを使用する場合、欠点が1つしかありません。起動時間です。

Raspberry PiをWiFi USBドングルEdiMaxとともに使用することが決定されました。このドングルは私が他のプロジェクトで使用したもので、非常によく証明されています。

次に、適切な光源を見つける必要があります。おおよその見積もりでは、少なくとも約240個のLED（それぞれ20個のLEDの12レベル）が必要です。それらすべてを一度に1つずつはんだ付けする必要があるオプションは考慮されていませんでした。私たちの選択は大きくありません：LEDパネルかLEDストリップのどちらか。パネルは、表面にさまざまな湾曲のない小さなランプが必要な人に最適です。中型のランプを作りたかったので、LEDストリップに落ち着きました。

したがって、1メートルあたり144個のピクセル密度の2メートルRGB LEDストリップが注文されました。このテープにはアドレス指定可能なLED（デジタルでアドレス指定可能なタイプのLEDストリップ）があります。つまり、各LEDが独自のデータを受け取り、必要な色を表示するように信号を形成できます。テープの各LEDにあるWS2811チップがこれを担当しています。テープには288個のLEDがあるため、それらを最大限に使用し、20個のLEDの14レベルを作成することにしました）

Raspberry PiはGPIOポートで3.3ボルトしか出力しないことに注意する必要がありますが、テープには5ボルトの制御信号が必要です。したがって、電圧コンバータ（レベルコンバータチップ）が必要です。 74AHCT125を使用しました。

接続図（ Adafruitチュートリアルから取得）：

寸法が60 x 20 cmのドナーランプが世話され、近くの店で購入されましたが、LEDストリップ用の電源をそこに置く必要があると期待して購入されました。 280個のRGB LEDとRaspberry Piを入手したため、かなりコンパクトなパッケージで5ボルト10アンペアのブロックを注文しました。

これらすべてをランプに入れる時が来ました。電源により、Raspberry Piはすべてクリアでした。 14個のセグメントをLEDで固定する方法については言えません。これは、以前ははんだ付けする必要がありました。 LEDはマットカバーから一定の距離にある必要があります。そうしないと、LEDが見えて光が強すぎます。

当初のアイデアは、アルミニウムストリップを使用し、テープを貼り付けることでした。しかし、1つのフレームを作成すると、時間がかかりすぎることがすぐにわかりました。その後、3Dプリンターでフレームを印刷することにしました。レーザー彫刻機にアクセスできる場合は、さらに高速に実行できます。極端な場合には、手ですべてを行うことができます-木または段ボールから切り取る（この後、何度も層を接着します）。

フレーム印刷：

フレームワークでの最初のテープテスト：

合計で、必要なすべてのコンポーネントを入手し、アセンブリの順番になりました。 LEDストリップは20個のLEDに分割されました。ピースをはんだ付けし、フレームに接着しました。次に、フレームが体に接着されました。電源、すべての配線、およびRaspberry Piは、フレームとシャーシの間のスペースに配置されました。

ランプの組み立てプロセス：

結果（高解像度）：

天気予報を取得するサービス

ランプが機能するには、天気予報を取得するためのサービスが必要です。これには、多数の無料のシェアウェアサービスがあります。たとえば、 openweathermap.orgまたはpredict.ioです。それらにはすべて、独自の制限または特定の機能があります。

私の主な基準の1つは、今後12時間以上の時間ごとの天気予報を取得できることでした。残念ながら、openweathermapは無料モードで3時間の天気予報のみを返すことができます。私はこのサービスの速度も好きではありませんでしたが、天気予報を30分に1回以上更新するつもりはないので、まったく重要ではありませんでした。

同時に、予測は完全にfree.ioではなく、作業の速度とデータの粒度に満足しています。必要なすべてのデータ（温度、風速、降雨量）を12時間先まで取得でき、さらに1回のリクエストで取得できました。無料モードで作成できるリクエストの数は1日あたり1000件に制限されていますが、これは私の要件に完全に適合しています。最後に、率直に言って、このリソースを選択しました。直観に頼っています。

データを受け取る方法を決定する必要がありました：中間リソースを介して、または直接predict.ioから。 predict.ioサービスが返したJSONファイルは、現在地について約40キロバイトを返しましたが、これは冗長なように思えました。 12時間ごとに必要な値は3つだけです。その結果、ランプに送信されるデータの量を最小限に抑え、将来データソースやプロバイダーを変更する必要がある場合に将来の拡張性を提供するという2つの理由で、独自の小さなサービスを作成することにしました。 1時間ごとに3つの値（温度、風速、降雨）のみが必要な場合、合計168バイトが必要です（14 * 3 *サイズint = 4）。また、私のサービスでは、地形の座標と、特定の地形の最低気温と最高気温を設定して、この情報をRaspberry Piの側面に保存しないようにすることができます。

