介紹
在此專案中將製作一個能把數據視覺化的儀表板；您可以選擇線上一系列的資源作為數據資料。您的數據儀表板須符合下列的專案簡介。
儀表板是一種使用者介面，提供重要的訊息摘要，通常以圖型或是容易閱讀的形式顯示。此專有名詞源自於汽車，透過大且明亮的錶盤和刻度顯示資訊，讓駕駛能快速了解車輛目前的狀態。
- 使用 LEGO® 馬達和零組件建立自動化指示器
- 取得線上 API (Application Programming Interface)，使用 Python 檢索有趣的數據
- 透過您使用樂高製作的儀表板顯示所選擇的數據
所需項目
硬體
- 樹莓派 Raspberry Pi
- 樹莓派 Raspberry Pi Build HAT
- 樹莓派 Raspberry Pi Build HAT 7.5V PSU
- 2 款 LEGO® Technic™ 系列馬達（自由選擇）
- 1 款 LEGO® SPIKE™ 系列的力量感測器
- 各種 LEGO® 系列（在此我們選用 LEGO® SPIKE™ Prime kit 系列）
- 紙張或卡片
- 用於黏接紙張卡片的大頭釘或膠帶
- 馬克筆或鉛筆
- 剪刀或美工刀
選配
- LED 燈
- 電阻器
- 跳線
- 麵包板
- M2 螺栓和螺母（兩組用於將樹莓派 Raspberry Pi 鎖上 LEGO® 的建構板）
軟體
- 控制 Build HAT 的 Build HAT Python 資料庫
- Thonny Python IDE
下載
開始前，您需要設定樹莓派 Raspberry Pi，並連接到 Build HAT：
使用 M2 螺絲組將樹莓派 Raspberry Pi 所到 LEGO 的建構板上，確認樹莓派 Raspberry Pi 與建構板的某一側平貼無溝槽，如下圖：
以此種方式安裝樹莓派 Raspberry Pi 可輕鬆取用端口和 SD 卡插槽。此建構板讓您可以更簡單地將樹莓派 Raspberry Pi 連接儀表板的主要架構。
將 Build HAT 對齊樹莓派 Raspberry Pi，確認看到 This way up 的標誌；確保所有的 GPIO 引腳皆被 HAT 覆蓋並用力壓下固定。（此範例使用加高的引腳示範較為清楚。）
利用 Build HAT 上的 7.5V 筒形插孔為樹莓派供電，才有辦法使用馬達。
如果您尚未開始，請按照說明設定您的樹莓派 Raspberry Pi：設定樹莓派
樹莓派 Raspberry Pi 啟動後，點擊樹莓派 Raspberry 清單按鈕，選擇「Preferences」→「Raspberry Pi Configuration」，開啟 Raspberry Pi Configuration 工具。
點選「interfaces」調整設定如下：
另外，還需要按照以下說明安裝 buildhat python 資料庫：
安裝 buildhat Python 資料庫
按 Ctrl+Alt+T 在樹莓派 Raspberry Pi 上開啟終端窗口。
按照提示輸入：sudo pip3 install buildhat
按下 Enter 並等待「installation completed」安裝完成。
專案簡介：LEGO® 數據儀表板
您的任務是建立一個可顯示所選數據的樂高 LEGO 儀表板。數據來源可以是任何您喜歡的 API，但在此範例中，我們會示範如何獲取 OpenAQ，可自由選擇是否註冊。
對於我們的示範數據，將會測量：
- 所選地點的 NO₂ （二氧化氮）濃度。 二氧化氮 （Nitrogen dioxide ，NO₂）屬於高反應性氣體的一種，為氮氧化物（NOx，nitrogen oxides）組成的一種，主要透過燃料燃燒釋放到空氣中。
- 所選地點的細懸浮微粒（PM2.5）濃度。 「fine particles」或「particulate matter 2.5 (PM2.5)」一詞是指空氣中粒徑在2.5微米(μm)以下之粒狀污染物。 歸類為 PM2.5 的粒狀汙染物也是造成霧霾的主要物質之一。
