Raspberry Pi 樹莓派套件_Sense HAT

• 使用 Sense HAT 及 Python 通訊
• 訪問 Sense HAT 的輸出
• 對 Sense HAT 的輸入進行編程
• 使用 Sense HAT 顯示訊息和圖像
• 使用變數儲存感測器數據
• 使用循環重複運行

• 使用基本編碼架構創建簡單的程序
• 處理數入數據以監控或對環境做出反應

• 樹莓派
• Sense HAT

• Python 3
• Sense HAT for Python 3

• 打開終端視窗輸入下列指令：

• 現在您可以在終端視窗中輸入 install ，安裝所需的軟體。下圖示範 Sense HAT 的安裝方法：

• 拆開包裝，取出 Sense HAT 和零件。

• 使用兩顆螺釘將螺柱先固定到樹莓派上，如下圖：

注意：上述步驟可省略

• 然後小心地將 Sense HAT 推到 Raspberry Pi 的引腳上，用剩餘的螺釘固定。

注意：在 Raspberry Pi 3 的無線天線旁邊使用金屬支架會降低其性能和範圍。可選擇省略這個支架或改用改用尼龍支架和尼龍螺絲。

小提示：取下 Sense HAT 時要小心，因為 40 針黑色接頭容易卡住。

• 打開互聯網瀏覽器，到 https://trinket.io/sense-hat 並刪除編輯器中現有的示範編碼。
• 如果想保存您的作品，則需要 Trinket 網站上建立免費帳戶 create a free account。

• 在主選單中，選擇 Programming > Sense HAT emulator 打開模擬器視窗。
• 如果您使用的是這版本的模擬器，程式必須從 sense_emu 導入，取代 sense_hat：

• 在 Sense HAT 的 LED 螢幕上顯示文字「Astro Pi is awesome」

• 新增此代碼讓訊息顯示在 Sense HAT 的 LED 矩陣上。

• 更改引號 ("") 中的文字，顯示不同的訊息吧！

• 在 Python 文件中，輸入以下代碼：

• 儲存並運行編碼。LED 矩陣會變為亮白色。
• 變數 r、g 和 b 表示紅色、綠色和藍色。這些數值定義了每一種顏色的亮度；每一個數值可介於 0 至 255 之間。上面的代碼顯示每種顏色都使用了最大值，所以結果呈現白色。
• 另外也可以用下列代碼定義：

• 更改其中一個顏色的數值後再次運行。您看到了什麼？
• 您能做出其它顏色嗎？

用數字表示顏色

物體的顏色取決於光的反射及發射。光有不同的波長，顏色是由光的波長所定。光的顏色根據其波長會顯示如下圖：


人類之所以能看到顏色，是因為我們眼睛裡有特殊的細胞。這些細胞被稱為視錐細胞。我們有三種類型的視錐細胞，每種類型都會檢測紅光、藍光或綠光。因此我們看到的所有顏色都只是紅色、藍色和綠色的混合。


在加色混合中，三原色（紅色、綠色和藍色）用於製作其它顏色。在上圖中有三個亮度相同的聚光燈，每種顏色一個。在沒有任何顏色的情況下，結果是黑色；如果將三種顏色混合，則結果為白色；當紅色和綠色結合時，結果是黃色；當紅色和藍色結合時，結果是洋紅色；當藍色和綠色結合時，結果是青色。透過改變所使用的三種原始顏色的亮度，可以製作出比這更多的顏色。

電腦將所有內容存儲為 1 和 0。這些 1 和 0 通常被組織成 8 個一組，稱為字節（byte）。

一個字節可代表 0 至 255 間的任何數字。

當我們想在程序中表示顏色時，可以透過定義構成該顏色的紅色、藍色和綠色的數值來實現。這些數值通常存儲為單個字節，因此使用 0 到 255 之間的數字。
 

紅色 Red	綠色 Green	藍色 Blue	顏色
255	0	0	紅
0	255	0	綠
0	0	255	藍
255	255	0	黃
255	0	255	紅紫
0	255	255	藍綠

