أنظمة بايثون المدمجة: نظرة عميقة على تنفيذ MicroPython

الأنظمة المدمجة موجودة في كل مكان، من الساعات الذكية على معاصمنا إلى أنظمة التحكم المعقدة في السيارات والآلات الصناعية. تجد بايثون، المعروفة بقابليتها للقراءة وتنوعها، مكانها بشكل متزايد في العالم المدمج، وذلك بفضل MicroPython.

ما هي الأنظمة المدمجة؟

النظام المدمج هو نظام كمبيوتر مخصص مصمم لوظيفة معينة أو مجموعة من الوظائف. على عكس أجهزة الكمبيوتر ذات الأغراض العامة (مثل الكمبيوتر المحمول أو سطح المكتب)، تم تصميم الأنظمة المدمجة عادةً لتكون صغيرة وفعالة وموثوقة. غالبًا ما تعمل في الوقت الفعلي، مما يعني أنها يجب أن تستجيب للأحداث في غضون قيود زمنية صارمة.

الخصائص الرئيسية للأنظمة المدمجة:

• وظيفة مخصصة: مصممة لمهمة محددة.
• تشغيل في الوقت الفعلي: يجب أن تستجيب للأحداث في غضون أطر زمنية محددة.
• قيود الموارد: قوة معالجة محدودة وذاكرة وطاقة.
• الموثوقية: يجب أن تعمل بشكل موثوق في ظل ظروف مختلفة.

لماذا بايثون في الأنظمة المدمجة؟

تقليديًا، سيطرت لغتا C و ++C على برمجة الأنظمة المدمجة. في حين أن هذه اللغات توفر أداءً وتحكمًا ممتازين في الأجهزة، إلا أنها قد تكون معقدة وتستغرق وقتًا طويلاً للتطوير بها. تقدم بايثون، وتحديدًا MicroPython، العديد من المزايا:

• تطوير سريع: يقلل بناء جملة بايثون الواضح ومكتباتها الشاملة بشكل كبير من وقت التطوير.
• قابلية القراءة: من الأسهل قراءة كود بايثون وفهمه، مما يجعل الصيانة وتصحيح الأخطاء أبسط.
• التوافق عبر الأنظمة الأساسية: تعمل MicroPython على مجموعة متنوعة من منصات المتحكمات الدقيقة.
• دعم مجتمعي كبير: يوفر مجتمع بايثون موارد ودعمًا واسعًا للمطورين.

تقديم MicroPython

MicroPython هو تنفيذ بسيط وفعال للغة برمجة بايثون 3 تم تحسينه للتشغيل على المتحكمات الدقيقة وفي البيئات المقيدة. يتضمن مجموعة فرعية صغيرة من مكتبة بايثون القياسية ومصمم ليكون متوافقًا قدر الإمكان مع بايثون القياسية. هذا يعني أنه يمكن تطبيق العديد من مهارات ومكتبات بايثون مباشرة على تطوير الأنظمة المدمجة.

الميزات الرئيسية لـ MicroPython:

• توافق بايثون 3: متوافق إلى حد كبير مع بناء جملة بايثون 3.
• بصمة صغيرة: مصمم للتشغيل على المتحكمات الدقيقة ذات الموارد المحدودة.
• REPL تفاعلي: يوفر حلقة قراءة-تقييم-طباعة (REPL) للبرمجة التفاعلية وتصحيح الأخطاء.
• وحدات مدمجة: يتضمن وحدات للوصول إلى الأجهزة الطرفية مثل GPIO و I2C و SPI و UART.

منصات الأجهزة لـ MicroPython

تدعم MicroPython مجموعة واسعة من منصات المتحكمات الدقيقة. فيما يلي بعض الخيارات الأكثر شيوعًا:

ESP32

ESP32 عبارة عن سلسلة منخفضة التكلفة ومنخفضة الطاقة من نظام على شريحة (SoC) مع إمكانات Wi-Fi و Bluetooth. إنه خيار شائع لتطبيقات إنترنت الأشياء نظرًا لاتصاله اللاسلكي المدمج وقدرات المعالجة القوية.

الميزات الرئيسية:

• معالج ثنائي النواة
• اتصال Wi-Fi و Bluetooth
• دبابيس GPIO واسعة النطاق
• استهلاك منخفض للطاقة

مثال على التطبيق: شبكة مستشعرات منزلية ذكية تجمع درجة الحرارة والرطوبة ومستويات الإضاءة وتنقل البيانات لاسلكيًا إلى خادم مركزي.

Raspberry Pi Pico

Raspberry Pi Pico هي لوحة متحكم دقيق منخفضة التكلفة تم تطويرها بواسطة مؤسسة Raspberry Pi. يتميز بشريحة المتحكم الدقيق RP2040، المصممة لتحقيق أداء عالٍ واستهلاك منخفض للطاقة.