此範例的 API 使用來自 OpenAQ 的數據，這是一個主張「fighting air inequality through open data」的非營利性組織。全世界約有八分之一的死亡是由於空氣品質不佳所造成的；因此 OpenAQ 蒐集了全球空氣品質數據，希望藉此幫助更多人了解世界上某些地區的空氣污染問題日益嚴重。
儀錶板專案目標： - 使用樂高 LEGO® 清晰顯示所選取的數據
- 連結線上 API 取得最新的數據資料
- 至少需要兩組樂高 LEGO® 指示器
儀錶板功能：
- 使用其它電子元件（LED、蜂鳴器）
- 可連接輸入元件（LEGO® Technic™ 馬達、LEGO® 力量感測器、GPIO 按鈕、距離感測器）
尋找靈感
觀察以下範例尋找靈感，想想您希望儀表板顯示何種資訊。
此範例為天氣儀表，以垂直滑動的指針顯示當前溫度；以 LED 顯示雲層厚度；並依照溫度（包含風和其它天氣狀況）轉動圓盤建議合適的外出服裝；最後使用世界氣象組織的代碼（WMO）顯示詳細的天氣狀況。
規劃製作儀錶板
按照此步驟規劃儀錶板要顯示的資訊。您可以透過思考、修補、繪畫或書寫，依照任何您喜歡的方式進行規劃！
在此我們將使用 OpenAQ 獲取的 API 作為範例專案，示範如何製作及使用數據儀表板。您可以依照喜好選擇想要的 API （如果想嘗試不同來源的數據，在最後的步驟中有部分 API 連接可供參考）
為何要製作儀表板？
思考一下儀表板的用途：
- 顯示何種資訊？
- 以何種方式顯示資訊？
- 介面如何規劃？是否易於閱讀？
使用者是誰？
思考一下儀表板的觀看者（受眾者）是誰？
- 使用何種符號或刻度可以讓顯示內容一目了然？
- 用戶如何取得當前數據？
- 用戶會喜歡明亮的色彩燈光，亦或簡潔乾淨的設計？
- 儀錶板是否合乎用戶期望的存放位置？
開始製作
使用紙筆規劃您的儀表板：
- 思考您手邊有多少可用於為指示器供電的馬達 — 每個指示器都需要一顆馬達
- 您會使用 LED、蜂鳴器、按鈕等其它電子元件嗎？分別作為何用呢？
- 如何將不同的指標和輸入組合到同一個架構中呢？
- 需要那些樂高 LEGO 物件？
畫出您的儀表板，包含整個架構、指標以及各種需要用到的輸入元件；並將其分別標記出會顯示或輸入的資訊。
在下一步驟中，將使用樂高 LEGO® 為儀錶板建立讀數！
儲存檔案製作樂高 LEGO® 滑動指示器如果您不想要這款滑動指示器，可直接跳至下一步製作 LEGO 轉盤。
滑動指示器如下圖：
您也可依照喜好將指示器改成水平滑動，方法是將組件逆時針旋轉 90 度。
按照下列說明組合垂直滑動指示器：
組裝此模型，請參照連結：組裝指南 取一個黃色板子，並使用 90 度螺柱連接兩個藍色支架，如下圖：
垂直組裝兩個灰色支架，兩個間隔一列，如下圖：
將兩個灰色長螺柱組到垂直支架的上方，如下圖：
將兩個垂直的灰色支架以三孔黃色積木水平連接，如下圖：
組裝黑色小齒輪和短軸，如下圖：
組好軸心的齒輪插入黃色建構板，如下圖：
將黑色鋸齒長條積木、紅色十字軸心及指示箭頭組合在一起，指示箭頭指向鋸齒側，如下圖：
將組裝好的鋸齒長條從上方往下滑入組裝，如下圖：
轉動齒輪，讓鋸齒狀長條積木可以卡進齒輪之後，便可輕鬆上下滑動。穩定連接馬達。
取一個馬達，在其上方孔洞組裝兩個連接軸。
連接黑色滑桿前，請確認馬達邊緣的兩個棒棒糖符號已對齊，表示已「歸零」，如下圖：
將馬達組裝固定在建構板的另一面，確認馬達的軸心完整插入，組裝位置如下圖：
測試滑動指示器
針對滑動指示器編程，可利用曾在 LEGO® Data plotter 中編寫的部分代碼。
將馬達連接至 Build HAT 的 A 端口。
接下來會使用到 BuildHAT Python 資料庫，請確認是否已安裝：
安裝 BuildHAT Python 資料庫
- 按住 Ctrl+ Alt+T 在樹莓派 Raspberry Pi 上開啟終端窗口。
- 依照提示輸入：pip3 install buildhat
- 按下 Enter 等待「安裝完成」的訊息。
製作刻度
取一張與鋸齒長條積木等長的紙張，貼在指針旁，準備好馬克筆或鉛筆。