可參考：colour picker to play with at w3schools

back_colour：改變背景顏色，執行方式與 text_colour 相同。

• 在訊息列前新增代碼，定義變數 blue 為 (0, 0, 255)。

在 Python 中建立變數

變數讓您可在程式中無存數據。變數由一個名稱或一個數值組成。
此變數的名稱為 animal，值為 cat：



此變數的名稱為 score，值為 30：



建立變數必須為其命名，名稱在等號左邊，數值在右，所以下列代碼是錯誤的：

• 新增一行變數 yellow 定義為 (255, 255, 0)。
• 在指令中加入參數 show_message，以藍底黃字顯示。

解決方案

要新增的部分已藍框顯示。

• 新增參數 scroll_speed 至 show_message 指令中，並設定速度為 0.05 加快訊息滾動的速度。
• 將滾動訊息加入循環（While True）重複播放。

Python 中的 While True 循環

While 循環在條件為 True 會一遍遍地重複代碼。這也是 while 循環有時會被稱為條件控制循環的原因。
下列所示範例為 while 的無限循環。此循環會永遠執行，因為條件為 True。

注意：while 指令句說明了循環條件。print 代碼稍微往右靠，稱為縮進，藉以表示此指令在循環內，循環內的任何代碼都會重複執行。

無限循環在您想持續運行的時候很好用。例如：檢查感測器的數值。像這樣的循環會無限地執行下去，也代表在循環後的編碼都不會執行，稱為阻塞（blocking）－程序阻止了其它代碼的執行。

解決方案

• 在 Sense HAT 的 LED 螢幕上顯示字母「A」。

• 加入此代碼，在 LED 矩陣上顯示字母：

• 在白色背景上顯示紅色字母「J」。
• 使用 sleep 函數顯示您的名字拼音，每個字母以不同顏色顯示，字母間有一秒的停頓。

• 在您的程式上方新增下列代碼，導入 sleep 函數。

• 想暫停程式，請調用 sleep 函數。 括號中的數字代表想暫停的秒數。

也可暫停半秒鐘。



解決方案

 

• 使用 randint，將三原色 RGB 值中的每個顏色輸入介於 0 至 255 間的數值，隨機生成一種顏色。

Python 中的隨機功能

random 模組是 Python 中的一種標準模組。您可以使用它建立編碼中的隨機數。

randint
可使用此函數 randint 在兩個值之間生成隨機整數。下列代碼示範生成介於 0 至 10 (包含) 之間的整數。



uniform
如果您想要隨機浮點數（floating-point number），可使用 uniform 函數。下列示範代碼會產生等於或大於 0 但小於 10 的隨機浮點數。



choice
如果您想從列表中選擇一個隨機項目，可使用 choice 函數。



解決方案

 

• 在程式碼的最後使用 sense.clear() ，清除 LED 矩陣。

• 在 Python 文件中，輸入下列代碼：

• 儲存並運行編碼。LED 會變為亮白色。
• 變數 r、g、和 b 各代表紅色、綠色和藍色。它們的值定義了每種顏色的亮度；數值設定介於 0 至 255 間。在上圖的大代碼中，每種顏色都使用了最大值，結果會呈現白色。
• 您也可使用單行指令定義 RGB 值：

LED 矩陣不僅可以顯示文字，還能單獨控制每顆 LED 創造圖像。

Sense HAT LED 座標

Sense HAT 的 LED 矩陣使用帶有 x 軸和 y 軸的坐標系。 兩軸的編號從左上角的 0 （不是 1）開始 。每個 LED 都可作為圖像的一格像素，使用 x, y 標示相對應位置。



