Pythoni manussüsteemid: Süvauuring MicroPythoni juurutamisse

Manussüsteemid on kõikjal, alates nutikelladest meie randmetel kuni keerukate juhtimissüsteemideni autodes ja tööstusmasinates. Python, mis on tuntud oma loetavuse ja mitmekülgsuse poolest, leiab tänu MicroPythonile üha enam oma koha manussüsteemide maailmas.

Mis on manussüsteemid?

Manussüsteem on spetsiaalne arvutisüsteem, mis on loodud konkreetse funktsiooni või funktsioonide komplekti jaoks. Erinevalt üldotstarbelistest arvutitest (nagu sinu sülearvuti või lauaarvuti) on manussüsteemid tavaliselt disainitud olema väikesed, tõhusad ja usaldusväärsed. Nad töötavad sageli reaalajas, mis tähendab, et nad peavad sündmustele reageerima rangete ajapiirangute jooksul.

Manussüsteemide peamised omadused:

• Spetsiaalne funktsioon: Disainitud konkreetse ülesande jaoks.
• Reaalajas töötamine: Peab sündmustele reageerima kindlate ajaakende jooksul.
• Ressursipiirangud: Piiratud töötlemisvõimsus, mälu ja energia.
• Usaldusväärsus: Peab töötama usaldusväärselt erinevates tingimustes.

Miks Python manussüsteemides?

Traditsiooniliselt on manussüsteemide programmeerimises domineerinud C ja C++. Kuigi need keeled pakuvad suurepärast jõudlust ja riistvara juhtimist, võib nendega arendamine olla keeruline ja aeganõudev. Python, ja eriti MicroPython, pakub mitmeid eeliseid:

• Kiire arendus: Pythoni selge süntaks ja ulatuslikud teegid vähendavad oluliselt arendusaega.
• Loetavus: Pythoni koodi on lihtsam lugeda ja mõista, muutes hooldamise ja silumise lihtsamaks.
• Platvormideülene ühilduvus: MicroPython töötab erinevatel mikrokontrolleri platvormidel.
• Suur kogukonna tugi: Pythoni kogukond pakub arendajatele ulatuslikke ressursse ja tuge.

Tutvustame MicroPythonit

MicroPython on Python 3 programmeerimiskeele sihvakas ja tõhus juurutus, mis on optimeeritud töötama mikrokontrolleritel ja piiratud keskkondades. See sisaldab väikest alamhulka Pythoni standardteegist ja on disainitud olema võimalikult ühilduv standardse Pythoniga. See tähendab, et paljusid Pythoni oskusi ja teeke saab otse rakendada manussüsteemide arendamisel.

MicroPythoni peamised omadused:

• Python 3 ühilduvus: Suures osas ühilduv Python 3 süntaksiga.
• Väike jalajälg: Disainitud töötama piiratud ressurssidega mikrokontrolleritel.
• Interaktiivne REPL: Pakub Read-Eval-Print Loop (REPL) interaktiivseks programmeerimiseks ja silumiseks.
• Sisseehitatud moodulid: Sisaldab mooduleid riistvaraperifeeriaseadmetele (nagu GPIO, I2C, SPI ja UART) juurdepääsuks.

Riistvaraplatvormid MicroPythoni jaoks

MicroPython toetab laia valikut mikrokontrolleri platvorme. Siin on mõned populaarsemad valikud:

ESP32

ESP32 on madala hinnaga ja madala energiatarbega kiipsüsteemi (SoC) seeria koos Wi-Fi ja Bluetoothi võimalustega. See on populaarne valik IoT rakenduste jaoks tänu oma integreeritud traadita ühenduvusele ja võimsatele töötlemisvõimalustele.

Peamised omadused:

• Kahetuumaline protsessor
• Wi-Fi ja Bluetooth ühenduvus
• Ulatuslikud GPIO viigud
• Madal energiatarbimine

Näidisrakendus: Tark kodu sensorivõrk, mis kogub temperatuuri, niiskuse ja valgustuse tasemeid ning edastab andmed traadita ühenduse kaudu kesksesse serverisse.