從樹莓派的 Programming 清單中開啟 Thonny。
在視窗底部三個箭頭旁的 Shell 輸入：from buildhat import Motor 後按 Enter。您應該會看到新的一行，有三個箭頭。
接著輸入：motor = = Motor('A') 後按 Enter。
現在已完成馬達的滑動設定，接著要發送最大及最小的讀數，觀察它可以移動多遠 — 在側邊的卡片標記位置。
輸入：motor.run_to_position(-180, 100) 後按 Enter。
在卡片上箭頭所指的地方做記號。此為最小可能讀數。
輸入：motor.run_to_position(180, 100, direction=clockwise) 後按 Enter。
在卡片上箭頭所指的地方做記號。此為最大可能讀數。
現在已知最小及最大可能讀數位置；當滑移指針連接到某些數據後，即可畫出準確的刻度。
針對滑動指示器編寫程式碼顯示實時數據
在空白行輸入下列編碼：
將檔案儲存為 slider_test.py 後，點擊運行。即可看見滑軸上下移動（或前後移動）！
儲存檔案製作樂高 LEGO® 儀表
另一種快速顯示數據的方法是使用刻度盤，也稱為儀表。您以前肯定見過它們；它們通常是圓形或半圓形，有兩個主要部分：
- 表面刻度，上面顯示了比例
- 指針，沿著刻度移動顯示數據讀數
儀表或刻度盤是最簡單的數據讀數類型，僅需製作刻度和指針，直接連接到到馬達，組成非常簡單：
將馬達連接到儀表的背面前，請確認馬達邊緣的兩個棒棒糖符號已對齊，表示已「歸零」：
製作刻度
您需要紙張或卡片以及其它美術工具繪製儀表。組裝機制和編碼完全相同，只需思考您希望使用哪種介面。
選擇您要製作的錶盤類型。
可使用樂高 LEGO® 製作兩款簡單的錶盤：
按照您希望的大小在空白紙上畫一個正圓；標記中心點後用剪刀剪下。
將圓盤劃分成相同大小（每個讀數一等份），或在邊緣繪製刻度。
在每一等份中繪製圖標或寫下資訊內容。
完成錶盤介面後，將其安裝到建構板上。
旋轉指針式儀表
將錶盤中心點穿過齒輪軸心，用萬用黏土或膠帶固定。
在軸心裝上 90 度直角轉接積木後再裝上指針。請確保作為指針的積木夠長，可清楚地指出讀數。
指針垂直向上（且馬達「歸零」），後面計算讀數所需的旋轉量會更輕鬆。
旋轉錶盤式儀表
安裝一組齒輪，避免卡住建構板，並使用萬用黏土浮貼錶盤，如下圖：
請將錶盤的中間刻度對其上方的指針（與對齊棒棒糖符號「歸零」的概念相同），最小值和最大值位於底部。
測試儀表
將儀表馬達連接到 Build HAT 的 A 端口。
接下來會使用 BuildHAT Python 資料庫，請確認是否已安裝：
安裝 BuildHAT Python 資料庫
- 按住 Ctrl+ Alt+T 在樹莓派 Raspberry Pi 上開啟終端窗口。
- 依照提示輸入： pip3 install buildhat
- 按下 Enter 等待「安裝完成」的訊息。
從樹莓派的 Programming 選單中開啟 Thonny。
在空白行輸入下列代碼：
gauge_test.py
將檔案另存為 gauge_test.py 後點 Run 開始運行。您可以看見儀表板開始運作！
製作 LED 刻度表
另一種很酷的數據顯示方法是使用一系列隨著讀數變化開關的 LED 燈 — 讀數越高，點亮的 LED 燈越多；如同電腦中顯示音樂音量的圖型等化器。
製作 LED 顯示器需要數顆 LED 燈泡 — 燈泡越多越準確，但是有上限：只能使用與 GPIO 引腳數量一樣的 LED。此範例中使用了五顆 LED，您也可依照意願連接更多顆。
注意：礙於 Build HAT 的設計，無法取用 GPIO 14 或 15（引腳 8 和 10）。
組裝 LEDs、電阻器、M–F 跳線以及麵包板。
仔細觀察 LED — 你會發現兩根金屬不等長。
將 LED 較短的那一支金屬插入麵包板邊緣的接地軌（位於邊緣的藍線旁），較長的插入相對應的編號行，如下圖：
您需要在電路中加入一個電阻器，避免 LED 過載燒壞或爆裂。
