使用Alexa和Arduino的動(dòng)畫(huà)智能燈

描述

為什么燈帶

我一直對(duì)可尋址的 RGB LED 燈帶著迷。無(wú)窮無(wú)盡的色彩效果和動(dòng)畫(huà)功能一直吸引著我的創(chuàng)造力，所以幾年前我決定為 Arduino 板開(kāi)發(fā)一個(gè)名為 ALA（Arduino Light Animations）的庫(kù)。Alexa 現(xiàn)在讓我可以用我的聲音控制房間的燈光和效果，這太棒了！

項(xiàng)目概況

有這個(gè)項(xiàng)目所必需的組件。

• Amazon Alexa：自定義 Alexa 技能（Light Strip）定義語(yǔ)音交互模型并翻譯發(fā)出到 Lambda 函數(shù)的命令（意圖）。

• Amazon Lambda ：一個(gè) Python 腳本，它從 Alexa 接收消息并將更新發(fā)送到 IoT 服務(wù)。

• 亞馬遜物聯(lián)網(wǎng)：物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)存儲(chǔ)一個(gè)“事物影子”，它代表了 RGB 條帶的狀態(tài)。每次影子更新時(shí)，訂閱的 MQTT 客戶端 (Raspberry PI) 都會(huì)收到通知。

• Raspberry PI ：這臺(tái)小型 PC 運(yùn)行 MQTT 客戶端以接收來(lái)自 Amazon IoT 服務(wù)的消息。另一方面，它將通過(guò) USB 端口為 Arduino 板供電并發(fā)送命令。

• Arduino ：這個(gè)不錯(cuò)的微控制器將運(yùn)行ALA 庫(kù)來(lái)驅(qū)動(dòng) LED 燈條，通過(guò) USB 串行端口接收來(lái)自 Raspberry PI 的命令。您可以使用 Arduino Uno、Nano 或 Mega 開(kāi)發(fā)板。

• WS8212 RGB LED 燈條：這些是可尋址的 LED 燈條，因此每個(gè) LED 燈都可以單獨(dú)控制。這允許美麗多彩的燈光動(dòng)畫(huà)。

項(xiàng)目中沒(méi)有什么是非常具有挑戰(zhàn)性的，但是有很多相互關(guān)聯(lián)的部分。我建議您按照建議的結(jié)構(gòu)在堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)上構(gòu)建您的項(xiàng)目，然后再繼續(xù)下一步。為了使事情盡可能簡(jiǎn)單，我將項(xiàng)目拆分為兩個(gè)子項(xiàng)目。

該項(xiàng)目的第一部分在我的Web-Controlled LED Animations with Raspberry Pi and Arduino Hackster.io 項(xiàng)目中有所描述，它將指導(dǎo)您完成連接 Raspberry PI、Arduino 板和 WS8212 LED 燈條所需的步驟。在此階段結(jié)束時(shí)，您將能夠使用網(wǎng)絡(luò)瀏覽器從智能手機(jī)或 PC 控制 LED 動(dòng)畫(huà)。

此處描述的項(xiàng)目的第二部分將使用 Amazon Alexa 在之前的實(shí)施中添加語(yǔ)音控制。要正確設(shè)置整個(gè)鏈條，需要執(zhí)行幾個(gè)步驟，因此請(qǐng)耐心等待并仔細(xì)按照說(shuō)明操作。

亞馬遜物聯(lián)網(wǎng)

你完成硬件部分了嗎？現(xiàn)在是上云的時(shí)候了！我們將使用 AWS IoT 平臺(tái)來(lái)管理來(lái)自互聯(lián)網(wǎng)的“事物”。

我們將使用“設(shè)備影子”，它是事物狀態(tài)的副本，以及所需的更改。Raspberry PI 將訂閱一個(gè)通知提要，將更改（“增量”）發(fā)布到此影子。查看此鏈接以了解有關(guān) AWS IoT 平臺(tái)和 API 的更多信息。

創(chuàng)建物聯(lián)網(wǎng)事物

登錄AWS 控制臺(tái)。如果您還沒(méi)有這樣做，則需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)免費(fèi)帳戶。

確保您已登錄右上角的美國(guó)東部（弗吉尼亞北部）或歐洲（愛(ài)爾蘭）區(qū)域。

搜索“IoT”并選擇AWS IoT服務(wù)。單擊“開(kāi)始”按鈕（如果有）以關(guān)閉介紹教程。

我們首先需要為我們的“事物”創(chuàng)建一個(gè)安全策略。轉(zhuǎn)到Secure > Policies菜單，然后單擊Create a Policy按鈕并輸入以下信息：

• 名稱：LightStripPolicy

• 行動(dòng)： *

• 資源： *

• 效果 - 允許：選中

• 點(diǎn)擊“創(chuàng)建”

現(xiàn)在我們可以創(chuàng)建 IoT Thing了。

• 選擇Manage > Things菜單并通過(guò)單擊Register a Thing按鈕（或右上角的Create按鈕）然后單擊Create a single thing創(chuàng)建一個(gè)新的 AWS IoT Thing 。

