Python on the Metal: 組み込みプログラミングとマイクロコントローラー統合への深いダイブ

何十年もの間、組み込みシステムの世界、つまりスマートウォッチから産業機械まで、あらゆるものに電力を供給する小さなコンピューターは、C、C++、アセンブリなどの低水準言語の独占的な領域でした。これらの言語は、比類のない制御とパフォーマンスを提供しますが、習得が難しく、開発サイクルが長くなります。シンプルさ、可読性、および広大なエコシステムで有名な言語であるPythonが登場しました。かつてはWebサーバーとデータサイエンスに限定されていたPythonは、ハードウェアの中枢に強力に参入し、世界中の新しい世代の開発者、愛好家、およびイノベーターのためにエレクトロニクスを民主化しています。

このガイドは、Python組み込みプログラミングのエキサイティングな世界への包括的な入門書です。Pythonのような高水準言語がどのようにハードウェアを直接制御できるかを調べ、これを可能にする主要なプラットフォームを調査し、ソフトウェアからシリコンへの旅を始めるための実践的な例を説明します。

Python組み込みエコシステム：CPythonだけではない

ラップトップで使用する標準Python（CPythonとして知られています）を、一般的なマイクロコントローラーに簡単にインストールすることはできません。これらのデバイスは、非常に限られたリソースを持っています。つまり、数キロバイトのRAMと数メガヘルツの処理能力であり、最新のコンピューターのギガバイトとギガヘルツとは対照的です。このギャップを埋めるために、Pythonの特殊で洗練された実装が作成されました。

MicroPython：マイクロコントローラー向けのPython

MicroPythonは、制約されたハードウェアで実行できるように最適化されたPython 3プログラミング言語の完全な書き換えです。Damien Georgeによって作成され、ハードウェアへの直接的な低水準アクセスを提供しながら、標準のPythonと可能な限り互換性を持たせることを目指しています。

• 主な機能：対話型のRead-Eval-Print Loop（REPL）が含まれており、ボードに接続して、コンパイル手順なしでコードを1行ずつ実行できます。非常に効率的で、メモリフットプリントが小さく、直接のハードウェア制御（GPIO、I2C、SPIなど）用のmachineなどの強力なモジュールを提供します。
• 最適：最大のパフォーマンス、ハードウェアのきめ細かい制御、および幅広いマイクロコントローラー間の互換性を求める開発者向け。ハードウェアに近いほど、よりパフォーマンス重視のアプリケーションでよく使用されます。

CircuitPython：初心者向けのパワフルなツール

CircuitPythonは、DIY（Do-It-Yourself）エレクトロニクス分野のリーディングカンパニーであるAdafruitによって作成および保守されているMicroPythonのフォークです。MicroPythonとコアを共有していますが、その哲学は使いやすさと教育に重点を置いています。

• 主な機能：最も顕著な機能は、マイクロコントローラーをコンピューターにどのように提示するかです。CircuitPythonボードを接続すると、小さなUSBドライブとして表示されます。このドライブのcode.pyファイルを編集して保存するだけで、ボードが新しいコードを自動的に再読み込みして実行します。また、サポートされているすべてのボードで統一されたAPIを備えており、あるボードのセンサーを読み取るためのコードは、最小限の変更で別のボードでも機能します。
• 最適：初心者、教育者、および迅速なプロトタイピングに焦点を当てている人向け。学習曲線は緩やかで、Adafruitが提供する広範なライブラリエコシステムにより、センサー、ディスプレイ、およびその他のコンポーネントの統合が非常に簡単になります。

MicroPythonとCircuitPython：簡単な比較

どちらを選択するかは、多くの場合、プロジェクトの目標と経験レベルによって決まります。

• 哲学：MicroPythonは、ハードウェア固有の機能とパフォーマンスを優先します。CircuitPythonは、シンプルさ、一貫性、および学習の容易さを優先します。
• ワークフロー：MicroPythonを使用すると、通常、Thonnyなどのツールを使用してデバイスのREPLに接続し、ファイルをアップロードします。CircuitPythonを使用すると、code.pyファイルをUSBドライブにドラッグアンドドロップします。
• ハードウェアサポート：MicroPythonは、多くのメーカーの幅広いボードをサポートしています。CircuitPythonは、主にAdafruitと一部のサードパーティパートナーのボードをサポートしていますが、そのサポートは深く、ドキュメントが充実しています。
• ライブラリ：CircuitPythonには、インストールが簡単な大規模でキュレートされたライブラリセットがあります。MicroPythonライブラリも利用できますが、断片化されている場合があります。

このガイドでは、概念と多くのコード例は、マイナーな変更を加えて両方に適用できます。重要な違いがある場合は、それを指摘します。

ハードウェアの選択：マイクロコントローラーの戦場

Pythonを実行できるマイクロコントローラー（MCU）の数は、近年爆発的に増加しています。ここでは、世界中の視聴者にとって最も人気があり、アクセスしやすいオプションをいくつか紹介します。

