使用樹莓派做一個(gè)倒計(jì)時(shí)器
圓周率日Pi Day（3 月 14 日） 來了又走，留下美好的回憶以及 許多樹莓派項(xiàng)目 等待我們?nèi)L試。在任何令人精神振奮、充滿歡樂的假期后回到工作中都很難，圓周率日也不例外。當(dāng)我們回望三月的時(shí)候，渴望那些天的快樂。但是不用害怕，親愛的圓周率日慶祝者們，我們開始下一個(gè)節(jié)日的漫長(zhǎng)倒計(jì)時(shí)！
好了，嚴(yán)肅點(diǎn)。我做了一個(gè)圓周率日倒計(jì)時(shí)器，你也可以！
不久前，我購(gòu)買了一個(gè) 樹莓派 Zero W，并且用它來 解決 WiFi 信號(hào)較差的原因 。我也對(duì)使用電子紙ePaper來作為它的顯示屏十分感興趣。雖然我不知道該用它來干什么，但是！它看起來真的很有趣！我買了一個(gè)十分適合放在樹莓派的頂部的 2.13 英寸的 WaveShare 顯示器 。安裝很簡(jiǎn)單：只需要將顯示器接到樹莓派的 GPIO 上即可。
我使用 樹莓派操作系統(tǒng) 來實(shí)現(xiàn)該項(xiàng)目，雖然其他的操作系統(tǒng)肯定也能完成。但是下面的 ??raspi-config?? 命令在樹莓派系統(tǒng)上很容易使用。
設(shè)置樹莓派和電子紙顯示屏
設(shè)置樹莓派和電子紙顯示屏一起工作，需要你在樹莓派軟件中啟用串行外設(shè)接口（SPI），安裝 BCM2835 C 庫(kù)（來訪問樹莓派上的博通
BCM 2835 芯片的 GPIO 功能），安裝 Python GPIO 庫(kù)來控制電子紙顯示屏。最后，你需要安裝 WaveShare 的庫(kù)來使用
Python 控制這個(gè) 2.13 英寸的顯示屏。
下面是完成這些的步驟。
啟用 SPI
樹莓派上啟用 SPI 最簡(jiǎn)單的方式是使用 ??raspi-config?? 命令。SPI 總線允許與設(shè)備進(jìn)行串行數(shù)據(jù)通信——在本例中，電子紙顯示：
$ sudo raspi-config從彈出的菜單中, 選擇 “接口選項(xiàng)Interfacing Options-> SPI -> 是Yes” 來啟用 SPI 接口，然后啟動(dòng)。
安裝 BCM2835 庫(kù)
如上所述，BCM2835 庫(kù)是用于樹莓派博通 BCM2385 芯片的軟件，它允許訪問 GPIO 引腳來控制設(shè)備。
在我寫這篇文章之時(shí)，用于樹莓派的最新博通 BCM2385 庫(kù)版本是 v1.68 。安裝此庫(kù)需要下載軟件壓縮包然后使用 ??make?? 來安裝：
# 下載 BCM2853 庫(kù)并解壓
$ curl -sSL http://www.airspayce.com/mikem/bcm2835/bcm2835-1.68.tar.g> -o - | tar -xzf -
# 進(jìn)入解壓后的文件夾
$ pushd bcm2835-1.68/
# 配置、檢查并安裝 BCM2853 庫(kù)
$ sudo ./configure
$ sudo make check
$ sudo make install
# 返回上級(jí)目錄
$ popd
安裝需要的 Python 庫(kù)
你用 Python 控制電子紙顯示屏需要安裝 Python 庫(kù) ??RPi.GPIO???，還需要使用 ??python3-pil?? 包來畫圖。顯然，PIL 包已經(jīng)不行了，但 Pillow 可以作為代替方案。我還沒有為該項(xiàng)目測(cè)試過 Pillow ，但它可行：
# 安裝需要的 Python 庫(kù)
$ sudo apt-get update
$ sudo apt-get install python3-pip python3-pil
$ sudo pip3 install RPi.GPIO
注意：這些是 Python3 的指令。你可以在 WaveShare 網(wǎng)站查到 Python2 的指令。
下載 WaveShare 示例和 Python 庫(kù)
Waveshare 維護(hù)了一個(gè) Python 和 C 的 Git 庫(kù)，用于使用其電子紙顯示屏和一些展示如何使用它們的示例。對(duì)這個(gè)倒計(jì)時(shí)時(shí)鐘而言，你需要克隆這個(gè)庫(kù)并使用用于 2.13 英寸顯示屏的庫(kù)：
# 克隆這個(gè) WaveShare e-Paper git 庫(kù)
$ git clone https://github.com/waveshare/e-Paper.gi>
如果你用不同的顯示器或者其他公司產(chǎn)品，需要使用適配軟件。
Waveshare 提供了很多指導(dǎo)：
獲得有趣的字體（選做）
你可以隨心所欲的使用顯示器，為什么不搞點(diǎn)花樣？找一個(gè)炫酷的字體！
這有大量 開放字體許可 的字體可供選擇。我十分喜愛 Bangers 字體。如果你看過 YouTube 那你見過這種字體了，它十分流行。你可以下載到本地的共享字體目錄文件中，并且所有的應(yīng)用都可以使用，包括這個(gè)項(xiàng)目：
