Systèmes embarqués Python : Plongée dans l'implémentation MicroPython

Les systèmes embarqués sont partout, des montres connectées à nos poignets aux systèmes de contrôle complexes des automobiles et des machines industrielles. Python, connu pour sa lisibilité et sa polyvalence, trouve de plus en plus sa place dans le monde de l'embarqué, grâce à MicroPython.

Qu'est-ce qu'un système embarqué ?

Un système embarqué est un système informatique dédié, conçu pour une fonction spécifique ou un ensemble de fonctions. Contrairement aux ordinateurs à usage général (comme votre ordinateur portable ou de bureau), les systèmes embarqués sont généralement conçus pour être petits, efficaces et fiables. Ils fonctionnent souvent en temps réel, ce qui signifie qu'ils doivent répondre aux événements dans des contraintes de temps strictes.

Caractéristiques clés des systèmes embarqués :

• Fonction dédiée : Conçu pour une tâche spécifique.
• Fonctionnement en temps réel : Doit répondre aux événements dans des délais spécifiques.
• Contraintes de ressources : Puissance de traitement, mémoire et énergie limitées.
• Fiabilité : Doit fonctionner de manière fiable dans des conditions variables.

Pourquoi Python dans les systèmes embarqués ?

Traditionnellement, la programmation des systèmes embarqués a été dominée par C et C++. Bien que ces langages offrent d'excellentes performances et un contrôle matériel, ils peuvent être complexes et longs à développer. Python, et plus particulièrement MicroPython, offre plusieurs avantages :

• Développement rapide : La syntaxe claire de Python et ses bibliothèques étendues réduisent considérablement le temps de développement.
• Lisibilité : Le code Python est plus facile à lire et à comprendre, ce qui simplifie la maintenance et le débogage.
• Compatibilité multiplateforme : MicroPython fonctionne sur une variété de plateformes de microcontrôleurs.
• Soutien communautaire important : La communauté Python fournit des ressources et un support étendus pour les développeurs.

Introduction à MicroPython

MicroPython est une implémentation légère et efficace du langage de programmation Python 3, optimisée pour fonctionner sur des microcontrôleurs et dans des environnements contraints. Il comprend un sous-ensemble restreint de la bibliothèque standard de Python et est conçu pour être aussi compatible que possible avec Python standard. Cela signifie que de nombreuses compétences et bibliothèques Python peuvent être directement appliquées au développement de systèmes embarqués.

Caractéristiques clés de MicroPython :

• Compatibilité Python 3 : Largement compatible avec la syntaxe de Python 3.
• Faible empreinte : Conçu pour fonctionner sur des microcontrôleurs aux ressources limitées.
• REPL interactif : Fournit une boucle Lire-Évaluer-Afficher-Répéter (REPL) pour la programmation et le débogage interactifs.
• Modules intégrés : Comprend des modules pour accéder aux périphériques matériels tels que GPIO, I2C, SPI et UART.

Plateformes matérielles pour MicroPython

MicroPython prend en charge un large éventail de plateformes de microcontrôleurs. Voici quelques-uns des choix les plus populaires :

ESP32

L'ESP32 est une série de systèmes sur puce (SoC) peu coûteux et à faible consommation d'énergie, dotés de capacités Wi-Fi et Bluetooth. C'est un choix populaire pour les applications IoT en raison de sa connectivité sans fil intégrée et de ses puissantes capacités de traitement.

Caractéristiques clés :

• Processeur double cœur
• Connectivité Wi-Fi et Bluetooth
• Broches GPIO étendues
• Faible consommation d'énergie

Exemple d'application : Un réseau de capteurs pour la maison intelligente qui collecte des données de température, d'humidité et de lumière et transmet les données sans fil à un serveur central.

Raspberry Pi Pico

Le Raspberry Pi Pico est une carte microcontrôleur peu coûteuse développée par la Raspberry Pi Foundation. Il intègre la puce microcontrôleur RP2040, conçue pour de hautes performances et une faible consommation d'énergie.

Caractéristiques clés :

• Puce microcontrôleur RP2040
• Processeur dual-core Arm Cortex-M0+
• 264 Ko de SRAM
• E/S programmables (PIO)

Exemple d'application : Contrôle d'un bras robotique à l'aide de signaux PWM générés par le Raspberry Pi Pico.

Cartes STM32

Les microcontrôleurs STM32 sont un choix populaire pour les systèmes embarqués en raison de leur large gamme de fonctionnalités, de leurs performances et de leur faible consommation d'énergie. MicroPython est pris en charge sur de nombreuses cartes STM32.

Caractéristiques clés :

• Divers cœurs ARM Cortex-M (M0, M3, M4, M7)
• Périphériques étendus (ADC, DAC, Minuteries, Interfaces de communication)
• Modes basse consommation

Exemple d'application : Un système de contrôle industriel qui surveille et contrôle divers capteurs et actionneurs.

