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六、使用伺服控制代码控制模拟设备

继续我们的旅程，将模拟仪表的优雅与数字数据的准确性结合起来，我们将看看我们在前两章学到的内容，并构建一个带有模拟仪表显示屏的物联网天气仪表板。

在开始本章之前，请确保已将第 5 章中使用 Python控制伺服的电路连接好。

此仪表板将根据室外温度和风速显示衣柜建议。我们还将在仪表板上使用 LED 指示灯，指示是否应随身携带雨伞。

本章将介绍以下主题：

  • 从云中访问天气数据
  • 利用气象数据控制伺服系统
  • 加强我们的项目

完成本章所需的知识

要完成本章，您应该具备 Python 编程语言的实用知识。必须具备使用可连接组件的简单试验板的知识。

本项目中可使用乙烯基或工艺切割机。如何使用刀具的知识将是一项资产，这样你就可以完成这个项目。

项目概述

到本章结束时，我们应该有一个工作物联网模拟天气仪表板。我们将修改第 4 章、订阅 Web 服务、第 5 章、用 Python控制伺服的代码，为我们的仪表盘提供数据。背景将被打印并剪掉。这个背景将给我们的仪表板一个卡通般的外观。

我们将使用第 5 章中的电路使用 Python控制伺服。以下是该电路的接线图：

这个项目需要一个下午才能完成。

开始

为完成本项目，需要以下各项：

  • Raspberry Pi 3 型（2015 型或更新型）
  • USB 电源
  • 计算机显示器
  • USB 键盘
  • USB 鼠标
  • 小型伺服电动机
  • LED（任何颜色）
  • 试验板
  • 用于试验板的跨接导线
  • 彩色打印机
  • 乙烯基或工艺切割机（可选）

从云中访问天气数据

在第 4 章订阅 Web 服务中，我们编写了一个 Python 程序来访问雅虎的天气数据！天气该程序中的类CurrentWeather返回了该类实例化时使用的city值的温度、天气条件和风速。

我们将重新访问该代码，并将类名更改为WeatherData。我们还将添加一个方法，从0-100返回一个值，以指示天气。在确定该数值时，我们将考虑温度和风速，0 表示极端冬季条件，100表示非常炎热的极端夏季条件。我们将使用这个数字来控制我们的伺服。我们还将检查是否下雨，并更新 LED 以指示是否需要雨伞：

  1. 从应用程序菜单|编程| Thonny Python IDE 打开 Thonny

  2. 单击新建图标创建一个新文件

  3. 在文件中键入以下内容：

from weather import Weather, Unit

class WeatherData:

    temperature = 0
    weather_conditions = ''
    wind_speed = 0
    city = ''

    def __init__(self, city):
        self.city = city
        weather = Weather(unit = Unit.CELSIUS)
        lookup = weather.lookup_by_location(self.city)
        self.temperature = float(lookup.condition.temp)
        self.weather_conditions = lookup.condition.text
        self.wind_speed = float(lookup.wind.speed)

    def getServoValue(self):
        temp_factor = (self.temperature*100)/30
        wind_factor = (self.wind_speed*100)/20
        servo_value = temp_factor-(wind_factor/20)

        if(servo_value >= 100):
            return 100
        elif (servo_value <= 0):
            return 0
        else:
            return servo_value

    def getLEDValue(self): 
        if (self.weather_conditions=='Thunderstorm'):
            return 2;
        elif(self.weather_conditions=='Raining'):
            return 1
        else:
            return 0

if __name__=="__main__":

    weather = WeatherData('Paris')
    print(weather.getServoValue())
    print(weather.getLEDValue())
  1. 将文件另存为WeatherData.py

我们代码的核心在于getServoValue()和getLEDValue()方法：

def getServoValue(self):
     temp_factor = (self.temperature*100)/30
     wind_factor = (self.wind_speed*100)/20
     servo_value = temp_factor-(wind_factor/20)

     if(servo_value >= 100):
         return 100
     elif (servo_value <= 0):
         return 0
     else:
         return servo_value

在getServoValue方法中，我们将temp_factor和wind_factor变量设置为一个百分比值，该百分比值基于两个变量的最小值0，以及温度和风速的最大值30和20。这些是任意数量的，我们将认为 T6 摄氏度是我们极端的热温度和 20 公里的风作为我们的极端风速。通过从温度中减去 5%的风速（除以20来设置伺服值）。当然，这也是武断的。您可以根据需要随意调整百分比。

temp_factor

wind_factor

servo_value

20

servo_value

然后我们返回servo_value的值，并使用它来控制伺服。任何低于0和高于100的值都将超出我们的范围，并且不会与我们的伺服一起工作（因为我们正在将伺服移动到0和100百分比之间）。我们在getServoValue方法中使用if语句来纠正这种情况。

getLEDValue方法只是检查天气状况，并根据是否下雨返回代码。Thunderstorm将返回2的值，Rain和Light Rain将返回1的值，其他任何内容都将返回0的值。如果有雷雨，我们将使用此值使仪表板中的 LED 闪烁；如果只是下雨，则将其保持稳定；在所有其他条件下，将其关闭：

def getLEDValue(self):
     if (self.weather_conditions=='Thunderstorm'):
         return 2;
     elif(self.weather_conditions=='Rain'):
         return 1
     elif(self.weather_conditions=='Light Rain'):
         return 1
     else:
         return 0