• 在名稱字段中鍵入“LS01”。保留其他字段的默認(rèn)值并單擊下一步。

• 單擊一鍵式證書(shū)創(chuàng)建部分中的創(chuàng)建證書(shū)按鈕。

• 為您的設(shè)備和根 CA 下載 3 個(gè)證書(shū)。對(duì)于 Root CA，您可能需要右鍵單擊并保存它。

• 下載證書(shū)后，單擊“激活”按鈕。

• 單擊Attach a Policy按鈕，選擇您之前創(chuàng)建的LightStripPolicy ，然后單擊Register Thing 。

在繼續(xù)之前，您需要記下 AWS IoT 端點(diǎn)。單擊AWS IoT 網(wǎng)頁(yè)左下角的設(shè)置菜單，打開(kāi)它并記下端點(diǎn)。

配置 Raspberry PI 以收聽(tīng)“事物”

我們首先需要在 Raspberry PI 命令行上使用以下命令安裝AWS IoT Device SDK for Python ：

sudo pip3 install AWSIoTPythonSDK

現(xiàn)在從 GitHub 下載LightStrip 存儲(chǔ)庫(kù)并解壓縮。

mkdir
cd /home/pi/LightStrip
wget https://github.com/bportaluri/LightStrip/archive/master.zip
unzip master.zip

將創(chuàng)建 IoT 事物時(shí)下載的四個(gè)證書(shū)復(fù)制到/home/pi/LightStrip/LightStrip-master/pi文件夾中。

編輯lightstripcfg.py腳本。您可以使用任何文本編輯器。以下是nano編輯器的命令。

cd /home/pi/LightStrip/LightStrip-master/pi
nano lightstripcfg.py

現(xiàn)在編輯設(shè)置以匹配您的配置。

• AWSIOT：輸入您之前記下的 AWS IoT 終端節(jié)點(diǎn)。

• ROOT_CA：根CA證書(shū)文件名

• CERTIFICATE：證書(shū)的文件名

• PRIVATE_KEY：私鑰文件名

• DEVICE_NAME：保持不變?yōu)椤癓S01”

關(guān)閉 nano 編輯器并按“Ctrl+X”然后按“Y”保存文件。

按如下方式啟動(dòng) lig??htstrip.py 腳本。

sudo python3 lightstrip.py

該腳本將列出連接的 USB 端口。Arduino 應(yīng)該連接到 /dev/ttyACM0 所以運(yùn)行腳本傳遞這樣的端口。

sudo python3 lightstrip.py /dev/ttyACM0

測(cè)試客戶端將連接到 Amazon Thing Shadow 服務(wù)并訂閱LS01影子設(shè)備的更改。成功連接后，客戶端腳本會(huì)將其狀態(tài)更新為 LS01 設(shè)備影子，并收到這樣的確認(rèn)消息。

要驗(yàn)證一切是否正常工作，請(qǐng)返回 AWS IoT 控制臺(tái)并選擇“管理”>“事物”菜單，然后打開(kāi)LS01設(shè)備。選擇陰影菜單，您將看到設(shè)備陰影狀態(tài)。

單擊 Shadow Document 部分中的Edit鏈接，并將以下 JSON 文檔粘貼到 Shadow state 框中。

{
 "desired": {
   "animation": "101"
 }
}

這是你應(yīng)該看到的。

單擊“保存”鏈接時(shí)，“增量”消息將發(fā)送到 Raspberry PI 上的 MQTT 客戶端，這將打開(kāi) LED 燈帶。

以下 JSON 文檔會(huì)將顏色變?yōu)樗{(lán)色。

{
 "desired": {
   "color": "0066CC"
 }
}

在這一點(diǎn)上，我們能夠從 ASW 物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)控制我們的 LED 燈條，所以你應(yīng)該為你感到驕傲。

AWS Lambda 函數(shù)

AWS Lambda 允許在云中運(yùn)行代碼而無(wú)需配置或管理服務(wù)器。它是 Alexa Skills Kit 之間的完美橋梁，將在該項(xiàng)目的最后一步啟用語(yǔ)音控制。

登錄到AWS 控制臺(tái)。從服務(wù)列表中，選擇Lambda 。

確保您登錄的區(qū)域與您在上一步中使用的區(qū)域相同：右上角的美國(guó)東部（弗吉尼亞北部）或歐洲（愛(ài)爾蘭）區(qū)域。

單擊創(chuàng)建函數(shù)按鈕。點(diǎn)擊Author from scratch ，配置如下：

• 名稱 = LightStrip

• 運(yùn)行時(shí) = Python 3.6

• 角色 = 創(chuàng)建自定義角色。這將啟動(dòng)一個(gè)新選項(xiàng)卡。只需單擊“允許”按鈕即可創(chuàng)建一個(gè)名為 lambda_basic_execution 的新角色。

