Создание анимированной умной LED-ленты с управлением через Alexa на базе Arduino

Компоненты и материалы

Arduino UNO	1
Raspberry Pi 3 Model B	1
NeoPixel лента (WS2812)	1

Приложения и онлайн-сервисы

• Arduino IDE
• Amazon Web Services AWS Lambda
• Amazon Alexa Skills Kit
• Amazon Web Services AWS IoT

О проекте

Зачем нужна LED-лента

Я всегда восхищался адресуемыми RGB LED-лентами. Их бесконечные цветовые эффекты и возможности анимации пробудили мое творческое воображение, поэтому несколько лет назад я разработал библиотеку для плат Arduino под названием ALA (Arduino Light Animations). Теперь Alexa дает возможность управлять освещением и эффектами голосом — это просто здорово!

Обзор проекта

Проект состоит из следующих компонентов:

• Amazon Alexa: Пользовательский навык Alexa (Light Strip) определяет модель голосового взаимодействия и преобразует команды (интенты) в вызовы Lambda-функции.
• Amazon Lambda: Python-скрипт, принимающий сообщения от Alexa и отправляющий обновления в сервис IoT.
• Amazon IoT: Сервис IoT хранит «тень устройства» (thing shadow) — представление состояния RGB-ленты. При каждом обновлении тени подписанные MQTT-клиенты (Raspberry Pi) получают уведомления.
• Raspberry Pi: Этот одноплатный компьютер запускает MQTT-клиент для приема сообщений от Amazon IoT. С другой стороны, он питрует Arduino и отправляет команды через USB-порт.
• Arduino: Микроконтроллер запускает библиотеку ALA для управления LED-лентой, принимая команды от Raspberry Pi по последовательному порту USB. Подходят Arduino Uno, Nano или Mega.
• WS2812 RGB LED-лента: Адресуемые ленты позволяют управлять каждым светодиодом индивидуально, создавая красивые цветные анимации.

Никакая часть проекта не является слишком сложной, но компонентов много, и они тесно взаимосвязаны. Рекомендую следовать предложенной структуре, чтобы создать надежную базу перед переходом к следующему этапу. Для упрощения проект разбит на две части.

Первая часть описана в проекте Web-Controlled LED Animations with Raspberry Pi and Arduino на Hackster.io. Она проведет вас через подключение Raspberry Pi, Arduino и WS2812 LED-ленты. По завершении этого этапа вы сможете управлять анимациями со смартфона или ПК через веб-браузер.

Вторая часть (описанная здесь) добавляет голосовое управление через Amazon Alexa к предыдущей реализации. Настройка всей цепочки требует выполнения множества шагов, поэтому проявите терпение и внимательно следуйте инструкциям.

Amazon IoT

Аппаратная часть готова? Переходим в облако! Мы будем использовать платформу AWS IoT для управления нашим «устройством» из интернета.

Мы используем «Device Shadow» (тень устройства) — копию состояния вещи вместе с желаемыми изменениями. Raspberry Pi подпишется на канал уведомлений, публикующий изменения («дельта») этой тени. Подробнее об AWS IoT платформе и API можно узнать здесь.

Создание IoT-вещи (Thing)

1. Войдите в AWS Console. Если у вас еще нет аккаунта, создайте бесплатный.
2. Убедитесь, что вы находитесь в регионе US East (N. Virginia) или EU (Ireland) (в правом верхнем углу).
3. Найдите «IoT» и выберите сервис AWS IoT. Нажмите Get Started, чтобы закрыть вводное руководство (если оно есть).
4. Сначала создайте политику безопасности для нашей «вещи». Перейдите в меню Secure > Policies и нажмите Create a Policy. Заполните:
   • Name: LightStripPolicy
   • Action: *
   • Resource: *
   • Effect — Allow: отмечено
   • Нажмите «Create»
5. Теперь создайте IoT Thing:
   • Выберите Manage > Things и создайте новую вещь через Register a Thing > Create a single thing.
   • В поле Name введите LS01. Остальное по умолчанию, нажмите Next.
   • Нажмите Create certificate в разделе One-click certificate creation.
   • Скачайте 3 сертификата для устройства и Root CA (для Root CA может потребоваться правый клик → «Сохранить как...»).
   • После скачивания нажмите Activate.
   • Нажмите Attach a Policy, выберите созданную ранее LightStripPolicy и нажмите Register Thing.
6. Запишите AWS IoT Endpoint. Нажмите Settings в левом нижнем углу страницы AWS IoT и скопируйте Endpoint.

Настройка Raspberry Pi для прослушивания «Thing»

Установите AWS IoT Device SDK для Python на Raspberry Pi:

sudo pip3 install AWSIoTPythonSDK

Скачайте репозиторий LightStrip с GitHub и распакуйте:

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

Скопируйте четыре скачанных сертификата в папку /home/pi/LightStrip/LightStrip-master/pi.

Отредактируйте скрипт lightstripcfg.py (например, через nano):

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

Настройте параметры под вашу конфигурацию:

• AWSIOT: введите записанный ранее AWS IoT Endpoint.
• ROOT_CA: имя файла корневого сертификата CA.
• CERTIFICATE: имя файла сертификата.
• PRIVATE_KEY: имя файла приватного ключа.
• DEVICE_NAME: оставьте LS01.

Сохраните файл (Ctrl+X, затем Y).