Raspberry Pi Pico

Raspberry Pi Pico on madala hinnaga mikrokontrolleri plaat, mille on välja töötanud Raspberry Pi Foundation. Sellel on RP2040 mikrokontrolleri kiip, mis on disainitud suure jõudluse ja madala energiatarbimise jaoks.

Peamised omadused:

• RP2040 mikrokontrolleri kiip
• Kahetuumaline Arm Cortex-M0+ protsessor
• 264KB SRAM-i
• Programmeeritav I/O (PIO)

Näidisrakendus: Robotkäe juhtimine PWM signaalide abil, mida genereerib Raspberry Pi Pico.

STM32 plaadid

STM32 mikrokontrollerid on populaarne valik manussüsteemide jaoks tänu oma laiale funktsioonide valikule, jõudlusele ja madalale energiatarbimisele. MicroPython on toetatud paljudel STM32 plaatidel.

Peamised omadused:

• Erinevad ARM Cortex-M südamikud (M0, M3, M4, M7)
• Ulatuslikud perifeeriaseadmed (ADC, DAC, Timerid, Kommunikatsiooniliidesed)
• Madala energiatarbega režiimid

Näidisrakendus: Tööstuslik juhtimissüsteem, mis jälgib ja juhib erinevaid andureid ja täitureid.

MicroPythoni keskkonna seadistamine

MicroPythoniga arendamise alustamiseks pead seadistama oma arenduskeskkonna. Siin on üldine ülevaade vajalikest sammudest:

1. Installi MicroPythoni püsivara: Laadi alla sobiv püsivara oma sihtplaadi jaoks MicroPythoni veebisaidilt või plaaditootja veebisaidilt.
2. Kirjuta püsivara: Kasuta tööriista nagu `esptool.py` (ESP32 jaoks) või Raspberry Pi Pico alglaadurit, et püsivara plaadile kirjutada.
3. Ühenda plaadiga: Ühenda plaadiga serial terminali programmi (nt PuTTY, Tera Term või screen) abil.
4. Kasuta koodiredaktorit: Kasuta koodiredaktorit nagu VS Code koos MicroPythoni laiendusega või Thonny IDE-d, et kirjutada ja üles laadida oma koodi.

Näide: MicroPythoni seadistamine ESP32-l

Esmalt pead installima esptool.py:

            pip install esptool

            

              
                Copy
              
            
          

Seejärel laadi alla uusim MicroPythoni püsivara ESP32 jaoks MicroPythoni veebisaidilt. Lõpuks kirjuta püsivara:

            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
              
            
          

Asenda `/dev/ttyUSB0` oma ESP32 tegeliku serial pordiga ja `esp32-idf4-20230426-v1.19.1.bin` oma allalaaditud püsivara faili nimega.

MicroPythoni põhiprogrammeerimine

Vaatame mõningaid MicroPythoni programmeerimise põhimõisteid.

LED-i vilgutamine

See on manussüsteemide "Tere, maailm!". Siin on, kuidas vilgutada LED-i, mis on ühendatud ESP32 GPIO viiguga:

            from machine import Pin
import time

led = Pin(2, Pin.OUT)  # Eeldades, et LED on ühendatud GPIO viiguga 2

while True:
 led.value(1)  # Lülita LED sisse
 time.sleep(0.5)
 led.value(0)  # Lülita LED välja
 time.sleep(0.5)

            

              
                Copy
              
            
          

See kood impordib klassi `Pin` moodulist `machine` ja mooduli `time`. Seejärel loob see objekti `Pin`, mis tähistab GPIO viiguga 2 ühendatud LED-i. Tsükkel `while` lülitab LED-i pidevalt sisse ja välja 0,5-sekundilise viivitusega.