Thunderstorm

Rain

Light Rain

if

if

用 Thonny 运行代码。您应该根据巴黎的天气条件获得伺服和 LED 的值。我在运行代码时收到以下信息：

73.075
0

利用气象数据控制伺服系统

我们即将构建物联网天气仪表板。最后一步是根据雅虎返回的天气数据控制伺服位置！天气网络服务和物理建设的背景下，我们的伺服针。

伺服范围校正

正如你们中的一些人可能已经注意到的，你们的伺服电机并没有从最小到最大移动 180 度。这是由于 GPIO 零点设置的最小和最大脉冲宽度分别为 1 ms 和 2 ms。为了解释这种差异，我们必须在实例化一个Servo对象时相应地调整min_pulse_width和max_pulse_width属性。

下面的代码就是这样做的。变量servoCorrection对min_pulse_width和max_pulse_width值进行加和减。以下代码在5秒后将伺服移动到最小位置，然后移动到最大位置：

  1. 从应用程序菜单|编程| Thonny Python IDE 打开 Thonny。

  2. 单击新建图标创建一个新文件。

  3. 在文件中键入以下内容：

from gpiozero import Servo
from time import sleep
servoPin=17

servoCorrection=0.5
maxPW=(2.0+servoCorrection)/1000
minPW=(1.0-servoCorrection)/1000

servo=Servo(servoPin, min_pulse_width=minPW, max_pulse_width=maxPW)

servo.min()
sleep(5)
servo.max()
sleep(5)
servo.min()
sleep(5)
servo.max()
sleep(5)
servo.min()
sleep(5)
servo.max()
sleep(5)

servo.close()
  1. 将文件另存为servo_correction.py。
  2. 运行代码，查看servoCorrection的值是否解决了伺服未从servo.min旋转 180 度到servo.max的问题。
  3. 调整servoCorrection直到伺服在servo.min和servo.max之间移动 180 度。我们将在天气仪表板的代码中使用servoCorrection的值。

根据天气数据更改伺服位置

我们现在已经准备好根据天气条件控制伺服的位置。我们将修改在第 5 章中创建的WeatherDashboard类*用 Python 控制伺服；*要执行此操作，请执行以下步骤：

  1. 从应用程序菜单|编程| Thonny Python IDE 打开 Thonny
  2. 单击新建图标创建一个新文件
  3. 在文件中键入以下内容：
from gpiozero import Servo
from gpiozero import LED
from time import sleep
from WeatherData import WeatherData

class WeatherDashboard:

     servo_pin = 17
     led_pin = 14
     servoCorrection=0.5
     maxPW=(2.0+servoCorrection)/1000
     minPW=(1.0-servoCorrection)/1000

     def __init__(self, servo_position=0, led_status=0):
         self.servo = Servo(self.servo_pin, min_pulse_width=
                self.minPW, max_pulse_width=self.maxPW)
         self.led = LED(self.led_pin)

         self.move_servo(servo_position)
         self.set_led_status(led_status)

     def move_servo(self, servo_position=0): 
         self.servo.value = self.convert_percentage_to_integer(
                servo_position)

     def turnOffServo(self):
         sleep(5)
         self.servo.close()

     def set_led_status(self, led_status=0):
         if(led_status==0):
             self.led.off()
         elif (led_status==1):
             self.led.on()
         else:
             self.led.blink()

     def convert_percentage_to_integer(self, percentage_amount):
        #adjust for servos that turn counter clockwise by default
        adjusted_percentage_amount = 100 - percentage_amount
        return (adjusted_percentage_amount*0.02)-1

if __name__=="__main__":
     weather_data = WeatherData('Toronto')
     weather_dashboard = WeatherDashboard(
     weather_data.getServoValue(),
     weather_data.getLEDValue())
     weather_dashboard.turnOffServo()
  1. 将文件另存为WeatherDashboard.py
  2. 运行代码并观察伺服位置是否发生变化

让我们看一下代码。

我们从导入我们需要的资源开始：

from time import sleep
from WeatherData import WeatherData

我们将time添加到我们的项目中，因为我们将在关闭Servo对象之前将其用作延迟。增加WeatherData是为了根据天气情况为我们的伺服和 LED 提供数值。

servoCorrection、maxPW和minPW变量调整我们的伺服（如果需要），如我们之前的伺服校正代码所述：

servoCorrection=0.5
maxPW=(2.0+servoCorrection)/1000
minPW=(1.0-servoCorrection)/1000

turnOffServo方法允许我们关闭与伺服的连接，停止可能发生的任何抖动运动：

def turnOffServo(self):
    sleep(5)
    self.servo.close()

