Learning Objectives
- 說明 NeoPixel（WS2812）為什麼一支腳位就能控制整條燈的每一顆顏色
- 用 neopixel.NeoPixel 設定單顆或全部燈的 RGB 顏色，並用 write() 送出
- 用迴圈與 sleep 寫出跑馬燈這類動畫
- 依亮度估算燈條的電流，判斷什麼時候需要外接電源
一支腳位控制一整條燈
第 03 課的 LED 一支腳位只能控制一顆燈，而且只有亮和暗。如果要做一整排會變色的燈，例如 30 顆的氣氛燈條， 照第 03 課的方法需要 90 支腳位（每顆燈的紅、綠、藍各一支），ESP32 根本沒有這麼多腳位。
NeoPixel 是 Adafruit 對一類「可定址 LED」的稱呼，最常見的晶片是 WS2812B。它的做法是： 每一顆燈裡面除了紅、綠、藍三個 LED，還有一顆小小的控制晶片；所有燈用一條資料線串在一起。
這一課要回答：
- 一條資料線怎麼分別告訴每一顆燈要亮什麼顏色？
- MicroPython 程式怎麼設定顏色、做出動畫？
- 燈條全亮時要多少電，什麼時候不能直接用開發板供電？
資料怎麼傳到每一顆燈
開發板從資料線送出一長串位元，每一顆燈需要 24 位元（綠、紅、藍各 8 位元）。 第一顆燈收下最前面的 24 位元留給自己，把後面的資料轉送給下一顆；第二顆再收下 24 位元，依此類推。 所以燈條上的燈有順序，程式用索引 0、1、2…指定第幾顆。
ESP32 GPIO5 ──▶ [燈 0] ──▶ [燈 1] ──▶ [燈 2] ──▶ … ──▶ [燈 7]
收 24 位元 收 24 位元 收 24 位元
WS2812B 的資料速度是 800 Kbps，一顆燈的 24 位元大約 30 微秒就送完，所以就算有幾百顆燈，更新一次也很快。
晶片實際的順序是「綠、紅、藍」，不過 MicroPython 的 neopixel 模組會幫你換好，程式裡一律寫 (紅, 綠, 藍)。
RGB：三個 0～255 的數字
每一種顏色用三個整數表示：紅（R）、綠（G）、藍（B），每個從 0 到 255，剛好是一個位元組（8 位元）。
三個位元組可以組合出 256 × 256 × 256 = 16,777,216 種顏色。網頁上的色碼 #FF5000 也是同一件事，只是用十六進位寫：
| 寫法 | 紅 | 綠 | 藍 | 看起來 |
|---|---|---|---|---|
(255, 0, 0) |
255 | 0 | 0 | 紅 |
(255, 80, 0) |
255 | 80 | 0 | 橘（#FF5000） |
(255, 255, 255) |
255 | 255 | 255 | 白（三色全亮） |
(0, 0, 30) |
0 | 0 | 30 | 很暗的藍 |
(0, 0, 0) |
0 | 0 | 0 | 熄滅 |
數字越大越亮。同樣的比例、較小的數字，就是同一種顏色比較暗的版本，例如 (30, 30, 30) 是暗一點的白。
逐步看：設定顏色，再 write() 送出
注意第 6～8 行設定顏色時，上方的燈條還沒有變；要等第 10 行 np.write() 執行完，燈條才一起換成新的顏色。
np[0] 這些索引設定的只是開發板記憶體裡的資料。
逐步看：跑馬燈
動畫就是「改顏色、write()、等一下」一直重複。每一輪先全部關掉，再只點亮第 i 顆，看起來就像一顆光點往前跑。
燈條要多少電
NeoPixel 好用，但很耗電。Adafruit 的說明文件提到，每一顆燈在三色全亮（白色、最亮）時最多大約 60 mA， 平常顯示各種顏色時，可以用每顆約 20 mA 粗略估計。
| 燈數 | 全亮白色最多 | 粗估（每顆 20 mA） |
|---|---|---|
| 8 顆 | 480 mA | 160 mA |
| 30 顆 | 1.8 A | 600 mA |
| 60 顆 | 3.6 A | 1.2 A |
開發板的 USB 供電與板上穩壓器能提供的電流有限，幾顆燈的小燈環通常沒問題，長燈條要用外接的 5V 電源， 並且把電源的 GND 和 ESP32 的 GND 接在一起（訊號才有共同的參考電位）。 程式也能幫忙省電：把顏色數字調小，亮度降低，電流也跟著降低。
接線時的幾個好習慣（來自 Adafruit 的建議）：
- 在燈條的電源正負極之間並聯一顆大電容（500～1000 μF，耐壓 6.3V 以上）
- 資料線串一顆 300～500Ω 的電阻，放在靠近第一顆燈的那一端
- 接上已通電的電路時，先接 GND，再接電源，最後接資料線
- 5V 供電的燈條，最好用 5V 的資料訊號；ESP32 輸出的是 3.3V，有時需要電位轉換（level shifter）模組
下一個範例的
estimate_ma用「全亮 60 mA」依亮度比例估算，只是粗略的估計，實際電流要看燈的規格與量測。
逐步看：調亮度並估算電流
dim 函式把三個顏色乘上同一個比例。看每一輪的輸出：亮度變成十分之一，估計的電流也變成十分之一左右。
小測驗：資料與顏色
每一顆 WS2812B 的顏色資料是 24 位元（紅、綠、藍各 8 位元），一顆燈可以表示幾種顏色？
程式執行 np[3] = (0, 0, 255) 之後就結束了，沒有呼叫 np.write()。第 3 顆燈會怎樣？
下面的程式會印出什麼？
def dim(color, level):
r, g, b = color
return (int(r * level), int(g * level), int(b * level))
print(dim((200, 100, 50), 0.3))
小測驗：動畫與供電
下面的程式會印出什麼？（兩種顏色輪流，常用來做交錯閃爍的效果）
colors = [(255, 0, 0), (0, 255, 0)]
for i in range(5):
print(colors[i % 2][1], end=" ")
一條 30 顆的燈條要全部亮最亮的白色，以每顆最多 60 mA 估計，最多需要多少電流？
跑馬燈的迴圈裡少了 np.fill((0, 0, 0)) 這一行，看起來會怎樣？
重點整理
- NeoPixel（WS2812B）每一顆燈都有控制晶片，所有燈用一條資料線串接，每顆收下 24 位元、其餘轉送下一顆。
np = NeoPixel(Pin(5), 8)建立燈條；np[i] = (r, g, b)設定第 i 顆、np.fill(顏色)設定全部，數值 0～255。- 設定只改記憶體，
np.write()才會送出，燈條才改變。 - 動畫＝改顏色、write()、sleep，一直重複；跑馬燈要記得先把其他燈關掉。
- 每顆燈全亮白色最多約 60 mA；燈多時用外接 5V 電源、共地，並在電源加電容、資料線加電阻。
下一課讀溫溼度感測器，再把數值顯示在 OLED 小螢幕上。