Crea una Tira LED Inteligente Animada Controlada por Alexa con Arduino

Componentes y materiales

Aplicaciones y servicios online

• Arduino IDE – Para programar el Arduino.
• AWS Lambda – Ejecuta código Python en la nube sin gestionar servidores.
• Alexa Skills Kit – Define el modelo de interacción por voz.
• AWS IoT – Gestiona el "device shadow" (sombra del dispositivo) para sincronizar estados.

Descripción del proyecto

Este proyecto permite controlar una tira LED RGB direccionable mediante comandos de voz a Alexa. La arquitectura combina hardware local (Arduino + Raspberry Pi) con servicios en la nube de AWS para lograr un control remoto seguro y escalable.

¿Por qué una tira LED?

Las tiras LED direccionables (WS2812) permiten controlar cada LED individualmente, creando infinitos efectos de color y animaciones. Hace años desarrollé la librería ALA (Arduino Light Animations) para facilitar su uso en placas Arduino. Ahora, Alexa añade control por voz, llevando la experiencia a otro nivel.

Visión general de la arquitectura

El sistema consta de seis bloques interconectados:

1. Amazon Alexa: Una Skill personalizada ("Light Strip") traduce comandos de voz en "intents" que envía a la función Lambda.
2. AWS Lambda: Script Python que recibe los mensajes de Alexa y actualiza el "shadow" en AWS IoT.
3. AWS IoT: Almacena el device shadow (representación JSON del estado de la tira). Cuando el shadow cambia, notifica vía MQTT a los clientes suscritos (Raspberry Pi).
4. Raspberry Pi: Ejecuta un cliente MQTT que recibe actualizaciones del shadow y envía comandos serie al Arduino por USB.
5. Arduino: Ejecuta la librería ALA para animar la tira LED según los comandos recibidos por puerto serie. Compatible con Uno, Nano o Mega.
6. Tira LED WS2812: LEDs direccionables individualmente para animaciones fluidas y coloridas.

El proyecto se divide en dos fases para simplificar:

Fase 1: Control web (base del hardware)

Consulta mi proyecto "Web-Controlled LED Animations with Raspberry Pi and Arduino" en Hackster.io. Esta fase cubre el cableado de la Raspberry Pi, Arduino y la tira WS2812. Al finalizar, podrás controlar animaciones desde un navegador web en tu móvil o PC.

Fase 2: Control por voz con Alexa (esta guía)

Añade la capa de voz usando servicios AWS. Requiere paciencia y seguir los pasos con cuidado.

Configuración de AWS IoT

Una vez completado el hardware, pasamos a la nube. Usaremos Device Shadows de AWS IoT: una copia JSON del estado del dispositivo que sincroniza estado "deseado" y "reportado". La Raspberry Pi se suscribe a los cambios ("delta") del shadow.

Crear un "Thing" en AWS IoT

1. Inicia sesión en AWS Console (crea cuenta gratuita si no tienes).
2. Selecciona región US East (N. Virginia) o EU (Ireland) (arriba a la derecha).
3. Busca "IoT" y abre AWS IoT Core. Cierra el tutorial inicial si aparece.

Política de seguridad

• Menú Secure → Policies → Create a Policy
• Nombre: LightStripPolicy
• Acción: * | Recurso: * | Efecto: Allow ✓
• Crear política.

Registrar el Thing

• Menú Manage → Things → Register a Thing → Create a single thing
• Nombre: LS01 | Siguiente.
• Create certificate (One-click certificate creation).
• Descarga los 3 certificados del dispositivo + Root CA (clic derecho → guardar).
• Activar certificado → Attach a Policy → Selecciona LightStripPolicy → Register Thing.

Endpoint de AWS IoT

En el menú Settings (esquina inferior izquierda), anota el Endpoint (ej: xxxxxxxxxx.iot.us-east-1.amazonaws.com). Lo necesitarás en la Raspberry Pi.

