多彩世界地圖上的物聯(lián)網(wǎng)圣誕老人追蹤器

描述

呼呼呼……圣誕老人來(lái)了！

每年平安夜圣誕老人都會(huì)踏上環(huán)游世界的旅程，為全世界的孩子們送出禮物。但是知道那天圣誕老人在哪里會(huì)很酷嗎？

MKR1000 圣誕老人追蹤器來(lái)救援！

您可能已經(jīng)知道我們可以從兩個(gè)地方獲取圣誕老人的位置信息，一個(gè)來(lái)自NORAD ，一個(gè)來(lái)自Google 。雖然 NORAD 是發(fā)起圣誕老人追蹤傳統(tǒng)的原始組織，但谷歌為圣誕老人追蹤提供了一個(gè)開發(fā)人員友好的（未記錄的）API 。使用此 API，您將能夠跟蹤實(shí)時(shí)圣誕老人信息，包括位置、到達(dá)和離開時(shí)間、在該位置發(fā)送的禮物，與在 Google 的圣誕老人跟蹤網(wǎng)站上相同。所以在這個(gè)項(xiàng)目中我選擇使用谷歌圣誕老人數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)我的圣誕老人追蹤器。

這個(gè)項(xiàng)目的想法很簡(jiǎn)單：使用 LED 顯示圣誕老人去過(guò)的地方以及圣誕老人在世界地圖上的當(dāng)前位置。這是我在項(xiàng)目結(jié)束時(shí)得到的：

系統(tǒng)架構(gòu)

總體而言，該設(shè)計(jì)使用一個(gè)樹莓派和一個(gè) MKR1000 來(lái)處理和可視化從 Google Santa Tracker API 獲取的圣誕老人數(shù)據(jù)。

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數(shù)據(jù)處理管道

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如您所見，從 Google Santa Tracker API 獲取的數(shù)據(jù)首先通過(guò) Raspberry PI 放置。原因是 API 響應(yīng) JSON 大約為 20M，這太大而無(wú)法放入 MKR1000 的內(nèi)存（我的草圖加載后有 18M 可用）進(jìn)行處理。所以我使用 Raspberry Pi 3 首先使用數(shù)據(jù)，并生成一個(gè)更小的數(shù)據(jù)格式，這是為我的應(yīng)用程序量身定做的。之后的數(shù)據(jù)通過(guò)托管在 Raspberry Pi 上的 REST API 服務(wù)器公開。MKR1000 開發(fā)板將每 10 秒調(diào)用一次 REST API 以獲取當(dāng)前圣誕老人的位置。

電路設(shè)計(jì)

MKR1000 連接到具有 30 個(gè) WS2812B RGB NeoPixel LED 的定制 PCB。每個(gè) LED 代表一個(gè)地理位置。這個(gè)想法是讓離圣誕老人當(dāng)前位置最近的 LED 燈閃爍，然后打開圣誕老人過(guò)去所在位置的所有 LED 燈。

PCB 針對(duì)由 Othermill 生產(chǎn)的雙面 PCB 進(jìn)行了優(yōu)化，但也應(yīng)該可以通過(guò) OSH Park 等在線 PCB 服務(wù)輕松生產(chǎn)。

我在PCB上鋪了30個(gè)NeoPixels，形成了一張世界地圖。您可能現(xiàn)在看不到它，但是在涂上負(fù)片掩模和擴(kuò)散器后，它會(huì)更容易識(shí)別。

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為 MKR1000 和 30 NeoPixels 定制的 PCB

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使這種家庭銑削友好的主要考慮因素是通孔的位置。由于過(guò)孔是在 PCB 板上鉆的，因此兩側(cè)未連接。因此，您需要通過(guò)電線將它們的兩側(cè)焊接在一起。正因?yàn)槿绱耍撞荒芟裨谏虡I(yè) PCB 中通常那樣放置在 SMT 組件下方。