• 現(xiàn)有角色：lambda_basic_execution

• 單擊創(chuàng)建函數(shù)按鈕

記下右上角的 Lambda ARN ID。

單擊LightStrip框以顯示功能代碼部分。

代碼輸入類型：內(nèi)聯(lián)編輯代碼

• 運(yùn)行時(shí)：Python 3.6

• 處理程序：lambda_function.lambda_handler

應(yīng)該已經(jīng)定義了lambda_function.py腳本。將LightStrip\lambda\lambda_function.py文件中的代碼粘貼到代碼編輯器中。

創(chuàng)建另一個(gè)名為ala_controller.py的文件，并將LightStrip\lambda\ala_controller.py文件中的代碼粘貼到代碼編輯器中。

這就是整個(gè)事情的樣子。

完成后，單擊右上角的橙色保存按鈕。

Alexa 技能

我們現(xiàn)在可以為 Alexa 創(chuàng)建 Light Strip 自定義技能。

轉(zhuǎn)到Amazon Developer Console并根據(jù)需要登錄。您可能需要先注冊(cè)您的帳戶。

轉(zhuǎn)到Alexa > Alexa Skills Kit（入門(mén)）。

單擊右上角的添加新技能按鈕，然后在技能信息選項(xiàng)卡中輸入以下數(shù)據(jù)：

• 技能類型：自定義交互模型

• 語(yǔ)言：英語(yǔ)（美國(guó)）

• 名稱：燈帶

• 調(diào)用名稱：燈帶

• 點(diǎn)擊保存

這創(chuàng)造了技能。請(qǐng)注意技能 ID。

選擇“交互模型”菜單，然后單擊“啟動(dòng)技能生成器”按鈕。

單擊代碼編輯器按鈕并將LightStrip/alexaskill/lightstrip_skill.json文件的內(nèi)容粘貼到文本框中。

單擊保存模型和構(gòu)建模型按鈕。構(gòu)建模型需要幾分鐘時(shí)間，請(qǐng)耐心等待。單擊技能信息按鈕返回技能配置頁(yè)面。

現(xiàn)在點(diǎn)擊配置菜單。

在服務(wù)端點(diǎn)類型中，選擇AWS Lambda ARN ，然后粘貼您在上面記下的 Lambda 函數(shù) ARN。

保留所有默認(rèn)值并單擊下面的“保存”按鈕。

將 Alexa 技能連接到 Lambda 函數(shù)

返回您的 Lambda 函數(shù)。在右側(cè)有一個(gè)預(yù)定義觸發(fā)器列表。選擇Alexa Skills Kit ，它將添加到您的函數(shù)中。

配置如下：

• 應(yīng)用程序 ID = 您在上面記下的技能 ID

• 點(diǎn)擊添加

• 點(diǎn)擊保存

你完成了

該項(xiàng)目現(xiàn)已完成。嘗試以下語(yǔ)音命令：

• 打開(kāi)燈帶

• 打開(kāi)

• 將亮度設(shè)置為 20%

• 將亮度設(shè)置為 50%

• 將顏色設(shè)置為紅色

• 將顏色設(shè)置為綠松石色

• 關(guān)掉

• 運(yùn)行令人興奮的動(dòng)畫(huà)

• 播放輕松的動(dòng)畫(huà)

LightStrip 技能還允許更高級(jí)的語(yǔ)音交互

• 我：Alexa，打開(kāi) Light Strip

• Alexa：歡迎使用 LightStrip - LED 燈條會(huì)發(fā)出藍(lán)光

• 我：?jiǎn)?dòng)動(dòng)畫(huà)

• Alexa：你想要輕松還是刺激的動(dòng)畫(huà)？

• 我：放松

• Alexa：好的 - LED 燈帶將顯示隨機(jī)動(dòng)畫(huà)

• 我：下一個(gè)動(dòng)畫(huà)

• Alexa：好的 - 將顯示另一個(gè)隨機(jī)動(dòng)畫(huà)

為了更好地理解這里的交互模型是技能的完整 VUI 圖。

增強(qiáng)和改進(jìn)

開(kāi)機(jī)自動(dòng)啟動(dòng) AlaWeb

該項(xiàng)目的一個(gè)小改進(jìn)是在啟動(dòng)時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)lig??htstrip.py腳本，這樣您就不需要在每次啟動(dòng) Raspberry PI 或出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)手動(dòng)啟動(dòng)它，而您必須重新啟動(dòng)。按照此說(shuō)明進(jìn)行操作。

添加和調(diào)整動(dòng)畫(huà)

Light Strip cskill 已經(jīng)定義了 20 個(gè)動(dòng)畫(huà)變化。但是，ALA 庫(kù)允許您輕松地設(shè)置您自己的動(dòng)畫(huà)，選擇動(dòng)畫(huà)預(yù)設(shè)、調(diào)色板和速度。您可以添加自己的動(dòng)畫(huà)或調(diào)整ala_controller.py腳本中的現(xiàn)有動(dòng)畫(huà)。在第 80 行左右，您將看到一個(gè)動(dòng)畫(huà)設(shè)置列表，您可以根據(jù)自己的喜好修改或增強(qiáng)這些設(shè)置。

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