Raspberry Pi Pico & RP2040

完全なRaspberry Piコンピューターと混同しないでください。Picoは、カスタムRP2040チップを中心に構築された低コストで高性能のマイクロコントローラーボードです。ハードウェア上のPythonの世界的なお気に入りになりました。

• 主な機能：強力なデュアルコアARM Cortex-M0+プロセッサ、264KBのRAM、およびProgrammable I/O（PIO）と呼ばれる独自の機能により、カスタムハードウェアインターフェースを作成できます。新しいPico Wモデルには、オンボードWi-Fiが追加されています。
• Pythonに最適な理由：MicroPythonの公式で一流のサポートがあり、CircuitPythonでも十分にサポートされています。低価格（多くの場合10米ドル以下）と強力なパフォーマンスにより、信じられないほどの価値があります。

Espressif ESP32 & ESP8266

上海に拠点を置くEspressif Systems社が製造したESPファミリーのチップは、IoTの紛れもないチャンピオンです。統合されたWi-FiとBluetooth機能を備えていることで知られており、接続されたプロジェクトのデフォルトの選択肢となっています。

• 主な機能：強力なシングルまたはデュアルコアプロセッサ、内蔵Wi-Fi、および（ESP32の場合）Bluetooth。世界中のメーカーから数千ものさまざまな開発ボードで利用できます。
• Pythonに最適な理由：優れたMicroPythonサポートにより、わずか数行のPythonコードで接続されたデバイスを構築できます。それらの処理能力は、Webサーバーの実行や複数のセンサーからのデータの処理などの複雑なタスクに十分です。

Adafruit Feather、ItsyBitsy、およびTrinketエコシステム

Adafruitは、標準化されたフォームファクターの幅広いボードを提供しています。これらは特定のチップではなく、CircuitPythonエコシステム内でシームレスに動作するように設計された製品ファミリーです。

• 主な機能：Featherファミリーのボードは、共通のピン配置を共有しているため、相互に交換可能です。多くには、内蔵のバッテリー充電回路とコネクタが含まれています。RP2040、ESP32など、さまざまなマイクロコントローラーで利用できます。
• Pythonに最適な理由：CircuitPythonのために最初から設計されています。この緊密な統合は、数百のライブラリとチュートリアルへのアクセスを備えたスムーズなプラグアンドプレイエクスペリエンスを意味します。

始め方：ハードウェアでの最初の「Hello, World」

理論から実践に移りましょう。組み込みプログラミングの伝統的な「Hello, World」は、LEDを点滅させることです。この単純な行為は、コードエディターからボード上のファームウェアまで、ツールチェーン全体が正しく機能していることを確認します。

前提条件

• サポートされているマイクロコントローラーボード（Raspberry Pi Pico、ESP32、またはAdafruitボードなど）。
• データ転送をサポートするUSBケーブル（充電だけではありません）。
• コンピューター（Windows、macOS、またはLinux）。

ステップ1：ファームウェアのインストール

ボードには、MicroPythonまたはCircuitPythonインタープリターがインストールされている必要があります。これは「ファームウェアのフラッシュ」と呼ばれます。

1. CircuitPythonの場合：circuitpython.orgにアクセスし、ボードを見つけて、.uf2ファイルをダウンロードします。ボードをブートローダーモードにします（これには通常、「BOOT」または「RESET」ボタンを押しながら接続する必要があります）。USBドライブとして表示されます。ダウンロードした.uf2ファイルをドラッグします。ドライブは取り外され、CIRCUITPYという名前で再表示されます。
2. MicroPythonの場合：micropython.orgにアクセスし、ボードを見つけて、ファームウェアファイル（多くの場合、.uf2または.binファイル）をダウンロードします。プロセスは似ています。ボードをブートローダーモードにし、ファイルをコピーします。

ステップ2：エディターの設定

任意のテキストエディターを使用できますが、専用のIDEを使用すると、開発がはるかに簡単になります。Thonny IDEは、初心者の方に強くお勧めします。無料で、クロスプラットフォームで、MicroPythonとCircuitPythonのサポートが組み込まれています。ボードを自動的に検出し、デバイスのREPLへのアクセスを提供し、ファイルのアップロードを容易にします。

ステップ3：LED点滅コード

次にコードです。MicroPythonの場合はmain.pyという名前の新しいファイルを作成し、CircuitPythonの場合は既存のcode.pyを編集します。

Raspberry Pi Pico WのMicroPythonの例：

import machine import utime # Pico WのオンボードLEDは特別な名前を介してアクセスされます led = machine.Pin("LED", machine.Pin.OUT) while True: led.toggle() print("LEDが切り替わりました！") utime.sleep(0.5) # 0.5秒待機

ほとんどのAdafruitボードでのCircuitPythonの例：

import board import digitalio import time # オンボードLEDは通常、'LED'という名前のピンに接続されています led = digitalio.DigitalInOut(board.LED) led.direction = digitalio.Direction.OUTPUT while True: led.value = not led.value print("LEDが切り替わりました！") time.sleep(0.5)

