在这个圣诞夜给房子装疯狂灯光动画系统

基于MIDI、Raspberry Pi的圣诞小屋

硬件清单

• Raspberry Pi 2 Model B x 1

• 固态继电器 × 32
  （PF240D25 -  SSR, 3-15VDC, 12-280VAC, 25A）      

• PCF8574 × 4  

• 12V / 1,25A电源 × 1
  *（MW DR-15-12 Schaltnetzteil, Hutschiene）

• 5V / 2,4A电源 × 1
  （MW DR-15-5 Schaltnetzteil, Hutschiene）

软件清单

• Windows 10 IoT 核心版仪表板
• Aruour
• Microsoft Visual Studio 2015
• loopMIDI

规划

下图用白色线条标注了LED灯带的位置。在项目的这一阶段，统计了装置需要的电源输出口共52个，每个灯带都需要配置对应的电源；同时还需要测量房屋，窗户等的尺寸。

旁白：大户人家呀，在这个图里我第一眼看到的是一栋大别野和三辆车车。

注意：电网连着千万家，安全系着你我他，安全用电意识不可少。使用230V极为危险！切勿在面包板上使用230V。以下草图仅供参考！电路的安装需要专业电工来进行！

每条LED灯带都通过一个配电器进行控制，配电器内部带有DIN导轨。这个装置用到了来自CCTools（http://cctools.eu) 的板子，其中包含所需的固态继电器、电阻和用于保护继电器的元件。继电器需要一个5V的端口扩展板。CCTools的MAX7311端口扩展板，带有16个GPIO。可以将端口扩展芯片放在DIN导轨上，并通过螺钉连接电缆

下图显示了整个电路。草图显示了PCF8574 ，它是具有8个GPIO的端口扩展芯片。两者工作原理相同。

注释

DIN导轨：德国工业标准，使用导轨是工业电气元器件的一种安装方式
GPIO（英语：General-purpose input/output），通用型之输入输出的简称
PCF857是CMOS电路

一开始费解了好久CCTools的板子到底是什么，在把这个网站点了一遍之后大概知道了，下图电控箱里面除了树莓派以外绿色的板子应该都是这个牌子的。找了几个看着像的作为参考（在图片里都能找到）：
[HSRel5 - I²C-Bus-Relaisplatine]
HSRel8(+8) - 8fach-Relaisplatine

下图为电控箱：

电控箱包含常规继电器（12V，橙色）和固态继电器（5V，黑色）。固态继电器的最大功率只有200W，因此需要更高的功率时需要使用常规继电器，但缺点是不能快速切换。Raspberry Pi 2位于左下方。

电控箱使用基于（headless模式下的）UWP的应用，用以接收专用接口上的UDP数据包。每个UDP包都包含一个前缀和所有输出的当前状态。因此，数据包不可能仅发送一次。但电控箱在处理UDP包时会自动忽略其余数据包。这意味着不会因为数据包排队而造成阻塞。这样可以确保发送大量事件不会造成延迟。

注释

headless模式：Headless模式是在缺少显示屏、键盘或者鼠标时的系统配置
UDP数据包：UDP协议的全称是用户数据报，在网络中它与TCP协议一样用于处理数据包。

MIDI 音频编辑器

推荐以下MIDI音频编辑器（Ardour： https://ardour.org），物美价廉，物超所值。Ardor是一款录音软件。因此，需要连接一个MIDI设备用来录制声音。然后，在点击播放时，按下的音符将发送到MIDI输出设备。以下屏幕显示了运行中的Ardor：

屏幕上显示了歌曲“ Silent Night”的已加载项。有多个带有不同种类动画的MIDI音轨。它们已经通过MIDI键盘演奏并输入了精确的节奏和旋律。

MIDI to Orchestrator bridge

该虚拟MIDI输出设备称为“ MIDI 2 Orchestrator Bridge”（以下称为“bridge”），也是该项目的一部分，并包含在GIT库中。它具有以下功能：

• 将传入的MIDI事件（例如“NoteOn（打开）”或“ NoteOff（关闭）”）映射到多个输出
• 通过UDP协议发送电控箱的完整状态
• 提供一个界面仿真器，以允许远程控制
• 显示调试信息，例如日志和当前功耗
• 允许手动启用或禁用任一输出
• 显示每个输出的实际状态
• 显示从Ardor传入的信息

以下屏幕显示了具有上述功能的Orchestrator Bridge：

仿真器的布局（右上）与实际屋子上安装的灯带位置相同。这样就可以在不看房子的情况下录制动画。当播放动画时，bridge将通过UDP将其转发给电控箱。右下角有一个复选框可启用或禁用此功能。

最重要的功能是创建“Mappings（映射）”。这些映射将音符与输出连接起来。映射包含音符和被音符激活的输出的列表。输出会被关闭直到释放音符为止。也可以选择一个通道来创建许多映射，而无需大量按键。

NAudio库文件下载（https://naudio.codeplex.com ）
restup-master.zip

loopMIDI

这个装置会需要用到一个特殊的工具'loopMIDI'（http://www.tobias-erichsen.de/software/loopmidi.html） 这个工具可以在本地PC上创建一个虚拟的MIDI回环端口。需要此端口才能将Ardor与“bridge”连接在一起。“bridge”并未创建新的虚拟MIDI端口。这意味着Ardor和“bridge”通过相同的循环端口连接，并发送和接收事件。
NAudio-master.zip

数据流图

下面的图片中是这个装置中所需组件的连接方式。

效果

因为大部分使用的是LED灯带，并没有防水的功能。为了安全起见，需要将他们安装在了安全的地方。但也会用到一些LED灯珠。每一条灯带都单独接了230v的电缆，这些电缆通向屋子后面的电控箱。夜里，当所有灯带被打开的时候，看上去是下面这样：

还有一个应用程序（基于HTML，JavaScript）可以手动打开和关闭所有灯。该应用程序还使用库“ restup”（https://github.com/tomkuijsten/restup ）托管在树莓派上。

尺寸布局图

项目进行时的照片

图片太多上传到了相册里：点击查看

视频演示