الميزات الرئيسية:

• شريحة المتحكم الدقيق RP2040
• معالج Arm Cortex-M0 + ثنائي النواة
• 264 كيلوبايت من SRAM
• إدخال / إخراج قابل للبرمجة (PIO)

مثال على التطبيق: التحكم في ذراع آلية باستخدام إشارات PWM التي تم إنشاؤها بواسطة Raspberry Pi Pico.

لوحات STM32

تعد المتحكمات الدقيقة STM32 خيارًا شائعًا للأنظمة المدمجة نظرًا لنطاقها الواسع من الميزات والأداء واستهلاك الطاقة المنخفض. يتم دعم MicroPython على العديد من لوحات STM32.

الميزات الرئيسية:

• نوى ARM Cortex-M المختلفة (M0 ، M3 ، M4 ، M7)
• الأجهزة الطرفية واسعة النطاق (ADC ، DAC ، الموقتات ، واجهات الاتصال)
• أوضاع الطاقة المنخفضة

مثال على التطبيق: نظام تحكم صناعي يراقب ويتحكم في مختلف أجهزة الاستشعار والمشغلات.

إعداد بيئة MicroPython الخاصة بك

لبدء التطوير باستخدام MicroPython، ستحتاج إلى إعداد بيئة التطوير الخاصة بك. فيما يلي مخطط عام للخطوات المتضمنة:

1. تثبيت البرنامج الثابت MicroPython: قم بتنزيل البرنامج الثابت المناسب للوحة الهدف الخاصة بك من موقع MicroPython على الويب أو موقع الشركة المصنعة للوحة.
2. وميض البرنامج الثابت: استخدم أداة مثل `esptool.py` (لـ ESP32) أو أداة تحميل التشغيل الخاصة بـ Raspberry Pi Pico لوميض البرنامج الثابت على اللوحة.
3. الاتصال باللوحة: اتصل باللوحة باستخدام برنامج طرفي تسلسلي (على سبيل المثال، PuTTY أو Tera Term أو الشاشة).
4. استخدم محرر التعليمات البرمجية: استخدم محرر تعليمات برمجية مثل VS Code مع ملحق MicroPython أو Thonny IDE لكتابة التعليمات البرمجية وتحميلها.

مثال: إعداد MicroPython على ESP32

أولاً، تحتاج إلى تثبيت esptool.py:

            pip install esptool

            

              
                Copy
              
            
          

ثم قم بتنزيل أحدث برنامج ثابت MicroPython لـ ESP32 من موقع MicroPython على الويب. أخيرًا، قم بتشغيل البرنامج الثابت:

            esptool.py --port /dev/ttyUSB0 erase_flash
esptool.py --port /dev/ttyUSB0 --baud 460800 write_flash --flash_size=detect 0 esp32-idf4-20230426-v1.19.1.bin

            

              
                Copy
              
            
          

استبدل `/dev/ttyUSB0` بالمنفذ التسلسلي الفعلي لـ ESP32 و `esp32-idf4-20230426-v1.19.1.bin` باسم ملف البرنامج الثابت الذي تم تنزيله.

برمجة MicroPython الأساسية

دعنا نلقي نظرة على بعض مفاهيم برمجة MicroPython الأساسية.

وميض LED

هذا هو "Hello, World!" من الأنظمة المدمجة. إليك كيفية وميض LED متصل بدبوس GPIO على ESP32:

            from machine import Pin
import time

led = Pin(2, Pin.OUT)  # Assuming the LED is connected to GPIO pin 2

while True:
 led.value(1)  # Turn the LED on
 time.sleep(0.5)
 led.value(0)  # Turn the LED off
 time.sleep(0.5)

            

              
                Copy
              
            
          

يقوم هذا الكود باستيراد الفئة `Pin` من الوحدة النمطية `machine` والوحدة النمطية `time`. ثم يقوم بإنشاء كائن `Pin` يمثل مؤشر LED المتصل بالدبوس GPIO 2. تقوم حلقة `while` باستمرار بتشغيل وإيقاف تشغيل مؤشر LED مع تأخير 0.5 ثانية.