# “Bangers” 字體是 Vernon Adams 使用 Google 字體開放許可授權(quán)的字體
$ mkdir -p ~/.local/share/fonts
$ curl -sSL https://github.com/google/fonts/raw/master/ofl/bangers/Bangers-Regular.ttf -o fonts/Bangers-Regular.ttf
創(chuàng)建一個(gè)圓周率日倒計(jì)時(shí)器
現(xiàn)在你已經(jīng)安裝好了軟件，可以使用帶有炫酷字體的電子紙顯示屏了。你可以創(chuàng)建一個(gè)有趣的項(xiàng)目：倒計(jì)時(shí)到下一個(gè)圓周率日！
如果你想，你可以從該項(xiàng)目的 ??GitHub 倉(cāng)庫(kù)?? 直接下載 ??countdown.py?? 這個(gè) Python 文件并跳到文章結(jié)尾。
為了滿足大家的好奇心，我將逐步講解。
導(dǎo)入一些庫(kù)
#!/usr/bin/python3
# -*- coding:utf-8 -*-
import logging
import os
import sys
import time
from datetime import datetime
from pathlib import Path
from PIL import Image,ImageDraw,ImageFont
logging.basicConfig(level=logging.INFO)
basedir = Path(__file__).parent
waveshare_base = basedir.joinpath('e-Paper', 'RaspberryPi_JetsonNano', 'python')
libdir = waveshare_base.joinpath('lib')
開始先導(dǎo)入一些標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)之后腳本中用。也需要你從 PIL 添加 ??Image??、??ImageDraw?? 和 ??ImageFont??，你會(huì)用到這些來畫一些簡(jiǎn)單的圖形。最后，為本地 ??lib?? 目錄設(shè)置一些變量，該目錄包含了用于 2.13 英寸顯示屏的 Waveshare Python 庫(kù)，稍后你可以使用這些變量從本地目錄加載庫(kù)。
字體大小輔助函數(shù)
下一部分是為你選擇的 Bangers-Regular.ttf 字體建立一個(gè)修改大小的輔助函數(shù)。該函數(shù)將整型變量作為大小參數(shù)，并返回一個(gè)圖形字體對(duì)象來用于顯示：
def set_font_size(font_size):
logging.info("Loading font...")
return ImageFont.truetype(f"{basedir.joinpath('Bangers-Regular.ttf').resolve()}", font_size)
倒計(jì)時(shí)邏輯
接下來是計(jì)算這個(gè)項(xiàng)目的一個(gè)函數(shù)：距下次圓周率日還有多久。如果是在一月，那么計(jì)算剩余天數(shù)將很簡(jiǎn)單。但是你需要考慮是否今年的圓周率日是否已經(jīng)過去了（允悲）。如果是的話，那么計(jì)算在你可以再次慶祝之前還有多少天：
def countdown(now):
piday = datetime(now.year, 3, 14)
# 如果錯(cuò)過了就增加一年
if piday < now:
piday = datetime((now.year + 1), 3, 14)
days = (piday - now).days
logging.info(f"Days till piday: {days}")
return day
主函數(shù)
最后，到了主函數(shù)，需要初始化顯示屏并向它寫數(shù)據(jù)。這時(shí)，你應(yīng)該寫一個(gè)歡迎語(yǔ)然后再開始倒計(jì)時(shí)。但是首先，你需要加載 Waveshare 庫(kù)：
def main():
if os.path.exists(libdir):
sys.path.append(f"{libdir}")
from waveshare_epd import epd2in13_V2
else:
logging.fatal(f"not found: {libdir}")
sys.exit(1)
上面的代碼片段檢查以確保該庫(kù)已下載到倒計(jì)時(shí)腳本旁邊的目錄中，然后加載??epd2in13_V2?? 庫(kù)。如果你使用不同的顯示屏，則需要使用不同的庫(kù)。如果你愿意，也可以自己編寫。我發(fā)現(xiàn)閱讀 Waveshare 隨顯示屏提供的 Python 代碼很有趣，它比我想象的要簡(jiǎn)單得多。
下一段代碼創(chuàng)建一個(gè) EPD（電子紙顯示屏）對(duì)象以與顯示器交互并初始化硬件：
logging.info("Starting...")
