使用树莓派做一个倒计时器

Question

使用树莓派和电子纸显示屏开始倒计时你的下一个假期。

圆周率日 Pi Day（3 月 14 日） 来了又走，留下美好的回忆以及 许多树莓派项目 等待我们去尝试。在任何令人精神振奋、充满欢乐的假期后回到工作中都很难，圆周率日也不例外。当我们回望三月的时候，渴望那些天的快乐。但是不用害怕，亲爱的圆周率日庆祝者们，我们开始下一个节日的漫长倒计时！

好了，严肃点。我做了一个圆周率日倒计时器，你也可以！

不久前，我购买了一个 树莓派 Zero W ，并且用它来 解决 WiFi 信号较差的原因 。我也对使用电子纸ePaper来作为它的显示屏十分感兴趣。虽然我不知道该用它来干什么，但是！它看起来真的很有趣！我买了一个十分适合放在树莓派的顶部的 2.13 英寸的 WaveShare 显示器 。安装很简单：只需要将显示器接到树莓派的 GPIO 上即可。

我使用 树莓派操作系统 来实现该项目，虽然其他的操作系统肯定也能完成。但是下面的 raspi-config 命令在树莓派系统上很容易使用。

设置树莓派和电子纸显示屏

设置树莓派和电子纸显示屏一起工作，需要你在树莓派软件中启用串行外设接口（SPI），安装 BCM2835 C 库（来访问树莓派上的博通 BCM 2835 芯片的 GPIO 功能），安装 Python GPIO 库来控制电子纸显示屏。最后，你需要安装 WaveShare 的库来使用 Python 控制这个 2.13 英寸的显示屏。

下面是完成这些的步骤。

启用 SPI

树莓派上启用 SPI 最简单的方式是使用 raspi-config 命令。SPI 总线允许与设备进行串行数据通信——在本例中，电子纸显示：

$ sudo raspi-config

从弹出的菜单中, 选择 “接口选项Interfacing Options-> SPI -> 是Yes” 来启用 SPI 接口，然后启动。

安装 BCM2835 库

如上所述，BCM2835 库是用于树莓派博通 BCM2385 芯片的软件，它允许访问 GPIO 引脚来控制设备。

在我写这篇文章之时，用于树莓派的最新博通 BCM2385 库版本是 v1.68 。安装此库需要下载软件压缩包然后使用 make 来安装：

# 下载 BCM2853 库并解压
$ curl -sSL http://www.airspayce.com/mikem/bcm2835/bcm2835-1.68.tar.g> -o - | tar -xzf -

# 进入解压后的文件夹
$ pushd bcm2835-1.68/

# 配置、检查并安装 BCM2853 库
$ sudo ./configure
$ sudo make check
$ sudo make install

# 返回上级目录
$ popd

安装需要的 Python 库

你用 Python 控制电子纸显示屏需要安装 Python 库 RPi.GPIO ，还需要使用 python3-pil 包来画图。显然，PIL 包已经不行了，但 Pillow 可以作为代替方案。我还没有为该项目测试过 Pillow ，但它可行：

# 安装需要的 Python 库
$ sudo apt-get update
$ sudo apt-get install python3-pip python3-pil
$ sudo pip3 install RPi.GPIO

注意：这些是 Python3 的指令。你可以在 WaveShare 网站查到 Python2 的指令。

下载 WaveShare 示例和 Python 库

Waveshare 维护了一个 Python 和 C 的 Git 库，用于使用其电子纸显示屏和一些展示如何使用它们的示例。对这个倒计时时钟而言，你需要克隆这个库并使用用于 2.13 英寸显示屏的库：

# 克隆这个 WaveShare e-Paper git 库
$ git clone https://github.com/waveshare/e-Paper.gi>

如果你用不同的显示器或者其他公司产品，需要使用适配软件。

Waveshare 提供了很多指导：

• WaveShare 电子纸设置指导
• WaveShare 电子纸库安装指导

获得有趣的字体（选做）

你可以随心所欲的使用显示器，为什么不搞点花样？找一个炫酷的字体！

这有大量 开放字体许可 的字体可供选择。我十分喜爱 Bangers 字体。如果你看过 YouTube 那你见过这种字体了，它十分流行。你可以下载到本地的共享字体目录文件中，并且所有的应用都可以使用，包括这个项目：

# “Bangers” 字体是 Vernon Adams 使用 Google 字体开放许可授权的字体
$ mkdir -p ~/.local/share/fonts
$ curl -sSL https://github.com/google/fonts/raw/master/ofl/bangers/Bangers-Regular.ttf -o fonts/Bangers-Regular.ttf

创建一个圆周率日倒计时器

现在你已经安装好了软件，可以使用带有炫酷字体的电子纸显示屏了。你可以创建一个有趣的项目：倒计时到下一个圆周率日！

如果你想，你可以从该项目的 GitHub 仓库 直接下载 countdown.py 这个 Python 文件并跳到文章结尾。

为了满足大家的好奇心，我将逐步讲解。

导入一些库

#!/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')

开始先导入一些标准库之后脚本中用。也需要你从 PIL 添加 Image 、 ImageDraw 和 ImageFont ，你会用到这些来画一些简单的图形。最后，为本地 lib 目录设置一些变量，该目录包含了用于 2.13 英寸显示屏的 Waveshare Python 库，稍后你可以使用这些变量从本地目录加载库。