PCB 文件背后有一些設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)：

• 電源通過(guò)粗干線傳輸并下沉到另一根粗地線中。這是因?yàn)?30 個(gè) NeoPixel 會(huì)消耗相當(dāng)多的電流。
• NeoPixels 盡可能靠近主干電源線連接。這是為了減少多個(gè) NeoPixel 之間的壓降。不同的電壓會(huì)導(dǎo)致亮度和顏色略有不同。
• 靠近電源連接一個(gè) 1000 uF 電容器。這是使用 NeoPixels的推薦最佳實(shí)踐。
• 過(guò)孔放置在其他 SMT 組件之外，因?yàn)樗鼈儗⑼ㄟ^(guò)手動(dòng)焊接兩側(cè)連接，焊點(diǎn)不會(huì)適合另一個(gè) SMT 組件。這在商業(yè)服務(wù)生產(chǎn)的 PCB 上不是問(wèn)題，但在家庭制作 PCM 時(shí)應(yīng)考慮在內(nèi)。
• 確保在電線之間留出足夠的空間。 焊接后很容易短路，因?yàn)樽灾频腜CB沒有絕緣層。這可以在 Otherplan 應(yīng)用程序中通過(guò)將跡線間隙設(shè)置為比默認(rèn)值 0.006 英寸更大的值（例如 0.06 英寸應(yīng)該足夠好）來(lái)完成。我發(fā)現(xiàn)我的第一塊完全焊接的電路板因?yàn)槎搪范鵁o(wú)法正常工作，而且修復(fù)起來(lái)比制作另一塊電路板更難。
• 如果您要處理大量 SMT 組件，熱風(fēng)返修站將為您節(jié)省大量焊接時(shí)間。雖然這是可行的，但真的不值得一個(gè)一個(gè)地手工焊接組件。熱風(fēng)也會(huì)使組件自動(dòng)對(duì)齊到準(zhǔn)確的位置。

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1 / 8 ? V1（不工作）在左邊，V2 在右邊。

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世界地圖面具和擴(kuò)散器

因?yàn)?Othermill 可以直接從 SVG 進(jìn)行銑削，所以我只使用從 wikimedia.org 找到的世界地圖。

我還創(chuàng)建了另一個(gè)包含鉆孔的鷹文件。這些孔用于將掩模安裝到電路板上。

因?yàn)槲蚁氆@得盡可能高的銑削精度，所以最好的方法是使用對(duì)齊支架。但是輪廓肯定會(huì)和括號(hào)重疊。我找到的解決方案是首先只切割地圖而不切割輪廓。然后在不告訴軟件的情況下取下支架。然后開始銑削以鉆孔并切割輪廓。該軟件將使用相同的刀具路徑在您想要的精確位置切割輪廓。

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1 / 5 ?面罩的研磨設(shè)置。

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組裝非常簡(jiǎn)單。我使用了 4 個(gè) M3 尼龍長(zhǎng)螺釘、4 個(gè)支架和 4 個(gè)螺母。

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1 / 3

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樹莓派預(yù)處理服務(wù)器

Google Santa Tracker API 的響應(yīng)是一個(gè)巨大的 JSON 文件。這對(duì) MKR1000 來(lái)說(shuō)可能是個(gè)問(wèn)題，但對(duì) Raspberry Pi 3 來(lái)說(shuō)根本不是問(wèn)題。所以我設(shè)置了一個(gè) HTTP 服務(wù)器來(lái)預(yù)處理 JSON 文件并為 MKR1000 生成較小的數(shù)據(jù)。

Raspberry Pi 服務(wù)器還將位置直接映射到相應(yīng) LED 的索引，以進(jìn)一步減少 MKR1000 上的計(jì)算。為此，我首先手動(dòng)為每個(gè) LED 分配一個(gè)坐標(biāo)，然后計(jì)算圣誕老人路徑中的每個(gè)位置與 LED 坐標(biāo)之間的距離，找到最近的 LED 來(lái)表示該位置。