try:
# 創(chuàng)建一個(gè)顯示對(duì)象
epd = epd2in13_V2.EPD()
# 初始化并清空顯示
# ePaper 保持它的狀態(tài)處分更新
logging.info("Initialize and clear...")
epd.init(epd.FULL_UPDATE)
epd.Clear(0xFF)
關(guān)于電子紙的一個(gè)有趣之處：它僅在將像素從白色變?yōu)楹谏驈暮谏優(yōu)榘咨珪r(shí)才耗電。這意味著當(dāng)設(shè)備斷電或應(yīng)用程序因任何原因停止時(shí)，屏幕上的任何內(nèi)容都會(huì)保留下來。從功耗的角度來看，這很好，但這也意味著你需要在啟動(dòng)時(shí)清除顯示，否則你的腳本只會(huì)覆蓋屏幕上已有的內(nèi)容。
因此，??epd.Clear(0xFF)?? 用于在腳本啟動(dòng)時(shí)清除顯示。
接下來，創(chuàng)建一個(gè)“畫布”來繪制剩余的顯示輸出：
# 創(chuàng)建一個(gè)圖形對(duì)象
# 注意："epd.heigh" 是屏幕的長(zhǎng)邊
# 注意："epd.width" 是屏幕的短邊
# 真是反直覺…
logging.info(f"Creating canvas - height: {epd.height}, width: {epd.width}")
image = Image.new('1', (epd.height, epd.width), 255) # 255: clear the frame
draw = ImageDraw.Draw(image)
這與顯示器的寬度和高度相匹配——但它有點(diǎn)反直覺，因?yàn)轱@示器的短邊是寬度。我認(rèn)為長(zhǎng)邊是寬度，所以這只是需要注意的一點(diǎn)。 請(qǐng)注意，??epd.height?? 和 ??epd.width?? 由 Waveshare 庫(kù)設(shè)置以對(duì)應(yīng)于你使用的設(shè)備。
歡迎語(yǔ)
接下來，你將開始畫一些畫。這涉及在你之前創(chuàng)建的“畫布”對(duì)象上設(shè)置數(shù)據(jù)。這還沒有將它繪制到電子紙顯示屏上——你現(xiàn)在只是在構(gòu)建你想要的圖像。由你為這個(gè)項(xiàng)目繪制帶有一塊餡餅的圖像，來創(chuàng)建一個(gè)慶祝圓周率日的歡迎信息：
畫一塊餡餅
很可愛，不是嗎？
logging.info("Set text text...")
bangers64 = set_font_size(64)
draw.text((0, 30), 'PI DAY!', font = bangers64, fill = 0)
logging.info("Set BMP...")