取一個電阻，一端插入序列中第一個 LED 所在的同一行；另一端插入麵包板中線另一側的同一行，如下圖：
每顆 LED 都重複上述步驟：
將 M–F 跳線的 M 端插入每個電阻器所在的同一行，以便連接到樹莓派Raspberry Pi 上的引腳：
另取一條跳線的 M 端插入接地軌的末端，如下圖：
完成後的組裝圖如下：
下一步驟是將其連接到樹莓派 Raspberry Pi 上的 GPIO 引腳。
將連接到接地軌的跳線的 F 端連接到引腳 39，它會將所有 LED 燈泡接地。
將其他跳線連接到各 GPIO 引腳，記下連接的引腳。
在此範例中使用了引腳 16、19、20、21 和 26（為了保持整潔，將它們全部放在同一端）：
現在 LED 已連接到樹莓派 Raspberry Pi，接下來要進行編程。
將 7.5V 電源連接到 Build HAT 上的筒形插孔。應該會看到樹莓派 Raspberry Pi 啟動並載入 Raspberry Pi OS 桌面。
從 Programming 選單中開啟 Thonny。
程式碼的首行將導入 gpiozero 及 randint 資料庫，設定 LED 為可操控。您需要更改括號中的數值，配對 LED 連接到的引腳編號。 注意：數字的順序很重要！引腳編號排列要從最低值到最高值。
在空白行輸入下列代碼：
led_bargraph.py
針對 LED 編碼的前置作業已完成。下一步驟要拉出想測量的數據，然後根據結果決定要開啟幾顆 LED 燈。在此，應選擇隨機數據。
我們的目的為讓 LED 在讀數增加時亮燈；讀數減少時關燈。與其它的指示器一樣，需要將數據與刻度相對照。
在程式碼中的結尾輸入下列代碼：
led_sequence.py
將檔案另存為 led_sequence.py 後，點選 Run 開始運行。您可以看見 LED 按照讀數量燈！
儲存檔案取用 OpenAQ APIAPI 全名為 Application Programming Interface；是一款可以讓兩個應用程式互相溝通的軟體。使用 Facebook、發送即時訊息，或是使用手機查看天氣皆屬於 API 的範疇。
每次使用手機的應用程序時，該應用程序都會連接到互聯網並將相關內容的數據發送到伺服器。接著，該伺服器會檢索您想要的數據並回傳至手機，透過手機應用程式獲取回傳的數據，已可讀的方式提供相關訊息。這就是所謂的 API：透過網路操控各個裝置皆是透過 API 完成。
而最棒的部分是，您可以編寫專屬的應用程式調用線上的數據資料，回傳至您組裝的樂高 LEGO® 儀錶板，而不是手機 — 以樹莓派 Raspberry Pi 作為獲取數據的大腦，然後將資訊顯示在專屬於您的手工訂製樂高 LEGO 顯示器！
為此，您需要決定幾件事：選定測量空氣品質的地點 — 任君選擇！以及決定標示空氣品質的圖標。
OpenAQ — 空氣品質開放式數據庫
在示範的儀表板中會透過 API 取用 OpenAQ 的開放式全球空氣品質的數據資料。OpenAQ 允許大家查看世界各地大量的空氣汙染數據，這些數據是由世界各地的數千個側量站收集而來的。
如果您以相當孰悉 API，可以取用任何您喜歡的數據製作儀錶板；如果想依照教學步驟一步步嘗試使用 OpenAQ，請先找出想調查的測量站以及想查看的數據。
點擊此處進入 OpenAQ 頁面，會出現一張有標示的世界地圖。
選定您想收集關於空氣品質數據的地區，可以是您居住的地區；也可以是您覺得有趣的地區。
由於我們的總部位於英國劍橋，因此將以它作為範例。
空氣品質監測站有許多不同的測量。OpenAQ 數據庫包含了下列空氣污染的資訊： - PM2.5 和 PM10（懸浮微粒）：漂浮在空氣中的微小顆粒（煙霧、煙霧）
- NO2（二氧化氮）：產生臭氧，導致兒童哮喘
- CO（一氧化碳）：對人類致命，燃燒化石燃料的產物
- SO2（二氧化硫）：氣味難聞，會導致呼吸困難，產生酸雨，工業處理的產物
- O3（臭氧）：當 NO2 與陽光發生反應時產生，會產生煙霧，對植物有害