リクエスト間で値をキャッシュし、リクエストが頻繁に発生する場合、キャッシュから値を返す（1日あたり1000件の無料リクエストの制限を超えないようにする）ために、predict.ioで動作するJavaサーブレットを作成しました。 5分ごとに1回だけ新しい予測をリクエストします。 predict.ioのAPIキーだけでなく地形の座標もシステムサーブレットから取得されるため、地形を変更する必要がある場合は、Webアプリケーションの外部から行うことができます。

サーブレットコード

public class ForecastServlet extends HttpServlet { private static final String API_KEY = System.getenv("AL_API_KEY"); private static final int REQUEST_PERIOD = 5 * 60 * 1000; private static final int START_HOUR = 0; private static final int END_HOUR = 14; private static final int DATA_SIZE = 3 * 4 * (END_HOUR - START_HOUR); private static final int TEMP_MULTIPLY = 100; private static final int WIND_MULTIPLY = 100; private static final int PRECIP_MULTIPLY = 1000; private final String mutex = ""; private final ByteArrayOutputStream data = new ByteArrayOutputStream(DATA_SIZE); private long lastRequestTime; @Override protected void doGet(HttpServletRequest req, HttpServletResponse response) throws ServletException, IOException { synchronized (mutex) { if ((System.currentTimeMillis() - lastRequestTime) > REQUEST_PERIOD) { try { updateForecast(); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } } response.setHeader("Content-Type", "application/octet-stream"); response.setHeader("Content-Length", "" + data.size()); response.getOutputStream().write(data.toByteArray()); response.getOutputStream().flush(); response.getOutputStream().close(); lastRequestTime = System.currentTimeMillis(); } } private void updateForecast() throws IOException { int maxTemp = Integer.valueOf(System.getenv("AL_MAX_TEMP")) * TEMP_MULTIPLY; int minTemp = Integer.valueOf(System.getenv("AL_MIN_TEMP")) * TEMP_MULTIPLY; BufferedReader reader = null; try { String urlTemplate = "https://api.forecast.io/forecast/%s/%s,%s"; URL url = new URL(String.format(urlTemplate, API_KEY, System.getenv("AL_LAT"), System.getenv("AL_LON"))); InputStreamReader streamReader = new InputStreamReader(url.openStream()); reader = new BufferedReader(streamReader); JSONParser jsonParser = new JSONParser(); try { JSONObject jsonObject = (JSONObject) jsonParser.parse(reader); JSONArray hourly = (JSONArray) ((JSONObject) jsonObject.get("hourly")).get("data"); for (int i = START_HOUR; i < END_HOUR; i++) { JSONObject hour = (JSONObject) hourly.get(i); int temperature = safeIntFromJson(hour, "apparentTemperature", TEMP_MULTIPLY); if (temperature > maxTemp) { temperature = maxTemp; } else if (temperature < minTemp) { temperature = minTemp; } else { float tempFloat = (float) 100 / (maxTemp - minTemp) * (temperature - minTemp); temperature = (int) (tempFloat * TEMP_MULTIPLY); } int wind = safeIntFromJson(hour, "windSpeed", WIND_MULTIPLY); int precip = safeIntFromJson(hour, "precipIntensity", PRECIP_MULTIPLY); data.write(intToBytes(temperature)); data.write(intToBytes(wind)); data.write(intToBytes(precip)); } } catch (ParseException e) { e.printStackTrace(); } } finally { try { if (reader != null) reader.close(); } catch (IOException ioe) { ioe.printStackTrace(); } } } private byte[] intToBytes(int value) { return ByteBuffer.allocate(4).putInt(value).array(); } private int safeIntFromJson(final JSONObject data, final String dataKey, final int multiply) throws IOException { Object jsonAttrValue = data.get(dataKey); if (jsonAttrValue instanceof Long) { return (int) ((Long) jsonAttrValue * multiply); } else { return (int) ((Double) jsonAttrValue * multiply); } } }

実行時にリクエストする5つのプロパティの意味を説明する必要があります。

AL_API_KEY-開発者の秘密鍵の予測.io

AL_LAT、AL_LON-ロケーション座標

AL_MAX_TEMP、AL_MIN_TEMP-特定のエリアの最低および最高温度。これは、使用する色の範囲の一部の領域を無駄にしないために必要です：たとえば、私の領域（テキサス州、米国）-温度が0未満に低下することはなく、紫の色（パレットの最も低い色）を示したいモスクワでは0であり、-25ではありません。したがって、このサービスは実際の温度を返しません-AL_MIN_TEMPとAL_MAX_TEMPの間の100分の1パーセントを返します。