bmp = Image.open(basedir.joinpath("img", "pie.bmp"))
image.paste(bmp, (150,2))
最后，真是是最后了，你可以展示你畫的圖畫：
logging.info("Display text and BMP")
epd.display(epd.getbuffer(image))
上面那段話更新了顯示屏，以顯示你所畫的圖像。
接下來，準(zhǔn)備另一幅圖像展示你的倒計(jì)時(shí)：
圓周率日倒計(jì)時(shí)
首先，創(chuàng)建一個(gè)用來展示倒計(jì)時(shí)的圖像對(duì)象。也需要設(shè)置數(shù)字的字體大小：
logging.info("Pi Date countdown; press CTRL-C to exit")
piday_image = Image.new('1', (epd.height, epd.width), 255)
piday_draw = ImageDraw.Draw(piday_image)
# 設(shè)置字體大小
bangers36 = set_font_size(36)
bangers64 = set_font_size(64)
為了使它顯示的時(shí)候更像一個(gè)倒計(jì)時(shí)，更新圖像的一部分是更加有效的手段，僅更改已經(jīng)改變的顯示數(shù)據(jù)部分。下面的代碼準(zhǔn)備以這樣方式運(yùn)行：
# 準(zhǔn)備更新顯示
epd.displayPartBaseImage(epd.getbuffer(piday_image))
epd.init(epd.PART_UPDATE)
最后，需要計(jì)時(shí)，開始一個(gè)無(wú)限循環(huán)來檢查據(jù)下次圓周率日還有多久，并顯示在電子紙上。如果到了圓周率日，你可以輸出一些慶祝短語(yǔ)：
while (True):
days = countdown(datetime.now())
unit = get_days_unit(days)
# 通過繪制一個(gè)填充有白色的矩形來清除屏幕的下半部分
piday_draw.rectangle((0, 50, 250, 122), fill = 255)
# 繪制頁(yè)眉
piday_draw.text((10,10), "Days till Pi-day:", font = bangers36, fill = 0)
if days == 0:
# 繪制慶祝語(yǔ)
piday_draw.text((0, 50), f"It's Pi Day!", font = bangers64, fill = 0)
else:
# 繪制距下一次 Pi Day 的時(shí)間
piday_draw.text((70, 50), f"{str(days)} {unit}", font = bangers64, fill = 0)
# 渲染屏幕
epd.displayPartial(epd.getbuffer(piday_image))
time.sleep(5)
腳本最后做了一些錯(cuò)誤處理，包括捕獲鍵盤中斷，這樣你可以使用 ??Ctrl + C??? 來結(jié)束無(wú)限循環(huán)，以及一個(gè)根據(jù)計(jì)數(shù)來打印 ??day??? 或 ??days?? 的函數(shù)：
except IOError as e:
logging.info(e)
except KeyboardInterrupt:
logging.info("Exiting...")
epd.init(epd.FULL_UPDATE)
epd.Clear(0xFF)
time.sleep(1)
epd2in13_V2.epdconfig.module_exit()
exit()
def get_days_unit(count):
if count == 1:
return "day"
return "days"
if __name__ == "__main__":
main()
現(xiàn)在你已經(jīng)擁有一個(gè)倒計(jì)時(shí)并顯示剩余天數(shù)的腳本！這是在我的樹莓派上的顯示（視頻經(jīng)過加速，我沒有足夠的磁盤空間來保存一整天的視頻）：
Pi Day Countdown Timer In Action
安裝 systemd 服務(wù)（選做）
如果你希望在系統(tǒng)打開時(shí)運(yùn)行倒計(jì)時(shí)顯示，并且無(wú)需登錄并運(yùn)行腳本，你可以將可選的 systemd 單元安裝為 ??systemd 用戶服務(wù)??。
將 GitHub 上的 ??piday.service??? 文件復(fù)制到 ??${HOME}/.config/systemd/user??，如果該目錄不存在，請(qǐng)先創(chuàng)建該目錄。然后你可以啟用該服務(wù)并啟動(dòng)它：
$ mkdir -p ~/.config/systemd/user
$ cp piday.service ~/.config/systemd/user
$ systemctl --user enable piday.service
$ systemctl --user start piday.service
# Enable lingering, to create a user session at boot
# and allow services to run after logout
$ loginctl enable-linger $USER
該腳本將輸出到 systemd 日志，可以使用 ??journalctl?? 命令查看輸出。
它開始看起來像是圓周率日了！
這就是你的作品！一個(gè)顯示在電子紙顯示屏上的樹莓派 Zero W 圓周率日倒計(jì)時(shí)器！并在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)使用 systemd 單元文件啟動(dòng)！現(xiàn)在距離我們可以再次相聚慶祝圓周率日還有好多天的奇妙設(shè)備———樹莓派。通過我們的小項(xiàng)目，我們可以一目了然地看到確切的天數(shù)。
但實(shí)際上，每個(gè)人都可以在每一天在心中慶祝圓周率日，因此請(qǐng)使用自己的樹莓派創(chuàng)建一些有趣且具有教育意義的項(xiàng)目吧！
