设计一款采用7段显示屏的智能壁钟原型，配备多种传感器和控制触摸屏

这是一款适用于学校或办公室的智能时钟原型。它旨在打造一款时尚且功能多样的多功能时钟，让房间内的所有使用者都能查看时间、计时器及其他统计数据。该设计包含两个系统：时钟本体和触摸屏控制器。

这款时钟采用定制的3D打印段式显示屏，通过NeoPixel按钮和灯带进行照明。它还配备了3个传感器，用于读取环境数据。其设计理念是将时钟安装在墙上，然后可通过触摸屏远程控制，该触摸屏可放置在桌面或墙面上方较低位置。用户可通过触摸屏设置定时器、进行配置，并查看传感器读数。

分段显示

分段显示屏由三个主要部分组成。第一部分是状态显示区，包含可单独点亮的字词，用于显示当前时钟所显示的内容。例如，当计时器正在运行时，计时器部分就会被点亮。第二部分是一个进度条，位于整个显示屏的底部，由17个NeoPixel灯珠组成，通过逐步点亮LED灯来表示进度，填充整个进度条。最后也是最重要的一部分是数字显示区，采用4位7段数码管，每两个数字之间用冒号隔开。每个冒号上的点都可以独立控制，因此在需要时也可显示小数点。

这个显示屏是用 Fusion 360 设计的。我觉得这个过程有点麻烦，但我本身是 Fusion 和 CAD 的新手，所以肯定还有更简单的方法可以实现。我通过先绘制出所有段落的草图，再使用拔模工具从显示的段落连接到 LED，希望能得到良好的融合效果和均匀的光线。虽然结果还算不错，但我觉得如果再做一次的话，应该还能改进。七段数码的二维设计由 Posyy 制作完成。

设计完成后，我用3D打印机打印了它。我的打印机有两个挤出头，可以将黑色和透明部分一次性打印成一个整体。虽然打印机比较老，可能需要一些维护，所以打印质量不是特别好，但功能正常!

打印完成后，我不得不费力地将所有NeoPixel按钮和灯带粘贴并焊接到显示屏上。经过一些测试和重新焊接后，显示屏终于可以使用了!

时钟硬件

时钟系统完全由一个内置WiFi的Arduino NANO IOT 33驱动，这使其成为本项目的一个理想选择。它连接了分段式显示屏、三个I2C环境传感器以及一个蜂鸣器。由于NeoPixels需要较大的电流，因此还提供了外部5V电源。显示屏被分为三条NeoPixel灯带，每条区域使用一个引脚，共需3个引脚。5V电压可通过任何能够提供足够电流的电源供应。为了便于与现有系统配合供电，我最终使用了一个USB-C下游扩展板，可输出5V。虽然IoT 33是3.3V微控制器，但该扩展板内置稳压器，可将电压转换为3.3V。VIN引脚可承受4.5-21V电压，因此我们只需直接将其连接到5V电源线，无需额外的电压转换器。NeoPixels在3.3V逻辑电平下运行良好，因此无需使用电平转换器。

所包含的传感器有环境光传感器(VEML6030)、空气质量传感器(ENS160)和大气传感器(BME280)。这些传感器可采集多种数据，包括温度、湿度、气压、CO₂、TVOC、AQI 和照度。为了简化原型设计，我使用了由 Core Electronics Electronics 制造的 Piico 开发板，并将这些传感器连接在上面。通过 JST 电缆，可以将多个传感器串联起来。最终产品中，所有硬件将集成到一块单板电路板上。