藍色像素座標位於 0, 2。
紅色像素座標位於 7, 4。

您可以使用 set_pixel() 單獨設定每格像素（LEDs）。

需要的程式碼如下：

• 依照您選擇的顏色點亮矩陣的四格角落的像素（LEDs）。

• 改變編碼製作不同的像素圖片吧！

• 使用 set_pixels 在 LED 矩陣上顯示圖像。

• 例如：螢幕旋轉 180 度可使用此代碼：

• 還可以水平翻轉螢幕上的圖像：

• 垂直翻轉：

• 在連接 Sense HAT 的編碼中，可加入旋轉螢幕的代碼，更改上一步驟中的像素圖片的方向：

• 在 Python 文件中，輸入下列編碼：

• 運行程序時，應該會看到下列內容：

• 在 Python 文件中，輸入下列編碼：

• 可看到以下內容：

• 在 Python 文件中，輸入以下代碼：

• 運行程序時，應該會看到以下內容：

• 創建跑馬當，讓大家知道目前的壓力、溫度及濕度。您可以使用前面做過的「Displaying text」步驟來製作跑馬燈。

• 定義變數為綠色（0, 255, 0）及紅色（255, 0, 0）。
• 在編碼中使用 if 語法檢查溫度是否介於攝氏 18.3 至 26.7 度。

• 在 Python 中，標準的 if 語法檢查單一條件，例如：

• 若想檢查多個條件，可在編碼中使用邏輯運算。

• and 可同時檢查兩個條件，例如：

• 只要 x 是數字組 1,2,3,4,5,6,7,8,9 內的任何數，條件為真。

• 可使用 or 運算，撿查其中的任一條件是否為真。

• 在此例中，只要  x 大於 0 或小於 10 ，則條件為真。 
• 如果溫度在此正常範圍內，以綠色背景滾動顯示訊息；否則以紅色背景顯示。

• 新增更多 if 語法檢測正常壓力和濕度條件。

• 陀螺儀（偵測電路板的方向）
• 加速度計（偵測運動）
• 磁力計（偵測磁場）

• 陀螺儀：測量運動及旋轉
• 加速度計：測量加速度力，確認重力方向
• 磁力計：測量地球磁場，類似指南針

• 俯仰 — 想像飛機起飛的狀態
• 翻滾 — 想像飛機做出勝利翻滾的樣子
• 偏擺 — 想像以開車的方式開飛機

如果您知道物體的三軸各旋轉了多少，便可知道物體的指向。

觀看此短片 video ，指出飛機相對應的三軸，試著想像飛機在外太空隨機呈現某個方向，接著將三軸各以不同的數值旋轉，將飛機呈現特定的方向。

下圖以 Sense HAT 呈現三軸位置：

• 編寫程序用於檢測當前的俯仰、翻滾及偏擺方向；運行程序改變 Sense HAT 的運動。觀察數值如何隨著 Sense HAT 的移動而變化。

• 在 Python 文件中，輸入下列編碼：

• 運行程序時可看到以下內容：

注意：使用運動感測器時，需要經常讀取數據。如果讀取數值太慢會導致奇怪的結果，例如：在循環中寫入 time.sleep(0.5)。 這是因為程式碼需大量測量數值才能成功組合來自陀螺儀、加速度計和磁力計的數據。

• 旋轉 Sense HAT，您應該會看見 x 和 y 的數值在 -1 及 1 之間變換；如果將其平放或上下顛倒，可看見 z 軸的數值由 1 變成 -1 。

• 在之前的程式碼中的 while 循環加入之前已學過的 show_letter ，可在 LED 矩陣上顯示字母「J」。
• 在獲取三軸的 G 力值代碼後，新增 if 語法檢查 Sense HAT 的指向；可使用之前所學的 set_rotation 更新顯示的方向。以下為示範代碼：