قراءة بيانات الاستشعار

إليك كيفية قراءة البيانات من مستشعر درجة الحرارة والرطوبة DHT11 المتصل بـ ESP32:

            import dht
from machine import Pin
import time

d = dht.DHT11(Pin(4)) # Assuming the DHT11 is connected to GPIO pin 4

while True:
 try:
 d.measure()
 temp = d.temperature()
 hum = d.humidity()
 print('Temperature: %3.1f C' %temp)
 print('Humidity: %3.1f %%' %hum)
 except OSError as e:
 print('Failed to read sensor.')
 time.sleep(2) # Delay between readings

            

              
                Copy
              
            
          

يقوم هذا الكود باستيراد الوحدة النمطية `dht`، والفئة `Pin` من الوحدة النمطية `machine`، والوحدة النمطية `time`. يقوم بإنشاء كائن `DHT11` يمثل المستشعر المتصل بالدبوس GPIO 4. تقوم حلقة `while` باستمرار بقراءة درجة الحرارة والرطوبة من المستشعر وطباعة القيم إلى وحدة التحكم التسلسلية.

تقنيات MicroPython المتقدمة

المقاطعات

تسمح المقاطعات للمتحكم الدقيق الخاص بك بالاستجابة للأحداث الخارجية في الوقت الفعلي دون استقصاء التغييرات باستمرار. إنها ضرورية لإنشاء أنظمة مدمجة سريعة الاستجابة وفعالة.

            from machine import Pin
import time

led = Pin(2, Pin.OUT)
button = Pin(0, Pin.IN, Pin.PULL_UP)  # Assuming button is connected to GPIO pin 0 and has a pull-up resistor


def button_isr(pin):
 global led
 led.value(not led.value())

button.irq(trigger=Pin. falling, handler=button_isr)

while True:
 time.sleep(1)

            

              
                Copy
              
            
          

يقوم هذا الكود بإعداد مقاطعة على الدبوس GPIO 0 (متصل بزر). عند الضغط على الزر (الحافة الهابطة)، يتم استدعاء الدالة `button_isr`، التي تبدل حالة مؤشر LED المتصل بالدبوس GPIO 2.

الشبكات

تجعل MicroPython من السهل نسبيًا الاتصال بالشبكات (خاصةً مع شبكة Wi-Fi المضمنة في ESP32). هذا يفتح عالمًا من الاحتمالات لتطبيقات إنترنت الأشياء.

            import network
import time

wlan = network.WLAN(network.STA_IF)
wlan.active(True)
wlan.connect('YOUR_WIFI_SSID', 'YOUR_WIFI_PASSWORD')

# Wait for connection
while not wlan.isconnected() and wlan.status() >= 0:
 print("Connecting...")
 time.sleep(1)

# Handle connection error
if wlan.status() != network.STAT_GOT_IP:
 print("Connection failed")
 else:
 print("Connected to WiFi")
 ip = wlan.ifconfig()[0]
 print('IP Address: ' + ip)

            

              
                Copy
              
            
          

استبدل `YOUR_WIFI_SSID` و `YOUR_WIFI_PASSWORD` ببيانات اعتماد Wi-Fi الفعلية الخاصة بك. يقوم هذا الكود بتوصيل ESP32 بشبكة Wi-Fi الخاصة بك ويطبع عنوان IP.

تحديثات عبر الأثير (OTA)

تسمح لك تحديثات OTA بتحديث البرنامج الثابت لأجهزتك المدمجة عن بُعد، دون الحاجة إلى الوصول الفعلي. هذا أمر بالغ الأهمية للحفاظ على الأجهزة التي تم نشرها وتحسينها.

يتطلب تنفيذ تحديثات OTA إعدادًا أكثر تعقيدًا، يتضمن خادمًا لاستضافة البرنامج الثابت الجديد وآلية للجهاز لتنزيل التحديث وتثبيته. تعمل العديد من المكتبات والأطر على تبسيط هذه العملية. ضع في اعتبارك استخدام مكتبات مثل `micropython-ota-updater` على GitHub كنقطة انطلاق.

تطبيقات MicroPython الواقعية

يتم استخدام MicroPython في مجموعة واسعة من التطبيقات، بما في ذلك:

• أجهزة إنترنت الأشياء: الأجهزة المنزلية الذكية، وأجهزة الاستشعار البيئية، وأنظمة تتبع الأصول.
• الروبوتات: التحكم في الأذرع الآلية والمركبات ذاتية القيادة والطائرات بدون طيار.
• التكنولوجيا القابلة للارتداء: الساعات الذكية وأجهزة تتبع اللياقة البدنية والأجهزة الطبية.
• الأتمتة الصناعية: مراقبة العمليات الصناعية والتحكم فيها.
• التعليم: تعليم البرمجة والإلكترونيات للطلاب. أصبحت MicroPython لغة الاختيار في العديد من برامج تعليم العلوم والتكنولوجيا والهندسة والرياضيات (STEM) في جميع أنحاء العالم.

