[Micro:bit] 使用MicroPython與Boson套件設計智慧風扇

本篇文章將帶領讀者使用Microbit輕鬆打造一台小型的智慧風扇,有興趣的朋友不妨參考一下本文,一起來動手DIY吧!

作者/攝影   袁佑緣
時間   3小時
成本
難度   * * *
材料表
  • Micro:bit
  • 樂高積木
  • Micro:bit Boson 擴充版

 

介紹

本篇文章的主角是BBC推出的微型電腦micro:bit,有興趣的朋友不妨參考一下micro:bit的官方網站(http://microbit.org/),裡面有許多適合入門又豐富有趣的應用喔!

而為了要打造一台電動風扇,我們需要加裝額外的擴充版跟電子元件,本文所使用的是DFRobot推出的Boson擴充版,Boson是DFRobot 所推出的一系列電子套件,外型就像積木一樣,除了相容於LEGO之外,還可以用金屬羅絲固定,並且附有磁吸式的底座,容易組裝也容易拆卸,且電路的接口都有經過特別的設計,隨插及用,非常適合沒有電路基礎的小朋友們入門電子實做的世界!

 

想了解更多boson kit相關資訊的朋友,不妨去參考一下DFRobot的官方網站說明喔(https://www.dfrobot.com/blog-630.html)!

準備

經過前面的介紹,接下來我們就要來正式進入我們的實做部份了,首先我們在軟體以及硬體上做一些準備。

 

組裝擴充版

準備我們的micro:bit以及Boson擴充板,組裝圖如下,記得micro:bit的logo朝下面,有LED陣列的那面朝上喔,如果說到時候燒錄程式失敗的話,就會用LED陣列顯示出錯誤訊息。

micro:bit控制板

組裝micro:bit boson擴充板

組裝完成!

 

風扇製作

本範例的硬體主要是用LEGO來做,請參考下方的圖片,零件上用LEGO動力機械的基本套件就能完成囉,當然有興趣的朋友也可以自己DIY設計一個獨特風格的電風扇底座,只要記得上面要有四個boson的座,在待會的實做部份我們會慢慢放入感測器以及馬達、風扇。

軟體安裝

Micro:bit 預設的程式撰寫環境有兩種,一種是圖形化的JavaScript Blocks Editor,另外一種則是我們接下來用的MicroPython Editor。

Microbit let’s code 網站:http://microbit.org/code/

MicroPython 線上編輯器

 

 

MicroPython是將原本就容易學習的程式語言Python實做到為微控制板的架構上,好比說是micro:bit,以下是micro:bit MicroPython的詳細說明文件(http://microbit-micropython.readthedocs.io/en/latest/tutorials/introduction.html),裡面有詳細敘述許多的功能,以及API取用的方法,比起圖形化的Block Editor 來說雖然難度上升了一點,但是彈性也增加了,可以讓我們程式撰寫的功能範圍變得更廣!

MicroPython for micro:bit文件

 

除了使用剛剛在官網看到的線上版,也可以下載MicroPython文件中推薦的Mu Editor(https://codewith.mu/#download),這款編輯器主打簡單、易學,初學者只要專心在學習如何撰寫MicroPython上就好。

Mu 編輯器

 

除此之外,這個編輯器還是跨平台的,不只Windows平台上可以執行,macOS或者是Linux也可以,請讀者依照自己的作業系統環境來下載。

下載Mu Editor

 

下載完成後,打開來之後就會有如下圖的編輯器,當我們要上傳程式碼的時後,請先將micro:bit用usb線接到電腦上,再按下flash的按鈕就行囉!

實做

STEP1:控制馬達 

首先我們先加入Boson套件中的馬達,請裝在基座的正中間,組裝如下圖。

裝完馬達跟風扇之後,接下來請把Boson的訊號線接到micro:bit Boson擴充板的8號腳位上,也就是右上角的那個插座,如下圖。

再來請打開我們的Mu Editor,並打上以下的範例程式碼。

from microbit import *

mode = [700, 900, 1023]
while True:
    for speed in mode:
        print(speed)
        pin8.write_analog(speed)
        sleep(1000)

 

程式碼解說

首先從microbit這個Python函式庫中引入所有的函式,也就是把我們所需要的工具都加進這支程式當中。

接下來再宣告一個變數mode,為三個數字的串列(list),其實就是建造一個三段變速的電風扇,而裡面的數字大小代表的則是馬達的輸出馬力,數字越大就會越強,風力也越大,注意到1023是最高的馬力,而最低馬力700則是個建議的數值,太低的話有可能馬達會轉不到風扇,這點要特別注意喔!

最後我們有一個大大的while迴圈,裡面在包著一個for迴圈,所謂的迴圈就是會在某種條件下一直執行動作的意思,好比說while True就是一直迴圈,for speed in mode就是在三段變速中各執行一次的意思。

至於for迴圈裡面的所執行的動作,就是很直接的把我們的馬達設成三段變速中的速度囉!其中要注意的是,我們所使用是函式(function)是write_analog,意思就是用類比(analog)電壓去驅動我們風扇的馬達,因為用數位的模式就只有開跟關的模式,為了要做到變速的模式,才需要用到類比控制喔!