我们使用sleep功能延迟关闭伺服，使其在设置到其位置之前不会关闭。

您可能还注意到第 5 章中使用 Python控制伺服的代码对convert_percentage_to_integer方法进行了更改。本项目测试的电机在右侧有一个最小位置。这与我们需要的正好相反，因此代码被更改为从 100 中减去percentage_amount，以反转此行为并为我们提供正确的伺服位置（请参阅第 5 章、使用 Python 控制伺服、了解此方法的更多信息，并使用convert_percentage_to_integer根据本章（如需要）：

def convert_percentage_to_integer(self, percentage_amount):
        #adjust for servos that turn counter clockwise by default
        adjusted_percentage_amount = 100 - percentage_amount
        return (adjusted_percentage_amount*0.02)-1

用 Thonny 运行代码。您应该看到伺服电机根据加拿大多伦多的天气条件移动到某个位置。根据运行代码时多伦多是否下雨，LED 将闪烁、保持稳定或熄灭。

现在，让我们通过为伺服和 LED 构建物理背景来增强我们的项目。

加强我们的项目

随着我们的代码的方式，现在是时候添加一个物理背景到我们的伺服。在此背景下，我们为我们的天气数据带来物联网。我们的仪表盘会根据天气情况建议我们应该穿哪种衣柜。

打印出主图形

以下是我们将用于背景的图形：

使用彩色打印机，在可打印的乙烯基上打印图形（此图像文件可从我们的 GitHub 存储库获得）。剪下伞下的孔和主图形。

要增加支撑，请使用切割器或用剪刀手动切割硬卡纸上的背板：

从可打印乙烯基片上剥下背景，并将其粘贴到背板上。使用孔将背景与背板对齐：

添加指针和 LED

将 LED 插入伞下的孔中：

通过另一个孔插入伺服电机的轮毂。如有必要，使用双面泡沫胶带将伺服固定至背板：

使用跨接导线将 LED 和伺服连接到试验板（参见本章开头的接线图）。总成应稍微倾斜放置。在我们使用新显示器运行WeatherDashboard代码之前，我们必须将打捆针安装到最小位置：

  1. 从应用程序菜单|编程| Thonny Python IDE 打开 Thonny
  2. 单击新建图标创建一个新文件
  3. 在文件中键入以下内容：
from gpiozero import Servo
servoPin=17

servoCorrection=<<put in the correction you calculated>>
maxPW=(2.0+servoCorrection)/1000
minPW=(1.0-servoCorrection)/1000

servo=Servo(servoPin, min_pulse_width=minPW, max_pulse_width=maxPW)

servo.min()
  1. 将文件另存为servo_minimum.py
  2. 运行代码，使伺服位置本身达到最小值

安装打捆针时，如果伺服电机逆时针转动至其最小值，则打捆针指向左侧；如果伺服电机顺时针转动至其最小值，则打捆针指向右侧（一旦开始实际操作伺服电机，这将更有意义）。

再次运行WeatherDashboard代码。伺服应根据天气数据移动，指示衣柜选项。如果下雨，LED 灯应该亮起。雷雨将使 LED 闪烁。否则，LED 将熄灭。

在下图中，仪表板推荐加拿大多伦多的短袖衬衫。室外天气条件下不需要雨伞：

祝贺您刚刚构建了一个物联网天气仪表板。

总结

在这个项目中，我们使用树莓 Pi 的强大功能创建了一个物联网模拟天气仪表板。在这种情况下，这涉及一个互联网控制的伺服用作模拟仪表。不难想象我们会如何修改代码来显示除天气数据以外的数据。想象一个模拟仪表显示来自远方工厂的储罐液位，液位数据通过互联网传输

模拟仪表的直观特性使其非常适合只需一瞥数据的应用。将模拟仪表与来自互联网的数据相结合，创造了一个全新的数据显示世界。

在第 7 章中设置 Raspberry Pi Web 服务器中，我们将从模拟世界中走出一步，探索如何将 Raspberry Pi 用作 Web 服务器并构建基于 Web 的仪表板。

问题

  1. 对还是错？伺服可以用作物联网设备。
  2. 对还是错？更改Servo对象上的最小和最大脉冲宽度值会修改伺服范围。
  3. 为什么我们要在调用Servo对象的close()方法之前添加延迟？
  4. 对还是错？我们的WeatherData类中不需要getTemperature()方法。
  5. 对还是错？仪表板上闪烁的 LED 指示晴朗无云的一天。
  6. 我们在仪表板上用一条短裤来表示什么？
  7. 在我们的代码中，您将在哪里使用正则表达式？
  8. 为什么我们要在代码中导入时间？
  9. 对还是错？启用物联网的伺服只能用于指示天气数据。

进一步阅读

为了增强我们的代码，可以使用正则表达式。任何关于 Python 和正则表达式的文档对于培养强大的编码技能都是非常宝贵的。*