Configuration de votre environnement MicroPython

Pour commencer à développer avec MicroPython, vous devrez configurer votre environnement de développement. Voici un aperçu général des étapes à suivre :

1. Installer le firmware MicroPython : Téléchargez le firmware approprié pour votre carte cible depuis le site Web de MicroPython ou le site Web du fabricant de la carte.
2. Flasher le firmware : Utilisez un outil tel que `esptool.py` (pour ESP32) ou le bootloader du Raspberry Pi Pico pour flasher le firmware sur la carte.
3. Se connecter à la carte : Connectez-vous à la carte à l'aide d'un programme de terminal série (par exemple, PuTTY, Tera Term ou screen).
4. Utiliser un éditeur de code : Utilisez un éditeur de code tel que VS Code avec l'extension MicroPython ou l'IDE Thonny pour écrire et téléverser votre code.

Exemple : Configuration de MicroPython sur ESP32

Tout d'abord, vous devez installer esptool.py :

            pip install esptool

            

              
                Copy
              
            
          

Ensuite, téléchargez le dernier firmware MicroPython pour ESP32 depuis le site Web de MicroPython. Enfin, flashez le firmware :

            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
              
            
          

Remplacez `/dev/ttyUSB0` par le port série réel de votre ESP32 et `esp32-idf4-20230426-v1.19.1.bin` par le nom de votre fichier de firmware téléchargé.

Programmation MicroPython de base

Examinons quelques concepts de base de la programmation MicroPython.

Faire clignoter une LED

C'est le "Bonjour, Monde !" des systèmes embarqués. Voici comment faire clignoter une LED connectée à une broche GPIO sur l'ESP32 :

            from machine import Pin
import time

led = Pin(2, Pin.OUT)  # Suppose que la LED est connectée à la broche GPIO 2

while True:
 led.value(1)  # Allumer la LED
 time.sleep(0.5)
 led.value(0)  # Éteindre la LED
 time.sleep(0.5)

            

              
                Copy
              
            
          

Ce code importe la classe `Pin` du module `machine` et le module `time`. Il crée ensuite un objet `Pin` représentant la LED connectée à la broche GPIO 2. La boucle `while` allume et éteint continuellement la LED avec un délai de 0,5 seconde.

Lire les données des capteurs

Voici comment lire les données d'un capteur de température et d'humidité DHT11 connecté à l'ESP32 :

            import dht
from machine import Pin
import time

d = dht.DHT11(Pin(4)) # Suppose que le DHT11 est connecté à la broche GPIO 4

while True:
 try:
 d.measure()
 temp = d.temperature()
 hum = d.humidity()
 print('Temperature: %3.1f C' %temp)
 print('Humidité: %3.1f %%' %hum)
 except OSError as e:
 print('Échec de la lecture du capteur.')
 time.sleep(2) # Délai entre les lectures

            

              
                Copy
              
            
          

Ce code importe le module `dht`, la classe `Pin` du module `machine` et le module `time`. Il crée un objet `DHT11` représentant le capteur connecté à la broche GPIO 4. La boucle `while` lit continuellement la température et l'humidité du capteur et affiche les valeurs sur la console série.

Techniques avancées de MicroPython

Interruptions

Les interruptions permettent à votre microcontrôleur de répondre aux événements externes en temps réel sans interroger constamment les changements. Elles sont cruciales pour créer des systèmes embarqués réactifs et efficaces.

            from machine import Pin
import time

led = Pin(2, Pin.OUT)
button = Pin(0, Pin.IN, Pin.PULL_UP)  # Suppose que le bouton est connecté à la broche GPIO 0 et a une résistance de rappel


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
              
            
          

Ce code configure une interruption sur la broche GPIO 0 (connectée à un bouton). Lorsque le bouton est pressé (flanc descendant), la fonction `button_isr` est appelée, ce qui inverse l'état de la LED connectée à la broche GPIO 2.

Réseautage

MicroPython facilite relativement la connexion aux réseaux (surtout avec le Wi-Fi intégré de l'ESP32). Cela ouvre un monde de possibilités pour les applications IoT.

            import network
import time

wlan = network.WLAN(network.STA_IF)
wlan.active(True)
wlan.connect('VOTRE_SSID_WIFI', 'VOTRE_MOT_DE_PASSE_WIFI')

# Attendre la connexion
while not wlan.isconnected() and wlan.status() >= 0:
 print("Connexion...")
 time.sleep(1)

# Gérer l'erreur de connexion
if wlan.status() != network.STAT_GOT_IP:
 print("Échec de la connexion")
else:
 print("Connecté au WiFi")
 ip = wlan.ifconfig()[0]
 print('Adresse IP : ' + ip)

            

              
                Copy
              
            
          

Remplacez `VOTRE_SSID_WIFI` et `VOTRE_MOT_DE_PASSE_WIFI` par vos informations d'identification Wi-Fi réelles. Ce code connecte l'ESP32 à votre réseau Wi-Fi et affiche l'adresse IP.

Mises à jour Over-the-Air (OTA)

Les mises à jour OTA vous permettent de mettre à jour le firmware de vos appareils embarqués à distance, sans avoir besoin d'un accès physique. Ceci est crucial pour la maintenance et l'amélioration des appareils déployés.