解決方案



搖晃板子

如果只旋轉板子，任何方向都會有 1G 的加速度；搖晃則可讓感測器測得超過 1G 的力量，才有辦法檢測到快速運動並做出回應。

在此專案中會介紹 abs() 函數，屬於 Python 標準語法的一種，並非 Sense HAT 專用。abs() 會給出一個絕對值，忽略該值的正負 — 例如 abs(1) 和 abs(-1) 皆會回傳 1 。此函數對我們幫助很大；因為我們只需要知道物件被搖動了，不需要知道感測器搖動的方向。



此模擬會有點小困難，所以實際用 Sense HAT 來嘗試會比較好。如果發現程序運行過於敏銳（程式認為 Sense HAT 一直在搖晃），請嘗試將 1 改為更大的值，提高定義「shake」的閾值。

您可以檢測 Sense HAT 的操縱桿五個不同的方向是否被按住或鬆開：上、下、左、右和中間。

使用 Sense HAT 偵測操縱桿的運動

Sense HAT 的操縱桿可對應到鍵盤上的四個方向鍵；中間位置則對應到 Return 鍵，這代表使用操縱桿或按鍵盤是相同的效果。請記得 HDMI 端口朝下為向下的方向。

• 在 Python 文件中，輸入下列編碼：

• 當運行程序及以各個方向移動操縱桿時，您應該會在終端視窗看見下列內容。在 trinket 模擬器中，您也可以使用鍵盤的方向鍵。

• 根據操縱桿按下的按鈕，在 LED 矩陣上顯示單一字母 U、D、L、R 或 M。

• 您可以告訴程式持續「監聽」特定事件，例如：操縱桿向上推（direction_up），觸發函數（此範例調用 pushed_up）。

• 事件觸發的函數可以沒有參數，也可以將事件作為參數。在下面的範例中，簡單地打印事件。

• 此函數會印出事件的時間點、操縱桿移動的方向以及具體操作。輸出類似如下：

• 另一個實用的範例為 direction_any：

• 如果您使用該範例中的方法，操縱桿的任何事件都可觸發 do_thing 函數。例如：您可以定義 do_thing 函數，它會以簡單的英語報告確切的事件。

• 創建函數，以四種不同的顏色填滿 LED 矩陣。針對操縱桿每個可能按下的方向，新增觸發器調用函數 。

• 在 LED 矩陣上顯示訊息及圖像
• 設定及偵測方向
• 使用變數、隨機、迭代和選擇的功能

1. Import 所需的資料庫（sense_hat、time、random）
2. 創建 Sense HAT 的對象
3. 定義顏色所需的變數（白、綠、紅、空白）
4. 創建三個不同的箭頭（白色、綠色、紅色）
5. 設定變數 pause 為 3 （變換箭頭的初始時間） 
6. 設定變數 score 及 angle 為 0 
7. 調用變數 play 為 True （之後會用於停止遊戲）
8.  while   play == True 
9. 選擇新的 random 角度
10. 顯示白色箭頭
11.  Sleep  設定暫停的間隔
12.  If 檢測方向與箭頭相符...
13. 設定將箭頭變成綠色
14. 反之，使用 False 設定箭頭變成紅色
15. 稍微縮短暫停的時間
16. 在下一個箭頭出現前暫停
17. 退出循環時，顯示分數

• 用 LED 螢幕講笑話。
• 假如 Sense HAT 有連接網路，您可使用 Twitter API 資料庫顯示推文通知。
• 使用 LED 矩陣製作自己的圖像。
• 您可以使用不同圖像交替製作動畫嗎？歡迎觀看此影片 Geek Gurl Diaries，獲得更多靈感吧。
• 製作一款類似這種的電子模具。晃動觸發骰子滾動。
• 製作簡單的圖形溫度計，根據溫度顯示不同的顏色或圖案。
• 編寫可在螢幕上顯示箭頭的（或其它符號）的程式碼；符號可以設定為指出哪邊是向下，讓無重力的太空人可以辨認出地球的方向。
• 使用加速度計感測微小的運動 — 可作為遊戲、警報系統甚至是地震感測器的一種。
• 利用濕度感測器偵測呼吸並根據濕度顯示顏色。