智慧插座(Smart Relay): 從 GPIO 到繼電器

《特色》
1. 四小時工作坊，手把手教學，附完整範例程式。
2. 從 GPIO 控制 LED 到控制 110V 家用電器。
3. 全系列 Pi 都可以使用。

《內容》
1.GPIO + Python介紹(1 小時)
2.數位輸出，使用 Python 控制 LED(1 小時)
3.繼電器介紹，控制家用插座，讓 USB LED 亮和暗(2 小時)

《範例程式》
https://github.com/piepie-tw/smart-relay

《購買套件》
https://www.piepie.com.tw/19657/smart-relay-kit

Transcript

1. 智慧插座 : 從 GPIO 到繼電器 台灣樹莓派 <sosorry@piepie.com.tw> 2019/05/01@TKU
2. 姓名標示 — 非商業性 — 相同方式分享 CC (Creative Commons) 姓名標示 — 你必須給予 適當表彰、提供指向本授權 條款的連結，以及 指出（本作品的原始版本）是否已 被變更。你可以任何合理方式為前述表彰，但不得以 任何方式暗示授權人為你或你的使用方式背書。 非商業性 — 你不得將本素材進行商業目的之使 用。 相同方式分享 — 若你重混、轉換本素材，或依本 素材建立新素材，你必須依本素材的授權條款來 散布你的貢獻物。
3. 3 • Raspberry Pi 官方經銷商 • 專注 Raspberry Pi 應用與推廣 , 舉辦社群活動 關於我們
4. 4 • COSCUP,MakerConf,PyCon,HKOSCon 講者 • 投影片 • https://speakerdeck.com/piepie_tw • 程式碼 • https://github.com/piepie-tw 分享 x 教學
6. 6 • Raspberry Pi GPIO 介紹 • 使用繼電器控制 110V 電器 本次主題
7. 7 • 硬體:Raspberry Pi 3B/3B+ • 作業系統:2018-11-13-raspbian-stretch.img • 為了可以使用USB 轉TTL 傳輸線 • 修改/boot/config.txt, 新增三行 – dtoverlay=pi3-miniuart-bt – core_freq=250 – enable_uart=1 • 修改/boot/cmdline.txt, 將quiet splash 的quiet 移除 今日環境 刪除 quiet 新增三行
8. • $ sudo apt-get update • $ sudo apt-get -y install python- pip python-dev x11vnc python3-dev python3-venv 安裝今日所需軟體 ( 已安裝 )
9. 9 Raspberry Pi GPIO 介紹
10. 10 • General Purpose Input Output • GPIO 是一種可用軟體控制的數位訊號 什麼是 GPIO ？ http://www.tek.com/datasheet/tps2000b-series-digital-storage-oscilloscopes-datasheet
11. 11 • 決定是輸入還是輸出 • 輸出：寫值到某根腳位 • 輸入：從某根腳位讀值 • 等待中斷 (interrupt) 的發生 • 決定是正緣觸發還是負緣觸發 用軟體控制什麼 ?
12. 12 GPIO 腳位在哪裡？ http://www.raspberrypi-spy.co.uk/ Pin1 Pin2 Pin25 Pin26 Pin3 Pin4 Z Z 字型的腳位編號
13. 13 • GPIO 高電位輸出為 3.3V • GPIO 容忍輸入電位為 3.3V • 單一 Pin 輸出電流為 3mA-16mA • 全部 Pin 輸出總和小於 50mA • GPIO 輸入低電位為小於 0.8V, 高電位為大於 1.3V 幾個 GPIO 的數字 https://www.scribd.com/doc/101830961/GPIO-Pads-Control2
14. 14 • C • C + wiringPi • C# • Ruby • Perl • Python • Scratch • Java Pi4J Library • Shell script 如何控制 Raspberry Pi 的 GPIO ?
15. 15 Python + GPIO
16. 16 • 變數 , 物件 , 型別 , 註解 • 模組 • 縮排 • 迴圈 • 條件判斷 • 函式 Python2 五分鐘速成
17. 17 • 動態型別 (dynamic typing) # 這是註解 i = 3 # 變數 i 指到數字物件 3 i = [1, 2, 3, 4, 5] # 變數 i 指到串列物件 print(i[2]) # 印出串列中第三個元素 i = "abcde" # 變數 i 指到字串物件 print(i[2]) # 印出字串中第三個元素 變數 , 物件 , 型別 , 註解
18. 18 # import MODULE import RPi.GPIO # import MODULE as ALIAS import RPi.GPIO as GPIO 模組
19. 19 • 用縮排取代大括號 • 程式碼的區塊是用縮排分隔 • 不使用 tab, 使用空白鍵 • 常見縮排為 4 個空白鍵 縮排