فوائد وتحديات استخدام MicroPython

فوائد:

• تطوير أسرع: تعمل بساطة بايثون على تسريع عملية التطوير.
• أسهل للتعلم: بناء جملة بايثون القابل للقراءة يجعل من السهل على المبتدئين تعلم البرمجة المدمجة.
• تقليل حجم الكود: يقلل تنفيذ MicroPython الفعال من حجم الكود، وهو أمر مهم للأجهزة ذات الموارد المحدودة.
• تصحيح الأخطاء التفاعلي: يسمح REPL بتصحيح الأخطاء التفاعلي، مما يسهل تحديد الأخطاء وإصلاحها.

التحديات:

• قيود الأداء: بايثون هي لغة مترجمة، والتي يمكن أن تكون أبطأ من اللغات المترجمة مثل C و ++C.
• قيود الذاكرة: تحتوي المتحكمات الدقيقة على ذاكرة محدودة، لذلك من المهم تحسين التعليمات البرمجية الخاصة بك لتقليل استخدام الذاكرة.
• دعم المكتبات المحدود: المكتبة القياسية MicroPython أصغر من مكتبة بايثون القياسية، لذلك قد تحتاج إلى العثور على مكتبات بديلة أو كتابة التعليمات البرمجية الخاصة بك لمهام معينة.
• قيود الوقت الفعلي: على الرغم من إمكانية استخدام MicroPython في التطبيقات في الوقت الفعلي، إلا أنها قد لا تكون مناسبة للتطبيقات ذات متطلبات التوقيت الصارمة للغاية.

أفضل الممارسات لتطوير MicroPython

• تحسين التعليمات البرمجية الخاصة بك: استخدم الخوارزميات وهياكل البيانات الفعالة لتقليل استخدام الذاكرة وتحسين الأداء.
• استخدم الوحدات النمطية المضمنة: استفد من الوحدات النمطية المضمنة في MicroPython للوصول إلى الأجهزة الطرفية.
• إدارة الذاكرة بعناية: تجنب إنشاء كائنات غير ضرورية وحرر الذاكرة عندما لم تعد هناك حاجة إليها.
• الاختبار بدقة: اختبر التعليمات البرمجية الخاصة بك بدقة على الجهاز الهدف للتأكد من أنها تعمل بشكل صحيح.
• توثيق التعليمات البرمجية الخاصة بك: اكتب تعليقات واضحة وموجزة لشرح التعليمات البرمجية الخاصة بك وتسهيل صيانتها.

منظور عالمي: تكييف حلول MicroPython

عند نشر حلول MicroPython على مستوى العالم، ضع في اعتبارك ما يلي:

• الاتصال: تختلف مستويات الاتصال بالشبكة باختلاف المناطق. تأكد من أن جهازك يمكنه الاتصال بالشبكات المتاحة (Wi-Fi والشبكات الخلوية و LoRaWAN وما إلى ذلك).
• الطاقة: تختلف شبكات الطاقة في جميع أنحاء العالم. صمم جهازك للعمل بمستويات وفولتية وترددات مختلفة. ضع في اعتبارك الخيارات التي تعمل بالبطارية أو الطاقة الشمسية للمناطق التي تعاني من طاقة غير موثوقة.
• التوطين: قم بتكييف واجهة المستخدم الخاصة بك (إن وجدت) مع اللغات والإعدادات الإقليمية المختلفة.
• اللوائح: كن على دراية باللوائح المحلية المتعلقة بالاتصالات اللاسلكية وخصوصية البيانات وسلامة المنتج.
• الأمان: قم بتنفيذ تدابير أمنية قوية لحماية جهازك وبياناتك من الوصول غير المصرح به.

على سبيل المثال، قد يحتاج حل الزراعة الذكية الذي يستخدم MicroPython إلى مراعاة الظروف المناخية المختلفة وأنواع التربة والممارسات الزراعية في مناطق مختلفة. تتطلب شبكة المستشعرات المنتشرة في الغابات المطيرة الاستوائية تعديلات مختلفة في الأجهزة والبرامج عن تلك المنتشرة في الصحراء.

الخلاصة

MicroPython هي أداة قوية لتطوير الأنظمة المدمجة، حيث توفر توازنًا بين سهولة الاستخدام والأداء. إنه خيار رائع للنماذج الأولية السريعة والمشاريع التعليمية والعديد من تطبيقات إنترنت الأشياء. من خلال فهم أساسيات MicroPython ونقاط قوتها وقيودها، يمكنك بناء حلول مدمجة مبتكرة وفعالة لمجموعة واسعة من التطبيقات. مع استمرار نمو النظام البيئي MicroPython، يمكننا أن نتوقع رؤية المزيد من التطورات المثيرة في هذا المجال.

احتضن قوة بايثون في العالم المدمج وافتح إمكانيات جديدة لمشاريعك!