L'implémentation des mises à jour OTA nécessite une configuration plus complexe, impliquant un serveur pour héberger le nouveau firmware et un mécanisme pour que l'appareil télécharge et installe la mise à jour. Plusieurs bibliothèques et frameworks simplifient ce processus. Envisagez d'utiliser des bibliothèques comme `micropython-ota-updater` sur GitHub comme point de départ.

Applications réelles de MicroPython

MicroPython est utilisé dans un large éventail d'applications, notamment :

• Appareils IoT : Appareils domestiques intelligents, capteurs environnementaux et systèmes de suivi d'actifs.
• Robotique : Contrôle de bras robotiques, de véhicules autonomes et de drones.
• Technologie portable : Montres connectées, trackers d'activité et dispositifs médicaux.
• Automatisation industrielle : Surveillance et contrôle des processus industriels.
• Éducation : Enseignement de la programmation et de l'électronique aux étudiants. MicroPython devient le langage de choix dans de nombreux programmes d'éducation STEM à travers le monde.

Avantages et défis de l'utilisation de MicroPython

Avantages :

• Développement plus rapide : La simplicité de Python accélère le processus de développement.
• Facile à apprendre : La syntaxe lisible de Python rend la programmation embarquée plus accessible aux débutants.
• Taille de code réduite : L'implémentation efficace de MicroPython réduit la taille du code, ce qui est important pour les appareils aux ressources limitées.
• Débogage interactif : La REPL permet un débogage interactif, ce qui facilite l'identification et la correction des erreurs.

Défis :

• Limitations de performance : Python est un langage interprété, qui peut être plus lent que des langages compilés comme C et C++.
• Contraintes de mémoire : Les microcontrôleurs ont une mémoire limitée, il est donc important d'optimiser votre code pour minimiser l'utilisation de la mémoire.
• Support de bibliothèque limité : La bibliothèque standard de MicroPython est plus petite que celle de Python standard, vous devrez donc peut-être trouver des bibliothèques alternatives ou écrire votre propre code pour certaines tâches.
• Limitations en temps réel : Bien que MicroPython puisse être utilisé dans des applications en temps réel, il peut ne pas convenir aux applications avec des exigences de synchronisation très strictes.

Bonnes pratiques pour le développement MicroPython

• Optimisez votre code : Utilisez des algorithmes et des structures de données efficaces pour minimiser l'utilisation de la mémoire et améliorer les performances.
• Utilisez les modules intégrés : Profitez des modules intégrés de MicroPython pour accéder aux périphériques matériels.
• Gérez la mémoire avec soin : Évitez de créer des objets inutiles et libérez la mémoire lorsqu'elle n'est plus nécessaire.
• Testez minutieusement : Testez votre code minutieusement sur le matériel cible pour vous assurer qu'il fonctionne correctement.
• Documentez votre code : Écrivez des commentaires clairs et concis pour expliquer votre code et le rendre plus facile à maintenir.

Perspective mondiale : Adaptation des solutions MicroPython

Lors du déploiement de solutions MicroPython à l'échelle mondiale, tenez compte des points suivants :

• Connectivité : Les différentes régions ont des niveaux de connectivité réseau variés. Assurez-vous que votre appareil peut se connecter aux réseaux disponibles (Wi-Fi, cellulaire, LoRaWAN, etc.).
• Alimentation : Les réseaux électriques varient dans le monde. Concevez votre appareil pour qu'il fonctionne avec différents niveaux de tension et fréquences. Envisagez des options alimentées par batterie ou par énergie solaire pour les zones où l'alimentation est peu fiable.
• Localisation : Adaptez votre interface utilisateur (le cas échéant) à différentes langues et paramètres régionaux.
• Réglementations : Soyez conscient des réglementations locales concernant la communication sans fil, la confidentialité des données et la sécurité des produits.
• Sécurité : Mettez en œuvre des mesures de sécurité robustes pour protéger votre appareil et vos données contre tout accès non autorisé.

Par exemple, une solution d'agriculture intelligente utilisant MicroPython pourrait devoir prendre en compte différentes conditions climatiques, types de sols et pratiques agricoles dans différentes régions. Un réseau de capteurs déployé dans une forêt tropicale humide nécessitera des adaptations matérielles et logicielles différentes de celles d'un réseau déployé dans un désert.

Conclusion

MicroPython est un outil puissant pour le développement de systèmes embarqués, offrant un équilibre entre facilité d'utilisation et performance. C'est un excellent choix pour le prototypage rapide, les projets éducatifs et de nombreuses applications IoT. En comprenant les bases de MicroPython, ses forces et ses limites, vous pouvez créer des solutions embarquées innovantes et efficaces pour un large éventail d'applications. Alors que l'écosystème MicroPython continue de croître, nous pouvons nous attendre à voir encore plus de développements passionnants dans ce domaine.

Adoptez la puissance de Python dans le monde de l'embarqué et débloquez de nouvelles possibilités pour vos projets !