20. 20 • 自動迭代 (iterator) for i in xrange(start, stop[, step]): process for i in xrange(0, 11, 5): print(i) 迴圈
21. 21 if condition_1: process_1 elif condition_2: process_2 else: process_3 process_4 條件判斷
22. 22 def function_name(): process def function_name(param_name): process def function_name(param_name = 3): process 函式
23. 23 • 1. 存成檔案以後 , 用 python 執行 • $ nano test.py • $ python test.py • 2. 進到互動模式 , 可直接看輸出結果 • $ python Python 2.7.9 (default, Sep 17 2016, 20:26:04) [GCC 4.9.2] on linux2 Type "help", "copyright", "credits" or "license" for more information. >>> 兩種執行 Python 的方法
24. 24 數位輸出
25. 25 實驗 1: 硬體的 Hello World 目的 : 從硬體到軟體的思維
26. 26 • 發光二極體 • 單向導通 • 省電 LED http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/c8/5mm_Red_LED.jpg 長腳接正極 Vcc 短腳接負極 GND
27. 27 要接哪一個腳位？ 目標 : 一隻腳接地 , 一隻腳給電
28. 28 線路圖 LED RPi 長腳 (RED) Pin12 (GPIO18) 短腳 (BLACK) Pin6 (Ground) 1k 電阻 : 棕黑黑棕 ( 棕 )
29. 29 線路圖 LED RPi 長腳 (RED) Pin12 (GPIO18) 短腳 (BLACK) Pin6 (Ground) 1k 電阻 : 棕黑黑棕 ( 棕 )
30. 麵包板的使用 https://www.slideshare.net/eoinbrazil/imediaarduino08
31. 31 使用麵包板方便多了 1k 電阻
32. 32 各腳位的意義 https://goo.gl/f2rPpN
33. 33 開始用 Python 控制 GPIO 吧
34. 34 • 載入模組 (Import module) • 選擇編號系統 (Define pin numbering) • 定義腳位 (Setup up a channel) • 讀取輸入 / 寫入輸出 (Input/Output) • 清理 (Cleanup) Python Code 基本流程 http://code.google.com/p/raspberry-gpio-python/wiki/BasicUsage
35. 35 #!/usr/bin/python • import RPi.GPIO as GPIO # Import module import time GPIO.setmode(GPIO.BOARD) # Define pin numbering LED_PIN = 12 GPIO.setup(LED_PIN, GPIO.OUT) # Setup up a channel print("LED is on") GPIO.output(LED_PIN, GPIO.HIGH) # Input/Output status time.sleep(3) GPIO.cleanup() # Cleanup 一個實際的範例 以下都是使用別名 (alias)
36. 36 使用 :nano < 檔名 , 例如 led_on.py> 離開 :Ctrl + x > 令存新檔 :y > 不存離開 :n > 離開 :Ctrl + c nano 編輯器使用
37. 37 DEMO led_on.py $ cd ~ $ nano led_on.py $ python led_on.py
38. 38 • Wiki • http://sourceforge.net/p/raspberry-gpio- python/wiki/Home/ • Code • http://sourceforge.net/p/raspberry-gpio- python/code/ci/default/tree/ • Reference detail • http://elinux.org/RPi_Low-level_peripherals • http://elinux.org/RPi_BCM2835_GPIOs • http://www.raspberrypi.org/wp- content/uploads/2012/02/BCM2835-ARM-Peripherals.pdf 更多 RPi.GPIO 的使用方法
39. 39 實驗 2: 控制 LED 閃爍 目的 : 熟悉 Python 語法
40. 40 一樣的線路圖 LED RPi 長腳 (RED) Pin12 (GPIO18) 短腳 (BLACK) Pin6 (Ground) 1k 電阻