Anduri andmete lugemine

Siin on, kuidas lugeda andmeid ESP32-ga ühendatud DHT11 temperatuuri- ja niiskusandurist:

            import dht
from machine import Pin
import time

d = dht.DHT11(Pin(4)) # Eeldades, et DHT11 on ühendatud GPIO viiguga 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) # Viivitus lugemiste vahel

            

              
                Copy
              
            
          

See kood impordib mooduli `dht`, klassi `Pin` moodulist `machine` ja mooduli `time`. See loob objekti `DHT11`, mis tähistab GPIO viiguga 4 ühendatud andurit. Tsükkel `while` loeb pidevalt temperatuuri ja niiskust andurist ning prindib väärtused serial konsooli.

MicroPythoni täiustatud tehnikad

Katkestused

Katkestused võimaldavad sinu mikrokontrolleril reageerida välistele sündmustele reaalajas, ilma et peaks pidevalt muudatusi küsima. Need on üliolulised reageerivate ja tõhusate manussüsteemide loomiseks.

            from machine import Pin
import time

led = Pin(2, Pin.OUT)
button = Pin(0, Pin.IN, Pin.PULL_UP)  # Eeldades, et nupp on ühendatud GPIO viiguga 0 ja sellel on pull-up takisti


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
              
            
          

See kood seadistab katkestuse GPIO viigul 0 (ühendatud nupuga). Kui nuppu vajutatakse (langev serv), kutsutakse funktsioon `button_isr`, mis lülitab GPIO viiguga 2 ühendatud LED-i oleku.

Võrgustik

MicroPython muudab võrkudega ühenduse loomise suhteliselt lihtsaks (eriti ESP32 sisseehitatud Wi-Fi abil). See avab IoT rakenduste jaoks terve maailma võimalusi.

            import network
import time

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

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

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

            

              
                Copy
              
            
          

Asenda `YOUR_WIFI_SSID` ja `YOUR_WIFI_PASSWORD` oma tegelike Wi-Fi mandaatidega. See kood ühendab ESP32 sinu Wi-Fi võrguga ja prindib IP-aadressi.

Õhu kaudu (OTA) uuendused

OTA uuendused võimaldavad sul värskendada oma manussüsteemide püsivara eemalt, ilma füüsilise juurdepääsuta. See on ülioluline kasutuses olevate seadmete hooldamiseks ja täiustamiseks.

OTA uuenduste juurutamine nõuab keerukamat seadistust, mis hõlmab serverit uue püsivara hostimiseks ja mehhanismi seadme jaoks värskenduse allalaadimiseks ja installimiseks. Mitmed teegid ja raamistikud lihtsustavad seda protsessi. Kaalu alustamiseks selliste teekide nagu `micropython-ota-updater` kasutamist GitHubis.

MicroPythoni reaalse maailma rakendused

MicroPythonit kasutatakse laias valikus rakendustes, sealhulgas:

• IoT seadmed: Targad kodu seadmed, keskkonnaandurid ja varade jälgimissüsteemid.
• Robootika: Robotkäte, autonoomsete sõidukite ja droonide juhtimine.
• Kantav tehnoloogia: Nutikellad, aktiivsusmonitorid ja meditsiiniseadmed.
• Tööstusautomaatika: Tööstusprotsesside jälgimine ja juhtimine.
• Haridus: Programmeerimise ja elektroonika õpetamine õpilastele. MicroPythonist on saamas valikuvabadus paljudes STEM haridusprogrammides kogu maailmas.

MicroPythoni kasutamise eelised ja väljakutsed

Eelised:

• Kiirem arendus: Pythoni lihtsus kiirendab arendusprotsessi.
• Lihtsam õppida: Pythoni loetav süntaks muudab manussüsteemide programmeerimise õppimise algajatele lihtsamaks.
• Vähendatud koodi suurus: MicroPythoni tõhus juurutus vähendab koodi suurust, mis on oluline ressurssidega piiratud seadmete jaoks.
• Interaktiivne silumine: REPL võimaldab interaktiivset silumist, muutes vigade tuvastamise ja parandamise lihtsamaks.

