如何使用 Raspberry Pi 通过 Sense HAT 监控温度

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使用树莓派和 Sense HAT 监测环境温度

你可以通过多种途径，使用树莓派单板计算机监测周围环境的温度，例如将其作为气象站的一部分。尽管你可以使用连接到树莓派 GPIO 引脚的外部传感器来实现此目的，本文将重点介绍如何利用配备 Sense HAT 的树莓派来监测温度。

什么是 Sense HAT？


图片来源：树莓派

Sense HAT 是由树莓派基金会设计和制造的官方树莓派 HAT (顶置硬件) 扩展板。它最初是为国际空间站上的宇航员设计的。自 2015 年以来，两台配备 Sense HAT 的树莓派计算机被用于进行由学生设计的科学实验，这些实验被称为 Astro Pi 挑战赛。不过，这些设备已被升级为基于树莓派 4 并配备高质量摄像头的版本。


图片来源：树莓派

尽管标准 Sense HAT 板缺少专为太空环境设计的特殊银色外壳，但它具有完全相同的功能。它可以兼容任何带有 40 针 GPIO 接头的树莓派型号，并配备一系列板载传感器，使其能够监测周围环境，并检测自身的朝向和运动。此外，它还配备了一个 8×8 RGB LED 矩阵，可用于显示文本、数据和图像，以及一个微型五向操纵杆。

Sense HAT 的完整传感功能包括：

  • 湿度：STMicro HTS221 传感器，相对湿度范围为 0 至 100%，温度感应范围为 0°C 至 65°C（精度为 ±2°C）。
  • 气压：STMicro LPS25HB 传感器，测量范围为 260 至 1260 hPa，温度感应范围为 15°C 至 40°C（精度为 ±0.5°C）。
  • 温度：可从湿度或压力传感器读取，或通过取两个读数的平均值来测量。
  • 陀螺仪：STMicro LSM9DS1 IMU 可测量 Sense HAT 相对于地球表面的旋转（以及旋转速度）。
  • 加速度计：IMU 的另一个功能，用于测量多个方向的加速度力。
  • 磁力计：通过感应地球磁场，IMU 可以确定磁北方向，从而提供罗盘读数。

现在您已经了解了这款多功能树莓派 HAT 的强大功能，是时候开始我们的项目了。

第一步：安装 Sense HAT

要连接 Sense HAT，请首先确保您的树莓派已关闭并断开电源。然后，小心地将 Sense HAT（已安装随附的黑色接头扩展器）推到树莓派的 40 针 GPIO 接头上，使 Sense HAT 板位于树莓派板之上。确保所有引脚正确对齐，并且两行引脚均已连接。您还可以使用螺丝支架来固定它。

您可以使用任何带有 40 针 GPIO 接头的标准树莓派型号。然而，树莓派 400 的主要限制之一是其 GPIO 接头位于集成键盘的背面。这意味着 Sense HAT 将向后安装，因此您可能需要使用 GPIO 扩展线来连接它。

第二步：配置树莓派

与任何其他项目一样，您应首先插入 USB 键盘和鼠标，然后将树莓派连接到显示器或电视。您还应插入一张装有标准树莓派操作系统的 microSD 卡 – 如果您还没有这样做，请参阅有关如何在树莓派上安装操作系统的指南。然后，您可以打开电源。

或者，您可以在无头模式下使用树莓派和 Sense HAT，无需连接显示器，并通过 SSH 从另一台计算机或设备远程连接到树莓派。如果这样做，您将无法使用 Thonny Python IDE，但仍然可以使用 Nano 文本编辑器编辑程序，并从命令行运行它们。

Sense HAT 固件默认情况下应已安装。要检查，请打开终端窗口并输入： 

sudo apt install sense-hat

然后，如果刚刚安装了软件包，请重新启动树莓派： 

sudo reboot

第三步：开始使用 Python 编程

虽然您可以将树莓派 Sense HAT 与基于 Scratch 块的编程语言结合使用，但我们将使用 Python 来读取和显示其传感器数据。

Thonny IDE (集成开发环境) 是在树莓派上进行 Python 编程的好方法，因为它具有包括调试功能在内的许多有用的功能。在树莓派操作系统的桌面 GUI 中，转到菜单（左上角的树莓图标）> 编程 > Thonny IDE 以启动它。

第四步：读取温度数据

在 Thonny IDE 的主窗口中，输入以下代码： 

from sense_hat import SenseHat
sense = SenseHat()
sense.clear()

temp = sense.get_temperature()
print(temp)

第一行从 sense_hat Python 库（预安装在树莓派操作系统中）导入 SenseHat 类，然后将其分配给 sense 变量。第三行清除 Sense HAT 的 LED 矩阵。

接下来，我们获取温度读数并将其打印到 Thonny IDE 的 Shell 区域。这是以摄氏度为单位的温度，因此您可能需要将其转换为华氏度： 

temp = (sense.get_temperature() * 1.8 + 32)

温度传感器读数通常有几位小数。因此，我们使用 round 函数将其四舍五入到一位小数： 

temp = round(temp, 1)

sense.get_temperature() 函数读取湿度传感器内置的温度传感器。或者，您可以使用 sense.get_temperature_from_pressure() 从压力传感器获取温度读数，甚至可以读取两个值并计算平均值（通过将它们相加并除以 2）。

第五步：在 Sense HAT 上显示温度

将单个温度读数打印到 Python Shell 有点单调，因此让我们定期获取新的读数并将其显示在 Sense HAT 的 RGB LED 矩阵上。为了显示滚动文本消息，我们使用 show_message 函数。我们还将使用 while: True 循环每 10 秒获取一个新的读数。为此，我们将使用时间库的 sleep 函数。

以下是完整的程序：

from sense_hat import SenseHat
from time import sleep

sense = SenseHat()
sense.clear()

while True:
  temp = (sense.get_temperature() * 1.8 + 32)
  temp = round(temp, 1)
  message = "Temp: " + str(temp)
  sense.show_message(message)
  sleep (10)

运行此代码，您将看到每个新的温度读数在 LED 矩阵上滚动。尝试对着 Sense HAT 吹气，看看温度是否发生变化。

温度读数可能会受到下方树莓派 CPU 产生的热量的影响，因此可能需要进行调整以获得更准确的数据。另一种解决方案是使用堆叠头将 Sense HAT 升高到树莓派上方。

使用树莓派监测温度

虽然您可以在此项目中使用独立的温度传感器，但 Sense HAT 可以轻松地与树莓派一起监测温度。您还可以使用它来获取许多其他传感器数据，例如气压和相对湿度，并将它们显示在 LED 矩阵上。