使用樹莓派做一個倒計時器

圓周率日 Pi Day （3 月 14 日） 來了又走，留下美好的回憶以及 許多樹莓派項目 等待我們去嘗試。在任何令人精神振奮、充滿歡樂的假期後回到工作中都很難，圓周率日也不例外。當我們回望三月的時候，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，我們開始下一個節日的漫長倒計時！

好了，嚴肅點。我做了一個圓周率日倒計時器，你也可以！

不久前，我購買了一個 樹莓派 Zero W，並且用它來 解決 WiFi 信號較差的原因 。我也對使用 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幹什麼，但是！它看起來真的很有趣！我買了一個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 來實現該項目，雖然其他的操作系統肯定也能完成。但是下面的 raspi-config 命令在樹莓派系統上很容易使用。

設置樹莓派和電子紙顯示屏

設置樹莓派和電子紙顯示屏一起工作，需要你在樹莓派軟體中啟用串列外設介面（SPI），安裝 BCM2835 C 庫（來訪問樹莓派上的博通 BCM 2835 晶元的 GPIO 功能），安裝 Python GPIO 庫來控制電子紙顯示屏。最後，你需要安裝 WaveShare 的庫來使用 Python 控制這個 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 最簡單的方式是使用 raspi-config 命令。SPI 匯流排允許與設備進行串列數據通信——在本例中，電子紙顯示：

$ sudo raspi-config

從彈出的菜單中, 選擇 「 介面選項 Interfacing Options -> SPI -> 是 Yes 」 來啟用 SPI 介面，然後啟動。

安裝 BCM2835 庫

如上所述，BCM2835 庫是用於樹莓派博通 BCM2385 晶元的軟體，它允許訪問 GPIO 引腳來控制設備。

在我寫這篇文章之時，用於樹莓派的最新博通 BCM2385 庫版本是 v1.68 。安裝此庫需要下載軟體壓縮包然後使用 make 來安裝：

# 下載 BCM2853 庫並解壓
$ curl -sSL http://www.airspayce.com/mikem/bcm2835/bcm2835-1.68.tar.g> -o - | tar -xzf -

# 進入解壓後的文件夾
$ pushd bcm2835-1.68/

# 配置、檢查並安裝 BCM2853 庫
$ sudo ./configure
$ sudo make check
$ sudo make install

# 返回上級目錄
$ popd

安裝需要的 Python 庫

你用 Python 控制電子紙顯示屏需要安裝 Python 庫 RPi.GPIO，還需要使用 python3-pil 包來畫圖。顯然，PIL 包已經不行了，但 Pillow 可以作為代替方案。我還沒有為該項目測試過 Pillow ，但它可行：

# 安裝需要的 Python 庫
$ 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 網站查到 Python2 的指令。

下載 WaveShare 示例和 Python 庫

Waveshare 維護了一個 Python 和 C 的 Git 庫，用於使用其電子紙顯示屏和一些展示如何使用它們的示例。對這個倒計時時鐘而言，你需要克隆這個庫並使用用於 2.13 英寸顯示屏的庫：

# 克隆這個 WaveShare e-Paper git 庫
$ 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品，需要使用適配軟體。

Waveshare 提供了很多指導：

• WaveShare 電子紙設置指導
• WaveShare 電子紙庫安裝指導

獲得有趣的字體（選做）

你可以隨心所欲的使用顯示器，為什麼不搞點花樣？找一個炫酷的字體！

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，並且所有的應用都可以使用，包括這個項目：

# 「Bangers」 字體是 Vernon Adams 使用 Google 字體開放許可授權的字體
$ mkdir -p ~/.local/share/fonts
$ curl -sSL https://github.com/google/fonts/raw/master/ofl/bangers/Bangers-Regular.ttf -o fonts/Bangers-Regular.ttf

創建一個圓周率日倒計時器

現在你已經安裝好了軟體，可以使用帶有炫酷字體的電子紙顯示屏了。你可以創建一個有趣的項目：倒計時到下一個圓周率日！

如果你想，你可以從該項目的 GitHub 倉庫 直接下載 countdown.py 這個 Python 文件並跳到文章結尾。

為了滿足大家的好奇心，我將逐步講解。

導入一些庫

#!/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')

開始先導入一些標準庫之後腳本中用。也需要你從 PIL 添加 Image、ImageDraw 和 ImageFont，你會用到這些來畫一些簡單的圖形。最後，為本地 lib 目錄設置一些變數，該目錄包含了用於 2.13 英寸顯示屏的 Waveshare Python 庫，稍後你可以使用這些變數從本地目錄載入庫。

字體大小輔助函數

下一部分是為你選擇的 Bangers-Regular.ttf 字體建立一個修改大小的輔助函數。該函數將整型變數作為大小參數，並返回一個圖形字體對象來用於顯示：

def set_font_size(font_size):
    logging.info("Loading font...")
    return ImageFont.truetype(f"{basedir.joinpath('Bangers-Regular.ttf').resolve()}", font_size)