- BC（黑碳）：在許多地方（美國和波蘭）未測量，由低能效的燃料燃燒引起，加劇全球變暖，對人類有害
選擇您最想測量的空汙類型。您可以從畫面左側的彩色刻度附近的下拉選單中選擇不同的選項。
注意：圓形標記為重要的空氣品質監測站，可以測量更多不同的污染物。
放大地圖上您選定的地區，找到離欲測量地區最近的點；點擊查看該地區的詳細資訊；在彈出視窗中點選「View Location」。
新頁面會顯示在該地點測量的詳細資訊，請記住新頁面 URL 中的數字；這是空氣品質監測站的 OpenAQ 識別碼。（本範例為 Sandy Roadside 監測站，識別碼為 2480）
在地點頁面中，可以看到該地區測量的汙染物類型。選擇兩種您希望顯示在儀錶板上的資訊。
Sandy 附近的監測站顯示了 NO2、PM10、和 PM2.5 — 我們將使用 NO2 和 PM2.5 示範。 使用儀錶板顯示污染數據目前您的儀錶板是使用介於 -175 至 175 間的隨機整數；因為馬達在每個方向上的行程有限（不會達到 180 度，因為可能會導致運行問題）。來自 API 的數據範圍與儀錶不同，因此需要將其變更為適合馬達的範圍。
校準指示器意味著將 API 中的最大和最小可能數據值對應到馬達轉動的 -175° 和 175° 之間。最大可能讀數為 -175°；最小可能讀數為 175°。（因為馬達為反向安裝！）
在範例中，我們將細懸浮微粒 (PM2.5) 的測量值顯示在儀錶上；滑動指示器則顯示二氧化氮 (NO2) 濃度。 PM2.5 為霧霾的主要組成物，難以用肉眼看見。
與英寸、米和毫米一樣，微米是距離的測量單位。一英寸大約有 25,000 微米。PM2.5 尺寸範圍內較大顆粒的寬度比人類頭髮的寬度小約 30 倍。
在範例中，滑動指示器將顯示二氧化氮 (NO2) 濃度。滑動指示器的最大可能讀數取決於您選定的地點，因為城市地區的讀數經常比農村地區高；而最小可能讀數即為 0。另外，您需要思考測量中的正常範圍是多少，並繪製儀錶。
要確定最大可能讀數，可在之前開啟的網頁中查看所選地區的歷史數據：
上圖可以看出，雖然有部分異常的數值，但針對 Sandy Roadside 地區的空氣品質監測站大部分的數值可以取 60 作為最大的可能讀數。（如果想用 100 作為最大讀數也可以，只需要更改成 max_value = 100）
將滑動指示器馬達連接到 Build HAT 上的端口 A。
將儀錶馬達連接到端口 B。
在新開的 Thonny 視窗中輸入以下內容：
data_dash.py
您已導入了必要的資料庫並設定了測量的詳細資訊，接著可以製作術語辭典設定 API 檢索。
在 Thonny 視窗中，繼續新增代碼：
data_dash.py
下一步需要編寫的函數為使用設定的參數檢索 API。
接著新增第39-63行的代碼：
data_dash.py
函數已建立，接著您需要創建一個循環，用於：
- 找出馬達當前所處的角度
- 從 remap 函數中拉出汙染數據，改變馬達角度
- 移動到新角度顯示讀數
新增73-91行代碼：
data_dash.py
最後一部分要調用 check_air() 函數運行整個程序，持續檢索 API 獲取最新的數據。
最後新增93-95行（確認無縮行），輸入：
data_dash.py
另存檔案為 data_dash.py ，點擊 Run 開始運行。滑動指示器會開始移動顯示您選擇的 OpenAQ 監測站 NO2 數據；儀錶也會開始移動顯示 PM2.5 讀數。做得好！
儲存檔案延伸項目
您可以儀錶板上新增第三個馬達，或者建立一個 LED 長條圖顯示來自 OpenAQ 的其它數據。現在您也以了解了如何使用樂高 LEGO® 指示器顯示數據，您可以用新的數據儀錶板顯示任何感興趣的數據！
下列為可用於儀錶板上的數據來源：
教學資源
電話：04-2375-3535
傳真：04-2256-9949
統編：90386785
E-mail：service@oursteam.com.tw
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