 

 

 

STEP2:開關控制 

有了馬達之後,我們學會了撰寫程式碼來控制電風扇,但是這樣在使用上可能還不夠直接,如果說我們要像生活中的電風扇一樣,可以有個按鈕來開關電風扇呢?這時候就需要加裝感測器(sensor)啦,請依照下方的組裝圖加上一個Boson套件的按鈕,並把它接到擴充版上的腳位12上。

以下是這個範例的程式碼。

from microbit import *

fan_switch = False
while True:
    if pin12.read_digital():
        fan_switch = not fan_switch
        print('ON' if fan_switch else 'OFF')
        pin8.write_digital(int(fan_switch))
        while pin12.read_digital():
            sleep(100)

 

程式碼解說

在這個範例中,我們把重點放在風扇的開關上,所以在控制轉動風扇的馬達時,我們使用的就不是像前面變速式的類比(analog)方式,而是開跟關兩種模式互相切換的數位(digital)方式,所以用的函式是用write_digital。

在程式中,我們有宣告一個變數fan_switch,用來儲存現在使用者控制風扇的按鈕狀態(第12號腳位),每當使用者按下開關又放開之後,就會改變一次fan_switch的狀態,有可能是從開的狀態轉成關(ON->OFF),或者是相反,只要我們把這個fan_switch變數轉成數字後丟到控制馬達的函式上,就能夠達到開關風扇的功能囉!

請參考下面的示範影片,讀者是否能能順利做到開關風扇呢?

 

STEP3:風量調整

 

接下來我們來整合一下前面兩步的範例,除了要能夠開關之外,還要加入一個旋鈕來調整風力大小,讓這個風扇更加的貼近使用者!

請按照下圖,加裝一個Boson 旋鈕套件到風扇的基座上,並把訊號線接到擴充板的0號腳位上,也就是板子的左上角。

以下是這個範例的程式碼。

from microbit import *

fan_switch = False
fan_mode = ["slow", "medium","fast"]
fan_power = [700, 900, 1023]

def fan_mode_switch(value):
    interval = int(1023/3)
    for i in range(3):
        if value >= i * interval and value < (i+1)*interval:
            break
    return fan_mode[i], fan_power[i]

previous_mode, power = fan_mode_switch(pin0.read_analog())

while True:
    if pin12.read_digital():
        fan_switch = not fan_switch
        print('Fan status: ' + ('ON' if fan_switch else 'OFF'))
        while pin12.read_digital():
            sleep(100)
    if fan_switch:
        mode, power = fan_mode_switch(pin0.read_analog())
        if mode is not previous_mode:
            previous_mode = mode
            print("Fan mode: ", mode)
            pin8.write_analog(power)
    else:
        previous_mode = 'OFF'
        pin8.write_analog(0)
    sleep(300)

程式碼解說

程式好像比起前面兩個程式碼加起來多了不少,就讓我們慢慢來拆解看看是怎麼實作的吧!

首先我們比起STEP1中的三段變速又更明確的定義了馬力(fan_power)跟風速模式(fan_mode)了,並且我們用def定義了一個自己的函式出來,這個fan_mode_switch函式主要會從吃進來的value值,也就是我們旋鈕轉到的數值,來決定我們現在風扇的模式,並輸出對應的馬力值。

而我們是如何判斷風扇馬力的模式呢?其實就是把我們的旋鈕數值(0到1023)分成三等份,然後看看當下使用者轉到的數值是落那一個區間上,就把它對應到三種不同的風力模式(slow, medium, fast)。

最後,這隻範例程式碼還有一個小細節是值得初學者去注意的,當我們在切換模式的時候,我們都必須要注意只有當前一刻風力模式跟此刻轉到的風力模式時才需要去改變我們馬達的轉速,同時顯示的馬力大小才需要去更新,所以我們會用一個previous_mode變數來儲存上一刻的模式喔!

以下是我們的示範影片。

 

STEP4:智慧風扇

最後,我們還想要加入一些常見的風扇沒有的功能,來讓我們的小風扇更加的智慧化,並貼近使用者的使用環境。請依照下面的組裝圖加上一個Boson套件的motion 感測器,並把訊號線接到1號腳位上。

而什麼是motion sensor呢?其實就是所謂的PIR(Passive Infrared Sensor),常見的用途就是用來偵測人體的接近(靠著生物體的紅外線),有時候我們在逃生梯上下樓時,電燈自動會開啟其實就是因為有這種感測器,它會自動偵測有人在走動來自動打光。

而我們想要實做的功能就是除了STEP3中有的功能以外,還要加入一個情境,如果偵測到有人的話,例如說偵測到人的手,就會自動開啟電風扇,而不需要特地去壓按鈕還開電風扇,一起來看是如何實做的吧!

以下是這個範例的程式碼。

from microbit import *

fan_switch = False
fan_mode = ["slow", "medium","fast"]
fan_power = [700, 900, 1023]

def fan_mode_switch(value):
    interval = int(1023/3)
    for i in range(3):
        if value >= i * interval and value < (i+1)*interval:
            break
    return fan_mode[i], fan_power[i]

previous_mode, power = fan_mode_switch(pin0.read_analog())

while True:
    if pin12.read_digital():
        fan_switch = not fan_switch
        print('Fan status: ' + ('ON' if fan_switch else 'OFF'))
        while pin12.read_digital():
            sleep(100)
    if fan_switch:
        mode, power = fan_mode_switch(pin0.read_analog())
        if mode is not previous_mode:
            previous_mode = mode
            print("Fan mode: ", mode)
            pin8.write_analog(power)
    elif pin1.read_digital():
        fan_switch = True
        print('Fan status: ' + 'ON')
    else:
        previous_mode = 'OFF'
        pin8.write_analog(0)
    sleep(300)

程式碼解說

比起STEP3的程式碼,我們延伸了主結構中的if…else…,將fan_switch的狀態以外,再新增(elif)了一個motion sensor的狀態(pin1.read_digital),注意到motion sensor只能偵測是否有人靠近,所以使用的是數位的訊號(digital),它無法偵測距離多寡,而且如果身體靜止一段時間的話,也不會觸發motion sensor喔!

以下是我們最後完成的智慧風扇影片,可以用按鈕開關風扇,還可以用旋鈕調整轉速,並且還能用motion sensor在有人的時候自動開啟風扇!

 

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