服務(wù)器是用 Python 編寫的，并使用 Flask 網(wǎng)絡(luò)框架將 REST 端點(diǎn)公開給 MKR1000。

from flask import Flask
import requests
import json
import math
import sys
app = Flask(__name__)
# Google's Santa API. Only updates on Dec 24.
# santa_api_url = 'https://santa-api.appspot.com/info?client=web&language=en&fingerprint=&routeOffset=0&streamOffset=0'
# My Fake Santa API.
santa_api_url = 'http://localhost:1224/info'
# LEDs metadata.
leds = [
   {'name': 'North Pole', 'location': {'lat': 90.0, 'lng': 30.0}},
   {'name': 'Alaska (US)', 'location': {'lat': 64.536117, 'lng': -151.258768}},
   {'name': 'Alberta (Canada)', 'location': {'lat': 48.9202307, 'lng': -93.69738}},
   {'name': 'Ontario (Canada)', 'location': {'lat': 50.956252, 'lng': -87.369255}},
   {'name': 'Utah (US)', 'location': {'lat': 40.7765868, 'lng': -111.9905244}},
   {'name': 'Tennessee (US)', 'location': {'lat': 36.1865589, 'lng': -86.9253274}},
   {'name': 'Mexico City (Mexico)', 'location': {'lat': 19.39068, 'lng': -99.2836957}},
   {'name': 'Bogota (Columbia)', 'location': {'lat': 4.6482837, 'lng': -74.2478905}},
   {'name': 'Brasilia (Brazil)', 'location': {'lat': -15.721751, 'lng': -48.0082759}},
   {'name': 'Santiago (Chile)', 'location': {'lat': -33.4727092, 'lng': -70.7699135}},
   {'name': 'Greenland', 'location': {'lat': 70.8836652, 'lng': -59.6665893}},
   {'name': 'UK', 'location': {'lat': 64.6748061, 'lng': -7.9869018}},
   {'name': 'Spain', 'location': {'lat': 40.4379332, 'lng': -3.749576}},
   {'name': 'Mali', 'location': {'lat': 17.5237416, 'lng': -8.4791157}},
   {'name': 'Finland', 'location': {'lat': 64.6479136, 'lng': 17.1440256}},
   {'name': 'Greece', 'location': {'lat': 38.2540419, 'lng': 21.56707}},
   {'name': 'Libya', 'location': {'lat': 21.520733, 'lng': 23.237173}},
   {'name': 'Central African Republic', 'location': {'lat': 6.2540984, 'lng': -0.2809593}},
   {'name': 'Botswana', 'location': {'lat': -22.327399, 'lng': 22.4437318}},
   {'name': 'Saudi Arabia', 'location': {'lat': 24.0593214, 'lng': 40.6158589}},
   {'name': 'Turkmenistan', 'location': {'lat': 38.9423384, 'lng': 57.3349508}},
   {'name': 'Xinjiang (China)', 'location': {'lat': 42.0304225, 'lng': 77.3185349}},
   {'name': 'India', 'location': {'lat': 20.8925986, 'lng': 73.7613366}},
   {'name': 'Henan (China)', 'location': {'lat': 33.8541479, 'lng': 111.2634555}},
   {'name': 'Cambodia', 'location': {'lat': 12.2978202, 'lng': 103.8594626}},
   {'name': 'Japan', 'location': {'lat': 34.452585, 'lng': 125.382845}},
   {'name': 'Australia', 'location': {'lat': -25.0340388, 'lng': 115.2378468}},
   {'name': 'New Zealand', 'location': {'lat': -43.0225411, 'lng': 163.4767905}},
   {'name': 'South Pole', 'location': {'lat': -90.0, 'lng': 30.0}},
]
@app.route('/santa')
def santa():
   santa_info = requests.get(santa_api_url).json()
   santa_time = santa_info['now']
   response = []
   for dest_json in santa_info['destinations']:
       if santa_time < dest_json['arrival']:
           break
       dist, led, led_index = closest_led(dest_json['location'])
       response.append({
           'i': led_index,
           'd': int(dist),
           'n': dest_json['city'],
           'p': dest_json['presentsDelivered']
       })
   return app.response_class(json.dumps(response).replace(' ',''), content_type='application/json')
def distance(loc1, loc2, unit='M'):
   lat1 = loc1['lat']
   lng1 = loc1['lng']
   lat2 = loc2['lat']
   lng2 = loc2['lng']
   radlat1 = math.pi * lat1 / 180
   radlat2 = math.pi * lat2 / 180
   theta = lng1-lng2
   radtheta = math.pi * theta / 180
   dist = (math.sin(radlat1) * math.sin(radlat2) +
       math.cos(radlat1) * math.cos(radlat2) * math.cos(radtheta));
   dist = math.acos(dist)
   dist = dist * 180 / math.pi
   dist = dist * 60 * 1.1515
   if unit == 'K':
       return dist * 1.609344
   if unit == 'N':
       return dist * 0.8684
   return dist
def closest_led(loc):
   min_dist = sys.float_info.max
   min_led = None
   min_index = 0
   for index, led in enumerate(leds):
       led_loc = led['location']
       dist = distance(loc, led_loc)
       if dist < min_dist:
           min_dist = dist
           min_led = led
           min_index = index
   return min_dist, min_led, min_index
if __name__ == '__main__':
   app.run(host='0.0.0.0', port=2412)