倒計時邏輯

接下來是計算這個項目的一個函數：距下次圓周率日還有多久。如果是在一月，那麼計算剩餘天數將很簡單。但是你需要考慮是否今年的圓周率日是否已經過去了（允悲）。如果是的話，那麼計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

最後，到了主函數，需要初始化顯示屏並向它寫數據。這時，你應該寫一個歡迎語然後再開始倒計時。但是首先，你需要載入 Waveshare 庫：

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已下載到倒計時腳本旁邊的目錄中，然後載入epd2in13_V2 庫。如果你使用不同的顯示屏，則需要使用不同的庫。如果你願意，也可以自己編寫。我發現閱讀 Waveshare 隨顯示屏提供的 Python 代碼很有趣，它比我想像的要簡單得多。

下一段代碼創建一個 EPD（電子紙顯示屏）對象以與顯示器交互並初始化硬體：

    logging.info("Starting...")
    try:
        # 創建一個顯示對象
        epd = epd2in13_V2.EPD()

        # 初始化並清空顯示
        # ePaper 保持它的狀態處分更新
        logging.info("Initialize and clear...")
        epd.init(epd.FULL_UPDATE)
        epd.Clear(0xFF)

關於電子紙的一個有趣之處：它僅在將像素從白色變為黑色或從黑色變為白色時才耗電。這意味著當設備斷電或應用程序因任何原因停止時，屏幕上的任何內容都會保留下來。從功耗的角度來看，這很好，但這也意味著你需要在啟動時清除顯示，否則你的腳本只會覆蓋屏幕上已有的內容。 因此，epd.Clear(0xFF) 用於在腳本啟動時清除顯示。

接下來，創建一個「畫布」來繪製剩餘的顯示輸出：

    # 創建一個圖形對象
    # 注意："epd.heigh" 是屏幕的長邊
    # 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——但它有點反直覺，因為顯示器的短邊是寬度。我認為長邊是寬度，所以這只是需要注意的一點。 請注意，epd.height 和 epd.width 由 Waveshare 庫設置以對應於你使用的設備。

歡迎語

接下來，你將開始畫一些畫。這涉及在你之前創建的「畫布」對象上設置數據。這還沒有將它繪製到電子紙顯示屏上——你現在只是在構建你想要的圖像。由你為這個項目繪製帶有一塊餡餅的圖像，來創建一個慶祝圓周率日的歡迎信息：


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))

最後，真是是最後了，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，準備另一幅圖像展示你的倒計時：

圓周率日倒計時

首先，創建一個用來展示倒計時的圖像對象。也需要設置數字的字體大小：

    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)

    # 設置字體大小
    bangers36 = set_font_size(36)
    bangers64 = set_font_size(64)

為了使它顯示的時候更像一個倒計時，更新圖像的一部分是更加有效的手段，僅更改已經改變的顯示數據部分。下面的代碼準備以這樣方式運行：

    # 準備更新顯示
    epd.displayPartBaseImage(epd.getbuffer(piday_image))
    epd.init(epd.PART_UPDATE)

最後，需要計時，開始一個無限循環來檢查據下次圓周率日還有多久，並顯示在電子紙上。如果到了圓周率日，你可以輸出一些慶祝短語：

    while (True):
        days = countdown(datetime.now())
        unit = get_days_unit(days)

        # 通過繪製一個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)

        # 繪製頁眉
        piday_draw.text((10,10), "Days till Pi-day:", font = bangers36, fill = 0)

        if days == 0:
            # 繪製慶祝語
            piday_draw.text((0, 50), f"It's Pi Day!", font = bangers64, fill = 0)
        else:
            # 繪製距下一次 Pi Day 的時間
            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)

腳本最後做了一些錯誤處理，包括捕獲鍵盤中斷，這樣你可以使用 Ctrl + C 來結束無限循環，以及一個根據計數來列印 day 或 days 的函數：

    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()

現在你已經擁有一個倒計時並顯示剩餘天數的腳本！這是在我的樹莓派上的顯示（視頻經過加速，我沒有足夠的磁碟空間來保存一整天的視頻）：


安裝 systemd 服務（選做）

如果你希望在系統打開時運行倒計時顯示，並且無需登錄並運行腳本，你可以將可選的 systemd 單元安裝為 systemd 用戶服務。

將 GitHub 上的 piday.service 文件複製到 ${HOME}/.config/systemd/user，如果該目錄不存在，請先創建該目錄。然後你可以啟用該服務並啟動它：

$ 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 日誌，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！一個顯示在電子紙顯示屏上的樹莓派 Zero W 圓周率日倒計時器！並在系統啟動時使用 systemd 單元文件啟動！現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備———樹莓派。通過我們的小項目，我們可以一目了然地看到確切的天數。

但實際上，每個人都可以在每一天在心中慶祝圓周率日，因此請使用自己的樹莓派創建一些有趣且具有教育意義的項目吧！

via: https://opensource.com/article/21/3/raspberry-pi-countdown-clock

作者：Chris Collins 選題：lujun9972 譯者：Donkey 校對：wxy

本文由 LCTT 原創編譯，Linux中國 榮譽推出

本文轉載來自 Linux 中國: https://github.com/Linux-CN/archive