字体大小辅助函数

下一部分是为你选择的 Bangers-Regular.ttf 字体建立一个修改大小的辅助函数。该函数将整型变量作为大小参数，并返回一个图形字体对象来用于显示：

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

倒计时逻辑

接下来是计算这个项目的一个函数：距下次圆周率日还有多久。如果是在一月，那么计算剩余天数将很简单。但是你需要考虑是否今年的圆周率日是否已经过去了（允悲）。如果是的话，那么计算在你可以再次庆祝之前还有多少天：

def countdown(now):
    piday = datetime(now.year, 3, 14)

    # 如果错过了就增加一年
    if piday < now:
        piday = datetime((now.year + 1), 3, 14)

    days = (piday - now).days

    logging.info(f"Days till piday: {days}")
    return day

主函数

最后，到了主函数，需要初始化显示屏并向它写数据。这时，你应该写一个欢迎语然后再开始倒计时。但是首先，你需要加载 Waveshare 库：

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)

上面的代码片段检查以确保该库已下载到倒计时脚本旁边的目录中，然后加载 epd2in13_V2 库。如果你使用不同的显示屏，则需要使用不同的库。如果你愿意，也可以自己编写。我发现阅读 Waveshare 随显示屏提供的 Python 代码很有趣，它比我想象的要简单得多。

下一段代码创建一个 EPD（电子纸显示屏）对象以与显示器交互并初始化硬件：

    logging.info("Starting...")
    try:
        # 创建一个显示对象
        epd = epd2in13_V2.EPD()

        # 初始化并清空显示
        # ePaper 保持它的状态处分更新
        logging.info("Initialize and clear...")
        epd.init(epd.FULL_UPDATE)
        epd.Clear(0xFF)

关于电子纸的一个有趣之处：它仅在将像素从白色变为黑色或从黑色变为白色时才耗电。这意味着当设备断电或应用程序因任何原因停止时，屏幕上的任何内容都会保留下来。从功耗的角度来看，这很好，但这也意味着你需要在启动时清除显示，否则你的脚本只会覆盖屏幕上已有的内容。 因此， epd.Clear(0xFF) 用于在脚本启动时清除显示。

接下来，创建一个“画布”来绘制剩余的显示输出：

    # 创建一个图形对象
    # 注意："epd.heigh" 是屏幕的长边
    # 注意："epd.width" 是屏幕的短边
    # 真是反直觉…
    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)

这与显示器的宽度和高度相匹配——但它有点反直觉，因为显示器的短边是宽度。我认为长边是宽度，所以这只是需要注意的一点。 请注意， epd.height 和 epd.width 由 Waveshare 库设置以对应于你使用的设备。

欢迎语

接下来，你将开始画一些画。这涉及在你之前创建的“画布”对象上设置数据。这还没有将它绘制到电子纸显示屏上——你现在只是在构建你想要的图像。由你为这个项目绘制带有一块馅饼的图像，来创建一个庆祝圆周率日的欢迎信息：

很可爱，不是吗？

    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，你可以展示你画的图画：

    logging.info("Display text and BMP")
    epd.display(epd.getbuffer(image))

上面那段话更新了显示屏，以显示你所画的图像。

接下来，准备另一幅图像展示你的倒计时：

圆周率日倒计时

首先，创建一个用来展示倒计时的图像对象。也需要设置数字的字体大小：

    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)

    # 设置字体大小
    bangers36 = set_font_size(36)
    bangers64 = set_font_size(64)

为了使它显示的时候更像一个倒计时，更新图像的一部分是更加有效的手段，仅更改已经改变的显示数据部分。下面的代码准备以这样方式运行：

    # 准备更新显示
    epd.displayPartBaseImage(epd.getbuffer(piday_image))
    epd.init(epd.PART_UPDATE)

最后，需要计时，开始一个无限循环来检查据下次圆周率日还有多久，并显示在电子纸上。如果到了圆周率日，你可以输出一些庆祝短语：

    while (True):
        days = countdown(datetime.now())
        unit = get_days_unit(days)
        
        # 通过绘制一个填充有白色的矩形来清除屏幕的下半部分
        piday_draw.rectangle((0, 50, 250, 122), fill = 255)

        # 绘制页眉
        piday_draw.text((10,10), "Days till Pi-day:", font = bangers36, fill = 0)

        if days == 0:
            # 绘制庆祝语
            piday_draw.text((0, 50), f"It's Pi Day!", font = bangers64, fill = 0)
        else:
            # 绘制距下一次 Pi Day 的时间
            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)

脚本最后做了一些错误处理，包括捕获键盘中断，这样你可以使用 Ctrl + C 来结束无限循环，以及一个根据计数来打印 day 或 days 的函数：

    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()

现在你已经拥有一个倒计时并显示剩余天数的脚本！这是在我的树莓派上的显示（视频经过加速，我没有足够的磁盘空间来保存一整天的视频）：

安装 systemd 服务（选做）

如果你希望在系统打开时运行倒计时显示，并且无需登录并运行脚本，你可以将可选的 systemd 单元安装为 systemd 用户服务 。

将 GitHub 上的 piday.service 文件复制到 ${HOME}/.config/systemd/user ，如果该目录不存在，请先创建该目录。然后你可以启用该服务并启动它：

$ 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

该脚本将输出到 systemd 日志，可以使用 journalctl 命令查看输出。

它开始看起来像是圆周率日了！

这就是你的作品！一个显示在电子纸显示屏上的树莓派 Zero W 圆周率日倒计时器！并在系统启动时使用 systemd 单元文件启动！现在距离我们可以再次相聚庆祝圆周率日还有好多天的奇妙设备———树莓派。通过我们的小项目，我们可以一目了然地看到确切的天数。

但实际上，每个人都可以在每一天在心中庆祝圆周率日，因此请使用自己的树莓派创建一些有趣且具有教育意义的项目吧！