41. 41 try: while True: print("LED is on") GPIO.output(LED_PIN, GPIO.HIGH) time.sleep(1) print("LED is off") GPIO.output(LED_PIN, GPIO.LOW) time.sleep(1) except KeyboardInterrupt: print("Exception: KeyboardInterrupt") finally: GPIO.cleanup() 永不停止的 while 迴圈 - 按 Ctrl+c 跳出迴圈
42. 42 $ cd ~ $ git clone https://github.com/piepie-tw/smart-relay $ cd ~/smart-relay $ python led_blink.py 讀寫 GPIO 會存取 /dev/mem, 需 root 權限 (2015-09-24 以後的 image 可以用一般使用者身份執行 ) 執行方式
43. 43 實驗 3: 繼電器 目的 : 從 5V 到 110V
44. • 繼電器是自動控制電路中的一種常用元器件 , 能 夠控制一組開關的通與斷 , 通常是通過電訊號進 行控制 , 或是通過磁 / 聲 / 光 / 熱形式來控制 繼電器 (Relay) http://www.51hei.com/dianzi/3479.html
45. • 用小電流去控制大電流的一種「自動開關」 功能 繼電器 https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%BB%A7%E7%94%B5%E5%99%A8 大電流 小電流
46. • COM(Common) 表示共接點 • NO(Normally Open) 為常開接點 , 平常處於開路 ( 斷 ) 路 • NC(Normally Close) 為常閉接點 , 平常處於閉路 內部構造和名詞縮寫 https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%BB%A7%E7%94%B5%E5%99%A8
47. • 額定工作電壓 • 直流電阻 • 吸合電流 • 釋放電流 • 觸點切換電壓和電流 技術參數
48. • 電磁式繼電器 • 熱敏乾簧繼電器 • 固態繼電器 (SSR) • 光繼電器 繼電器種類 http://goo.gl/821qH6 光電耦合 電磁式
49. 光 ( 耦合 ) 兩路繼電器 https://www.sainsmart.com/products/2-channel-5v-relay-module
50. • 額定工作電壓 :5V • 吸合電流 : 直流 30V/10A, 交流 250V/10A • 釋放電流 :15-20mA • 觸點切換電壓和電流 : 低電位觸發 技術參數
51. 用繼電器控制 USB LED 燈
52. 全部設備 繼電器 插座頭 電源線 三用電錶 快速接頭 杜邦母線 USB LED 燈 5V 轉接器 一字螺絲起子 銅導線
53. 先連接繼電器和樹莓派測試 4 6 12
54. 先連接繼電器和樹莓派測試 NO 接點 COM 接點 VCC IN1 GND
55. 先連接繼電器和樹莓派測試
56. 56 線路圖 Rpi Relay Pin4 (5V) VCC (Red) Pin6 (Ground) IN1 (Orange) Pin12(GPIO18) GND (Black)
57. 57 • RELAY_PIN = 12 GPIO.setup(RELAY_PIN, GPIO.OUT, initial=GPIO.HIGH) • try: while True: print("Relay is on") GPIO.output(RELAY_PIN, GPIO.LOW) time.sleep(2) print("Relay is off") GPIO.output(RELAY_PIN, GPIO.HIGH) time.sleep(2) except KeyboardInterrupt: print("Exception: KeyboardInterrupt") finally: GPIO.cleanup() 低電位觸發
58. 58 DEMO relay_switch.py $ cd ~/smart-relay $ python relay_switch.py
59. 接上電錶
60. 執行測試程式
61. 電源線和快速接頭
62. 將銅導線插到快速接頭
63. 將電源線和快速接頭接在一起
64. 開關和銅導線
65. 將銅導線 [ 直接 ] 插到開關裡
66. 將開關和電源線接在一起
67. 再接到繼電器上 ( 先不插到插頭 )
68. 將插座兩端接起來 ( 先不插到插頭 ) 兩端接起來
69. 用電錶測試 ( 先不插到插頭 ) 量測插頭兩腳
70. 執行測試程式 ( 先不插到插頭 ) 繼電器打開時導通了
71. 確認沒問題了嗎？
72. 將插頭插上 ( 注意安全 !) 再插上插頭 先把 5V 轉接器和 USB LED 燈插上
73. 執行測試程式
74. USB LED 燈亮了 !
75. 75 DEMO relay_switch.py $ cd ~/smart-relay $ python relay_switch.py
76. 76 Raspberry Pi Rocks the World Thanks