Väljakutsed:

• Jõudluspiirangud: Python on interpreteeritud keel, mis võib olla aeglasem kui kompileeritud keeled nagu C ja C++.
• Mälupiirangud: Mikrokontrolleritel on piiratud mälu, seega on oluline optimeerida oma koodi, et minimeerida mälukasutust.
• Piiratud teegi tugi: MicroPythoni standardteek on väiksem kui standardse Pythoni oma, seega võib teatud ülesannete jaoks olla vaja leida alternatiivseid teeke või kirjutada oma kood.
• Reaalaja piirangud: Kuigi MicroPythonit saab kasutada reaalaja rakendustes, ei pruugi see sobida rakenduste jaoks, millel on väga ranged ajastusnõuded.

Parimad tavad MicroPythoni arendamisel

• Optimeeri oma kood: Kasuta tõhusaid algoritme ja andmestruktuure, et minimeerida mälukasutust ja parandada jõudlust.
• Kasuta sisseehitatud mooduleid: Kasuta ära MicroPythoni sisseehitatud mooduleid, et pääseda juurde riistvaraperifeeriaseadmetele.
• Haldage mälu hoolikalt: Vältige tarbetute objektide loomist ja vabastage mälu, kui seda enam vaja ei ole.
• Testi põhjalikult: Testi oma koodi põhjalikult sihtriistvaral, et tagada selle korrektne töötamine.
• Dokumenteeri oma kood: Kirjuta selged ja lühikesed kommentaarid, et selgitada oma koodi ja muuta selle hooldamine lihtsamaks.

Globaalne perspektiiv: MicroPythoni lahenduste kohandamine

MicroPythoni lahenduste globaalsel juurutamisel arvestage järgmist:

• Ühenduvus: Erinevatel piirkondadel on erinev võrguühenduse tase. Veenduge, et teie seade saab ühenduse saadaolevate võrkudega (Wi-Fi, mobiilside, LoRaWAN jne).
• Toide: Toitevõrgud on kogu maailmas erinevad. Kujundage oma seade töötama erinevate pingetasemete ja sagedustega. Kaaluge aku- või päikeseenergial töötavaid valikuid piirkondade jaoks, kus on ebausaldusväärne toide.
• Lokaliseerimine: Kohandage oma kasutajaliidest (kui see on olemas) erinevatele keeltele ja piirkondlikele seadetele.
• Regulatsioonid: Olge teadlik kohalikest regulatsioonidest, mis käsitlevad traadita sidet, andmete privaatsust ja tooteohutust.
• Turvalisus: Rakendage tugevaid turvameetmeid, et kaitsta oma seadet ja andmeid volitamata juurdepääsu eest.

Näiteks võib MicroPythoni kasutav targa põllumajanduse lahendus vajada arvestamist erinevate kliimatingimuste, mullatüüpide ja põllumajandustavadega erinevates piirkondades. Troopilises vihmametsas kasutatav sensorivõrk nõuab erinevaid riist- ja tarkvaralisi kohandusi kui kõrbes kasutatav võrk.

Järeldus

MicroPython on võimas tööriist manussüsteemide arendamiseks, pakkudes tasakaalu kasutuslihtsuse ja jõudluse vahel. See on suurepärane valik kiireks prototüüpimiseks, haridusprojektideks ja paljudeks IoT rakendusteks. Mõistes MicroPythoni põhitõdesid, selle tugevusi ja piiranguid, saad ehitada uuenduslikke ja tõhusaid manussüsteeme laiale rakenduste valikule. Kuna MicroPythoni ökosüsteem kasvab jätkuvalt, võime oodata selles valdkonnas veelgi põnevamaid arenguid.

Võta omaks Pythoni jõud manussüsteemide maailmas ja ava oma projektidele uued võimalused!