所有内容都已组装在面包板上，现在我就可以开始进行软件开发了。显然，从下面的照片中很难看出连接关系，因此在电路图部分的末尾提供了一个Fritzing原理图。

触摸屏硬件

触摸屏组件的硬件非常简单。我使用的是适用于树莓派的Waveshare 10.1英寸电容式触摸屏，该触摸屏与Raspberry Pi 4B配对使用。

软件

该软件仍在开发中，尚未完全定稿，但我仍会分享整个系统的工作原理以及一些有趣的部分片段。

两个系统之间的通信通过WiFi使用MQTT实现。所有主题均以设定的时钟ID开头，这使得多个时钟和触摸屏可以通过单个MQTT代理进行连接。

控制器使用 clock1/command 主题向时钟发送命令。消息负载包含命令及其相关数据的 JSON JSON 格式信息。

时钟通过 clock1/sensors 主题发送其传感器读数。我将传感器单独拆分的原因之一是，我认为只需订阅一个 MQTT 主题，就能让外部系统轻松收集传感器数据。这也有助于在 HomeAssistantAssistantAssistant 等系统中方便地使用这些数据。

典型的传感器消息如下所示：

命令如下所示：

当前的命令为 SET_TIME、SET_CONFIG 和 SET_TIMER。当时钟接收到其中任一命令时，会更新相应的状态变量，从而导致时钟做出相应反应。时间以秒为单位的 Unix 时间戳进行发送。

迈克尔·马戈利斯(Michael Margolis)开发的名为“Time”的库用于在时钟内部跟踪时间。当接收到SET_TIME命令时，系统会将指定的时间戳传递给时间库以设置当前时间，然后继续跟踪直到下一次TIME_SET命令到来。控制器每分钟发送一次时间设置命令。虽然我很少遇到时间偏差，但这样设计可能有些过度，不过宁可谨慎也不可遗憾!

为了保持代码的整洁和易于维护，我在一个独立的文件中创建了一种传感器抽象层，从而避免了读取多种不同传感器时带来的复杂性。同时，它还允许我检测并尝试解决传感器问题。例如，这是光传感器的代码：

这意味着我在主文件中只需调用 readLight()() 即可。

使用 Adafruit NeoPixelPixel 库来控制 NeoPixel。和传感器一样，我创建了一个库来抽象出具体的灯光控制逻辑，这样我只需在主文件中关注设置数字值即可。

设置数字的函数如下：

时钟代码的一个重要部分是，我使用了任务调度功能，具体来说是Anatoli Arkhipenko开发的taskScheduler库。这也就是协作式多任务处理。通过这种方式，我可以定义方法，并设定它们运行的间隔时间。当需要时，taskScheduler就会自动执行这些方法。这对于我需要在不同时间间隔内执行多个任务的情况非常有用。例如，我希望每500毫秒更新一次显示，同时每5秒采集并发送一次传感器数据。与实时操作系统(RTOS)不同的是，任务调度器要求所有任务必须协同工作：每个任务在需要时运行，如果当前有其他任务正在运行，则会等待其轮到。而RTOS中的任务可以具有不同的优先级。由于大多数任务耗时极短，且系统内置定时器负责时间管理，因此这种设计在我的系统中效果良好，能够避免RTOS带来的额外复杂性。

接下来是触摸屏软件。该触摸屏运行一个单一的Python程序，负责图形用户界面(GUI)以及与时钟的通信。界面使用了一个名为NiceGUI的GUI库来创建。NiceGUI非常实用，它能轻松生成简洁的界面，并且便于在UI中显示数值，因为你可以将变量绑定到某个元素上，这样所有对该变量的更新都会自动反映在界面上。你还可以绑定输入值，例如滑块的变化会自动更新相应的变量。

例如，这里是配置选项卡的所有代码：

你也可以看到我创建的函数 send_command，它能非常方便地向时钟发送命令。使用 paho-mqtt Python Python 库来处理 MQTT 通信。这个库很实用，因为它允许你启动一个独立的后台线程来管理连接并监听消息，从而不会干扰图形界面，确保界面保持响应灵敏。

最终的图形界面看起来相当不错，且代码量极少。需要注意的是，NiceGUI 使用 HTML HTML 并通过浏览器渲染界面，类似于 Electron Electron 应用。这确实会增加一些内存和计算开销，但由于我使用了一台专门运行程序的 Raspberry Pi 4，所以运行良好。如果硬件资源受限，我会考虑采用原生解决方案。

最后，附上一些图形界面的截图。

本文编译自hackster.io