WebアプリケーションのソースコードとMavenアセンブリファイルは、 github.com / manusovich / aladdin-serviceリポジトリで入手できます。

次に、Java Webアプリケーションのホスティングが必要です。私はお気に入りのherokuを利用しましたが、他のものも使用できます。リポジトリーには、Procfileという名前でheroku環境でアプリケーションを実行するために必要なファイルが既に含まれています。

したがって、herokuを使用する場合、必要なことは次のとおりです。

新しいアプリケーションを作成する
3つの新しいシステムプロパティを定義する
gitリポジトリにリンクします
アプリケーションを展開します。これを行うには、手動デプロイを実行する必要がありますが、すべてのコードはgithubリポジトリから自動的にダウンロードされ、コンパイルおよび起動されます

これで、ブラウザでhttps://aladdin-service.herokuapp.com/forecastリンクを開いてサーブレットを実行できます。この場合、特定の地域の天気予報ファイル（サイズが168バイト）が返されます（herokuのアプリケーションのプロパティ）

ランプサイドソフトウェア

まず、LEDストリップに信号を送信する方法を決定する必要があります。テープはWS2811チップを使用してLEDを制御します。短い検索の後、私はAdafruitのチュートリアル-learn.adafruit.com/neopixels-on-raspberry-piに出会いました。そこで、WS281xチップに基づいてテープの信号を生成することができるrpi_ws281xライブラリーについて言及しました。

ライブラリーをリポジトリーに分岐し、main.cに必要なコードを追加しました（ランプコントローラーのセクションで以下を参照）。開発を最小限に抑えるためです。

少し余談をする必要があり、Raspberry Piに基づいてプロジェクトのコードを通常どのように開発するかについて説明します。 sshを使用したコード編集はまったく便利ではありませんでした。 sshを介してコードを永続的にコピーします。そこで、GitHubリポジトリを作成し、そこにすべてのコードをアップロードして、お気に入りのIDEを開発に使用します。 Raspberry Pi側では、10秒ごとにリポジトリから変更を取得しようとするシェルスクリプトを作成します。存在する場合、スクリプトはプログラムを停止し、更新をダウンロードし、すべてをコンパイルしてプログラムを実行します。スクリプトは起動時にハングします。これにより、コードをリモートで開発できると同時に、デバイスの変更を確認するプロセスを高速化できます。しかし、同時にwifiネットワークをロードします。ソフトウェア開発が完了したら、更新期間を長くします（たとえば、60分）。この状態のままにしておきます。

このようにして得られたアルゴリズムは次のとおりです。

gitで変更をリクエストする
リポジトリに変更がある場合
- コードを更新
- コードをコンパイルする
- コンパイルが成功した場合
  - 実行中のアプリケーションを停止
  - 新しいアプリケーションを起動する

RaspberryPiを構成する

まず、Wifiを設定する必要があります

その後、リポジトリをディレクトリ/ home / pi / rpi_ws281xに複製する必要があります（ディレクトリ/ home / piで実行）：

 git clone https://github.com/manusovich/rpi_ws281x

シェルスクリプト/home/pi/rpi_ws281x/forecast.shを起動/etc/rc.localに追加する必要があります。

 sudo sh /home/pi/rpi_ws281x/forecast.sh >> /home/pi/ws281.log &

このスクリプトは、天気予報を更新し、アプリケーションを起動し、10分ごとに天気予報を更新し、60分ごとにプロジェクトリポジトリの変更をチェックします。変更がある場合、それらはリポジトリから取得され、コンパイルされて起動されます。

スクリプトコード

 #!/bin/bash echo "Read forecast" curl https://aladdin-service.herokuapp.com/forecast > /home/pi/rpi_ws281x/forecast echo "Kill old instance..." pkill test echo "Run new instance..." exec /home/pi/rpi_ws281x/test & echo "Start pooling for changes" C=0 while true; do C=$((C+1)) # once per 10 minutes if [ $((C%60)) -eq 0 ] then echo "Update forecast... " curl https://aladdin-service.herokuapp.com/forecast > /home/pi/rpi_ws281x/forecast fi # once per one hour if [ $((C%360)) -eq 0 ] then echo "Check repository... " cd /home/pi/rpi_ws281x git fetch > build_log.txt 2>&1 if [ -s build_log.txt ] then echo "Application code has been changed. Getting changes..." cd /home/pi/rpi_ws281x git pull echo "Bulding application..." scons echo "Kill old application..." pkill test echo "Launch new application..." exec /home/pi/rpi_ws281x/test & echo "Done" else echo "No changes in the repository ($N)" fi fi sleep 10s done