Запустите скрипт lightstrip.py:

sudo python3 lightstrip.py

Скрипт покажет доступные USB-порты. Arduino обычно подключается к /dev/ttyACM0, поэтому запустите с указанием порта:

sudo python3 lightstrip.py /dev/ttyACM0

Клиент подключится к сервису тени устройства Amazon и подпишется на изменения тени LS01. При успешном подключении скрипт обновит свой статус в тени устройства и получит подтверждение.

Для проверки вернитесь в консоль AWS IoT, выберите Manage > Things, откройте устройство LS01 и перейдите в меню Shadow. Нажмите Edit в разделе Shadow Document и вставьте следующий JSON:

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

При нажатии Save будет отправлено «дельта»-сообщение MQTT-клиенту на Raspberry Pi, которое включит LED-ленту.

Следующий JSON установит синий цвет:

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

На этом этапе вы можете управлять LED-лентой через AWS IoT — поздравляю!

AWS Lambda-функция

AWS Lambda позволяет запускать код в облаке без управления серверами. Это идеальный мост между Alexa Skills Kit (который добавит голосовое управление на последнем шаге).

1. Войдите в AWS Console, выберите сервис Lambda.
2. Убедитесь, что вы в том же регионе (US East (N. Virginia) или EU (Ireland)).
3. Нажмите Create Function → Author from scratch:
   • Name = LightStrip
   • Runtime = Python 3.6
   • Role = Create a Custom Role. Откроется новая вкладка — нажмите «Allow» для создания роли lambda_basic_execution.
   • Existing role: lambda_basic_execution
   • Нажмите Create Function
4. Запишите Lambda ARN ID в правом верхнем углу.
5. Нажмите на блок LightStrip для открытия редактора кода.
   • Code entry type: Edit code inline
   • Runtime: Python 3.6
   • Handler: lambda_function.lambda_handler
6. Вставьте код из файла LightStrip\lambda\lambda_function.py в редактор.
7. Создайте еще один файл ala_controller.py и вставьте код из LightStrip\lambda\ala_controller.py.
8. Нажмите оранжевую кнопку Save в правом верхнем углу.

Навык Alexa (Alexa Skill)

Теперь создадим пользовательский навык Light Strip для Alexa.

1. Перейдите в Amazon Developer Console и войдите (при необходимости зарегистрируйтесь).
2. Перейдите в Alexa > Alexa Skills Kit (Get Started).
3. Нажмите Add a New Skill (правый верхний угол) и заполните вкладку Skill Information:
   • Skill Type: Custom Interaction Model
   • Language: English (U.S.)
   • Name: LightStrip
   • Invocation Name: light strip
   • Нажмите Save
4. Запишите Skill ID.
5. Выберите меню Interaction Model → Launch Skill Builder.
6. Нажмите Code Editor и вставьте содержимое файла LightStrip/alexaskill/lightstrip_skill.json.
7. Нажмите Save Model и Build Model. Сборка займет несколько минут. Затем вернитесь через кнопку Skill Information.
8. Перейдите в меню Configuration.
   • В Service Endpoint Type выберите AWS Lambda ARN и вставьте ARN Lambda-функции, записанный ранее.
   • Остальное по умолчанию, нажмите Save.

Связывание навыка Alexa с Lambda-функцией

1. Вернитесь к вашей Lambda-функции. Справа в списке предопределенных триггеров выберите Alexa Skills Kit — он добавится к функции.
2. Настройте:
   • Application Id = Skill ID, записанный выше.
   • Нажмите Add, затем Save.

Готово!

Проект завершен. Попробуйте следующие голосовые команды:

• «Alexa, open Light Strip» — открыть Light Strip
• «Turn on» — включить
• «Set brightness to 20 percent» — установить яркость 20%
• «Set brightness to 50 percent» — установить яркость 50%
• «Set color to red» — установить красный цвет
• «Set color to turquoise» — установить бирюзовый цвет
• «Turn off» — выключить
• «Run an exciting animation» — запустить энергичную анимацию
• «Run a relaxing animation» — запустить расслабляющую анимацию

Навык LightStrip поддерживает более сложные диалоги:

Я: Alexa, open Light Strip
Alexa: Welcome to LightStrip — LED-лента засветится синим
Я: Launch an animation
Alexa: Do you want a relaxing or exciting animation?
Я: Relaxing
Alexa: OK — LED-лента покажет случайную анимацию
Я: Next animation
Alexa: OK — будет показана другая случайная анимация

Для лучшего понимания модели взаимодействия ниже приведена полная VUI-диаграмма навыка.

Улучшения и доработки

Автозапуск AlaWeb при загрузке

Небольшое улучшение — настроить автозапуск скрипта lightstrip.py при загрузке Raspberry Pi, чтобы не запускать его вручную после каждого включения или сбоя. Инструкции по настройке автозапуска можно найти в репозитории проекта.

Добавление и настройка анимаций

Навык Light Strip уже содержит 20 вариантов анимаций. Однако библиотека ALA позволяет легко создавать свои анимации, выбирая пресет, цветовую палитру и скорость. Вы можете добавить свои анимации или изменить существующие в скрипте ala_controller.py. Примерно на строке 80 находится список настроек анимаций, который можно модифицировать под свои предпочтения.

Код

Весь необходимый код проекта доступен на GitHub: https://github.com/bportaluri/LightStrip

Схемы

Схема подключения прилагается в разделе Schematics оригинального проекта.