由于 Google Santa Tracker API 一年中只有一天（12 月 24 日）更新，為了測(cè)試整個(gè)系統(tǒng)，我還編寫了一個(gè)模擬真實(shí)圣誕老人追蹤器 API 服務(wù)器的假圣誕老人追蹤器 API 服務(wù)器。有了這個(gè)假的 API 服務(wù)器，我還可以控制行進(jìn)速度并根據(jù)需要重置。該服務(wù)器也是一個(gè) Flask Python 服務(wù)器，在 Raspberry Pi 3 的不同端口上運(yùn)行。

from flask import Flask, request
import json
import time
app = Flask(__name__)
fake_start_time = 0  # initialized to first arrival time from json
real_start_time = 0  # set to start time
speed_factor = 100  # fake clock speed
all_destinations = None
current_info = {
   'status': 'OK',
   'language': 'en',
   'now': None,            # Will be set to fake time
   'timeOffset': 120000,
   'fingerprint': '3b8835bc354c6d5018344b289b833402f7079844',
   'refresh': 51449,
   'switchOff': False,
   'clientSpecific': {
       'DisableEarth': False,
       'DisableTracker': False,
       'DisableWikipedia': False,
       'DisablePhotos': False,
       'HighResolutionPhotos': False,
       'EarthAltitudeMultiplier': 1
   },
   'routeOffset': 0,
   'destinations': None    # Will only have destinations up to two towns ahead
}
@app.route('/info')
def info():
   if real_start_time != 0:
       advance_fake_time()
   return app.response_class(json.dumps(current_info), content_type='application/json')
@app.route('/start')
def start():
   global real_start_time, speed_factor
   real_start_time = real_now()
   speed_factor = int(request.args.get('speed', '100'))
   print(u'fake clock stated at speed {0}'.format(speed_factor))
   return 'ok'
@app.route('/reset')
def reset():
   global real_start_time
   real_start_time = 0
   current_info['destinations'] = all_destinations[:3]
   return 'ok'
def index_of_current_destination(ts):
   for i, dest in enumerate(all_destinations):
       if dest['departure'] > ts:
           return i
   return 0
def current_destinations():
   index = index_of_current_destination(fake_now()) + 3
   return all_destinations[:index]
def advance_fake_time():
   current_info['now'] = fake_now()
   current_info['destinations'] = current_destinations()
def real_now():
   return int(time.time() * 100)
def fake_now():
   return (real_now() - real_start_time) * speed_factor + fake_start_time
def arrival(d):
   return d['arrival']
def load_json():
   with open('santa2016.json') as data_file:
       data = json.load(data_file)
   global all_destinations, fake_start_time
   all_destinations = sorted(data['destinations'], key=arrival)
   fake_start_time = all_destinations[1]['arrival']
   reset()
   print(u'{0} destinations loaded, fake_start_time={1}'.format(len(all_destinations), fake_start_time))
if __name__ == '__main__':
   load_json()
   app.run(host='0.0.0.0', port=1224)

MKR1000 固件

現(xiàn)在 MKR1000 已準(zhǔn)備好從 Raspberry Pi 服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)，并打開和關(guān)閉 LED。