いくつかの点を明確にする必要があります。

絶対パス-このスクリプトは自動実行から起動されるため、すべてのパスを指定する必要があります。したがって、Raspberry Piでは、リポジトリをディレクトリ/ home / pi / rpi_ws281xに複製する必要があります。別のパスがある場合は、このシェルスクリプトを更新する必要があります
テープ管理コードはダイレクトメモリアクセスを使用し、管理者として実行する必要があるため、このスクリプトは管理者として実行する必要があります。

ランプコントローラー

次に、LEDストリップ上のLEDを制御するコードを見てみましょう。このコードはmain.cファイルにあり、無限ループであり、LEDの色を変更する一連の手順です。

このプログラムのメインメソッドには、LEDストリップを操作するためのrpi_ws281xライブラリの初期化が含まれ、状態をレンダリングするための無限ループを開始します。

メインメソッドコード

 int main(int argc, char *argv[]) { int frames_per_second = 30; int ret = 0; setup_handlers(); if (ws2811_init(&ledstring)) { return -1; } long c = 0; update_forecast(); matrix_render_forecast(); while (1) { matrix_fade(); matrix_render_wind(); matrix_render_precip(c); matrix_render(); if (ws2811_render(&ledstring)) { ret = -1; break; } usleep((useconds_t) (1000000 / frames_per_second)); c++; if (c % (frames_per_second * 60 * 5) == 0) { // each 5 minutes update forecast update_forecast(); } } ws2811_fini(&ledstring); return ret; }

update_forecastメソッドは、ファイル/ home / pi / rpi_ws281x / forecastから現在の天気予報を読み取ります

matrix_render_forecastメソッドは、天気予報の現在の値でマトリックスを塗りつぶします。その際、 paletton.comから取得した 23色のパレットを使用します。

 ws2811_led_t dotcolors[] = { 0x882D61, 0x6F256F, 0x582A72, 0x4B2D73, 0x403075, 0x343477, 0x2E4272, 0x29506D, 0x226666, 0x277553, 0x2D882D, 0x609732, 0x7B9F35, 0x91A437, 0xAAAA39, 0xAAA039, 0xAA9739, 0xAA8E39, 0xAA8439, 0xAA7939, 0xAA6C39, 0xAA5939, 0xAA3939 };

matrix_fadeメソッドは、予測された温度から色の変化を減衰させます。

matrix_render_windメソッドは、風速*に因数で等しい速度で水平方向に前後に移動する励起を描画します。

matrix_render_precipメソッドは、レベルのエッジに沿って降水量を描画します。全体的なリフレッシュレートは1秒あたり30フレームであり、色を変更するために非常に迅速に判明したため、彼には共通のカウンターが必要です。したがって、これは1秒間に15回しか行いません。

すべてのレンダリングはXRGBマトリックス[WIDTH] [HEIGHT]に送られます。色の整数の代わりに浮動小数点数を格納するには、XRGB構造が必要です。これにより、遷移の滑らかさが増し、matrix_renderメソッドで行うRGBに直接変換できます。

プログラムを起動すると、現在の予測値（温度、風、降水量）がコンソールに表示されます。温度値が基準点（100分の1パーセント）であることに注意してください。

 pi@raspberrypi ~/rpi_ws281x $ sudo ./test Temp: 5978, Wind: 953, Precip: 0 Temp: 5847, Wind: 1099, Precip: 0 Temp: 5744, Wind: 1157, Precip: 0 Temp: 5657, Wind: 1267, Precip: 0 Temp: 5612, Wind: 1249, Precip: 1 Temp: 5534, Wind: 1357, Precip: 1 Temp: 5548, Wind: 1359, Precip: 0 Temp: 5605, Wind: 1378, Precip: 0 Temp: 5617, Wind: 1319, Precip: 0 Temp: 5597, Wind: 1281, Precip: 0 Temp: 5644, Wind: 1246, Precip: 0 Temp: 5667, Wind: 1277, Precip: 0

代替動作モード

結果の製品は、あらゆるものを表示するためのプラットフォームと考えることができます。自由に使えるLEDは約300個あり、そこに何を表示するかを決めることができます。たとえば、継続的な統合サーバーでアセンブリ状態の表示を整理したり、次のビデオのように虹色で再生する珍しいランプを作成したりできます。

見積もりと結論

電源5ボルト10アンペア-25ドル

2メートルのRGBテープ（1メートルあたり144個のLED）-78ドル

ラズベリーパイ-$ 30

Edimax Wifi USB-8ドル

LEDストリップのフレームの3D印刷-PLAプラスチックあたり15ドル

ランプドナー-35ドル

合計で、製品の総コストは、自宅での製造に約200米ドルでした。

この記事がお役に立てば幸いです。ご質問がある場合は、コメントでお気軽にお問い合わせください。

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