Configurar Raspberry Pi para escuchar al Thing

1. Instala el SDK Python:

   sudo pip3 install AWSIoTPythonSDK

2. Descarga el repositorio LightStrip:

   mkdir -p /home/pi/LightStrip
   cd /home/pi/LightStrip
   wget https://github.com/bportaluri/LightStrip/archive/master.zip
   unzip master.zip

3. Copia los 4 certificados descargados a /home/pi/LightStrip/LightStrip-master/pi.
4. Edita lightstripcfg.py:

   cd /home/pi/LightStrip/LightStrip-master/pi
   nano lightstripcfg.py

   Ajusta:
   • AWSIOT: Tu endpoint anotado.
   • ROOT_CA: Nombre del archivo Root CA.
   • CERTIFICATE: Nombre del certificado del dispositivo.
   • PRIVATE_KEY: Nombre de la clave privada.
   • DEVICE_NAME: Déjalo como LS01.
   Guarda con Ctrl+X, Y, Enter.
5. Ejecuta el script:

   sudo python3 lightstrip.py /dev/ttyACM0

   (El Arduino suele aparecer en /dev/ttyACM0; el script lista puertos disponibles).

Verás mensajes de conexión y suscripción al shadow LS01.

Prueba desde la consola AWS IoT

1. Ve a Manage → Things → LS01 → pestaña Shadow.
2. Clic en Edit en "Shadow Document" y pega:

   { "desired": { "animation": "101" } }

3. Guarda. Se enviará un mensaje "delta" a la Raspberry Pi y la tira se encenderá con la animación 101.

Para cambiar color a azul:

{ "desired": { "color": "0066CC" } }

Función AWS Lambda

Lambda ejecuta código sin servidores. Sirve de puente entre Alexa Skills Kit y AWS IoT.

1. En AWS Console, busca Lambda (misma región que IoT).
2. Create Function → Author from scratch:
   • Nombre: LightStrip
   • Runtime: Python 3.6 (o superior compatible)
   • Rol: Create a Custom Role → se abre pestaña → Allow → rol lambda_basic_execution.
   • Crear función.
3. Anota el ARN de la función (esquina superior derecha).

4. Clic en el box LightStrip → sección Function code:
   • Code entry type: Edit code inline
   • Runtime: Python 3.6
   • Handler: lambda_function.lambda_handler
5. Pega el contenido de LightStrip\lambda\lambda_function.py en el editor.
6. Crea archivo ala_controller.py y pega el contenido de LightStrip\lambda\ala_controller.py.
7. Save (botón naranja arriba a la derecha).

Crear la Alexa Skill

1. Ve a Amazon Developer Console → Alexa → Alexa Skills Kit → Get Started.
2. Add a New Skill → pestaña Skill Information:
   • Skill Type: Custom Interaction Model
   • Language: English (U.S.)
   • Name: LightStrip
   • Invocation Name: light strip
   • Save.
3. Anota el Skill ID.

4. Menú Interaction Model → Launch Skill Builder → Code Editor → Pega el contenido de LightStrip/alexaskill/lightstrip_skill.json.
5. Save Model → Build Model (tarda unos minutos).
6. Vuelve a Skill Information → menú Configuration:
   • Service Endpoint Type: AWS Lambda ARN
   • Pega el Lambda ARN anotado.
   • Save.

Conectar Alexa Skill con Lambda

1. Vuelve a tu función Lambda en AWS Console.
2. En "Add triggers" (derecha), selecciona Alexa Skills Kit.
3. Configura:
   • Application Id = Skill ID anotado.
   • Add → Save.

¡Listo! Prueba estos comandos de voz

• "Alexa, abre Light Strip"
• "Enciende"
• "Pon brillo al 20 por ciento"
• "Pon brillo al 50 por ciento"
• "Pon color rojo"
• "Pon color turquesa"
• "Apaga"
• "Ejecuta una animación emocionante"
• "Ejecuta una animación relajante"

Interacciones avanzadas

Tú:     Alexa, abre Light Strip
Alexa:  Bienvenido a LightStrip - La tira brillará en azul
Tú:     Lanza una animación
Alexa:  ¿Quieres una animación relajante o emocionante?
Tú:     Relajante
Alexa:  OK - La tira muestra una animación aleatoria
Tú:     Siguiente animación
Alexa:  OK - Otra animación aleatoria

Mejoras y ajustes

Arranque automático al encender

Para que lightstrip.py inicie solo al boot de la Raspberry Pi, añade una entrada en /etc/rc.local o crea un servicio systemd. Así no tendrás que lanzarlo manualmente tras cada reinicio.

Añadir y ajustar animaciones

La Skill incluye 20 variaciones de animación. La librería ALA permite crear las tuyas eligiendo preset, paleta y velocidad. Edita ala_controller.py (alrededor de la línea 80) para modificar o añadir animaciones a tu gusto.

Código completo

Todo el código del proyecto: GitHub - bportaluri/LightStrip

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