#include 
#include 
#include 
#include "JsonStreamingParser.h"
#include "JsonListener.h"
#define LED_PIN 6
#define LED_NUM 30
#define BRIGHTNESS 50
Adafruit_NeoPixel strip = Adafruit_NeoPixel(LED_NUM, LED_PIN, NEO_GRB + NEO_KHZ800);
char ssid[] = "YOUR_SSID";     //  your network SSID (name)
char pass[] = "YOUR_PWRD";  // your network password
int keyIndex = 0;            // your network key Index number (needed only for WEP)
int status = WL_IDLE_STATUS;
IPAddress server(192, 168, 1, 120);  // numeric IP for RPI server
//char server[] = "rpi3.local";    // name address for RPI server
char endpoint[] = "/santa";
int port = 2412;
// Initialize the Ethernet client library
// with the IP address and port of the server
// that you want to connect to (port 80 is default for HTTP):
WiFiClient client;
class Led {
 public:
   String name;
   int distance;
   int presents;
   boolean on;
};
Led leds[30];
class LedSwitcher: public JsonListener {
 public:
   void whitespace(char c) {}
   void startDocument() {}
   void key(String key) {
     Serial.println(key);
     currentKey = key;
   }
   void value(String value) {
     Serial.println(value);
     if (currentKey == "i") {
       ledIndex = value.toInt();
     } else if (currentKey == "p") {
       presents = value.toInt();
     } else if (currentKey == "d") {
       distance = value.toInt();
     } else {
       name = value;
     }
   }
   void endArray() {}
   void endObject() {
     Serial.println("End of Object");
     Serial.print(ledIndex);
     Serial.print(":");
     Serial.print(name.c_str());
     Serial.print(",");
     Serial.print(presents);
     Serial.print(",");
     Serial.print(distance);
     leds[ledIndex].on = true;
     leds[ledIndex].name = name;
     leds[ledIndex].presents = presents;
     leds[ledIndex].distance = distance;
   }
   void endDocument() {}
   void startArray() {}
   void startObject() {}
   int lastLed() {
     return ledIndex;
   }
 private:
   String currentKey;
   int ledIndex;
   int presents;
   int distance;
   String name;
};
LedSwitcher ledSwitcher;
void connectToWifi() {
 // check for the presence of the shield:
 if (WiFi.status() == WL_NO_SHIELD) {
   Serial.println("WiFi shield not present");
   // don't continue:
   while (true);
 }
 // attempt to connect to Wifi network:
 while (status != WL_CONNECTED) {
   Serial.print("Attempting to connect to SSID: ");
   Serial.println(ssid);
   // Connect to WPA/WPA2 network. Change this line if using open or WEP network:
   status = WiFi.begin(ssid, pass);
   // wait 10 seconds for connection:
   delay(10000);
 }
 Serial.println("Connected to wifi");
 printWifiStatus();
}
boolean connectToSantaServer() {
 Serial.println("Starting connection to server...");
 return client.connect(server, port);
}
void ensureConnected() {
 if (!client.connected()) {
   while (!connectToSantaServer()) {
     Serial.println("Failed to connect to server. Retry in 5 seconds");
     delay(5000);
   }
   Serial.println("connected to server");
 }
}
void fetchSantaInfo() {
 ensureConnected();
 // Make a HTTP request:
 client.print("GET ");
 client.print(endpoint);
 client.println(" HTTP/1.1");
 client.print("Host: ");
 client.println(server);
 client.println("Connection: close");
 client.println();
 int bytes = 0;
 boolean isBody = false;
 JsonStreamingParser parser;
 parser.setListener(&ledSwitcher);
 Serial.println();
 Serial.println("Received response:");
 Serial.println();
 while (client.connected()) {
   while (client.available()) {
     char c = client.read();
     ++bytes;
     //Serial.write(c);
     if (isBody || c == '[') {
       isBody = true;
       parser.parse(c);
     }
   }
 }
 Serial.println();
 Serial.println();
 Serial.println("Disconnecting from server.");
 client.stop();
 Serial.print("Received: ");
 Serial.print(bytes);
 Serial.println(" Bytes.");
}
void flashLastLed() {
 strip.setPixelColor(ledSwitcher.lastLed(), strip.Color(0, 0, 0));
 strip.show();
 delay(500);
 strip.setPixelColor(ledSwitcher.lastLed(), strip.Color(255, 0, 0));
 strip.show();
 delay(500);
}
void setup() {
 //Initialize serial and wait for port to open:
 Serial.begin(9600);
 strip.setBrightness(BRIGHTNESS);
 strip.begin();
 strip.show(); // Initialize all pixels to 'off'.
 connectToWifi();
 fetchSantaInfo();
 for (int i = 0; i < 30; ++i) {
   if (leds[i].on) {
     strip.setPixelColor(i, strip.Color(255, 0, 0));
   } else {
     strip.setPixelColor(i, strip.Color(0, 0, 0));
   }
 }
 strip.show();
}
void loop() {
 fetchSantaInfo();
 delay(1000);
 for (int i = 0; i < 10; ++i) {
   flashLastLed();
 }
}
void printWifiStatus() {
 // print the SSID of the network you're attached to:
 Serial.print("SSID: ");
 Serial.println(WiFi.SSID());
 // print your WiFi shield's IP address:
 IPAddress ip = WiFi.localIP();
 Serial.print("IP Address: ");
 Serial.println(ip);
 // print the received signal strength:
 long rssi = WiFi.RSSI();
 Serial.print("signal strength (RSSI):");
 Serial.print(rssi);
 Serial.println(" dBm");
}

由于大部分工作都是在 Raspberry Pi 上完成的，所以這里的代碼很簡(jiǎn)單。它連接到 WiFi，每 10 秒從 Raspberry Pi 獲取圣誕老人數(shù)據(jù)，并相應(yīng)地更新 NeoPixels。

現(xiàn)在讓我們啟動(dòng)它：

結(jié)論

MKR1000 是一款非常強(qiáng)大的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用板，但它也有其自身的局限性。借助更強(qiáng)大的 SBC（單板計(jì)算機(jī)），如 Raspberry Pi 3，我們將能夠與具有更復(fù)雜 API 的任何服務(wù)進(jìn)行交互。

希望你喜歡這個(gè)項(xiàng)目作為一個(gè)小小的節(jié)日驚喜。