コードの内訳：

• import：ハードウェア（machine、digitalio、board）を制御し、時間を管理する（utime、time）ためのライブラリをインポートします。
• ピンのセットアップ：制御する物理ピン（オンボードLED）を定義し、出力を設定します。
• ループ：while True:ループは永遠に実行されます。ループ内で、LEDの状態を切り替え（オンからオフ、またはオフからオン）、シリアルコンソールにメッセージを出力し（Thonnyで表示されます）、0.5秒間一時停止します。

このファイルをデバイスに保存します。オンボードLEDがすぐに点滅し始めるはずです。おめでとうございます。マイクロコントローラーで直接Pythonを実行しました！

詳細：マイクロコントローラーでのPythonのコアコンセプト

LEDの点滅はほんの始まりです。より複雑なプロジェクトを構築するために使用する基本的な概念を調べてみましょう。

汎用入出力（GPIO）

GPIOピンは、マイクロコントローラーが世界と対話するための物理的な接続です。入力（ボタンやセンサーからのデータを読み取るため）または出力（LED、モーター、またはリレーを制御するため）として構成できます。

ボタン押下の読み取り（MicroPython）：

import machine import utime button = machine.Pin(14, machine.Pin.IN, machine.Pin.PULL_DOWN) while True: if button.value() == 1: print("ボタンが押されました！") utime.sleep(0.1)

ここで、ピン14を入力として設定し、内部プルダウン抵抗を使用します。ループは、ボタンの値が1（ハイ）かどうかを継続的にチェックし、押されたことを示します。

センサーの操作

最も興味深いプロジェクトにはセンサーが関与しています。Pythonを使用すると、アナログセンサーとデジタルセンサーの両方から簡単に読み取ることができます。

• アナログセンサー：フォト抵抗（光の測定）やポテンショメーターなどのこれらのセンサーは、可変電圧を提供します。マイクロコントローラーのアナログ-デジタルコンバーター（ADC）はこの電圧を読み取り、数値に変換します。
• デジタルセンサー：これらのより高度なセンサー（温度/湿度センサー、加速度計など）は、特定のプロトコルを使用して通信します。最も一般的な2つは、I2C（Inter-Integrated Circuit）とSPI（Serial Peripheral Interface）です。これらのプロトコルにより、複数のデバイスが、わずか数本のピンを使用してマイクロコントローラーと通信できます。幸いなことに、ライブラリが通信を処理するため、低レベルの詳細を知る必要はほとんどありません。

BMP280センサーでの温度の読み取り（CircuitPython）：

import board import adafruit_bmp280 # I2Cバスオブジェクトを作成します i2c = board.I2C() # デフォルトのSCLとSDAピンを使用 # センサーオブジェクトを作成します bmp280 = adafruit_bmp280.Adafruit_BMP280_I2C(i2c) # 温度を読み取ります temperature = bmp280.temperature print(f"温度: {temperature:.2f} C")

パルス幅変調（PWM）

PWMは、デジタルピンでアナログ出力をシミュレートするために使用される手法です。ピンをすばやくオンとオフに切り替えることで、平均電圧を制御できます。これは、LEDを暗くしたり、DCモーターの速度を制御したり、サーボモーターの位置を調整したりするのに役立ちます。

接続性とモノのインターネット（IoT）

これは、ESP32やPico Wのようなボードが実際に輝く場所です。内蔵Wi-Fiを使用すると、Pythonを使用すると、IoTデバイスを驚くほど簡単に構築できます。

Wi-Fiへの接続

デバイスをネットワークに接続することが最初のステップです。ネットワーク資格情報を安全に保存するために、ファイル（CircuitPythonではsecrets.pyと呼ばれることが多い）を作成する必要があります。

ESP32をWi-Fiに接続する（MicroPython）：

import network SSID = "YourNetworkName" PASSWORD = "YourNetworkPassword" station = network.WLAN(network.STA_IF) station.active(True) station.connect(SSID, PASSWORD) while not station.isconnected(): pass print("接続に成功しました") print(station.ifconfig())

Webリクエストの作成

接続すると、インターネットとやり取りできます。アプリケーションプログラミングインターフェース（API）からデータを取得したり、センサーデータをWebサービスに投稿したり、オンラインアクションをトリガーしたりできます。

APIからJSONデータを取得する（`urequests`ライブラリを使用）：

import urequests response = urequests.get("http://worldtimeapi.org/api/timezone/Etc/UTC") data = response.json() print(f"現在のUTC時刻は：{data['datetime']}") response.close()

MQTT：IoTの言語

HTTPは便利ですが、IoT通信のゴールドスタンダードはMQTT（Message Queuing Telemetry Transport）です。これは、低帯域幅、高遅延のネットワーク向けに設計された軽量のパブリッシュサブスクライブプロトコルです。デバイスは、センサーデータを「トピック」に「公開」し、そのトピックを「サブスクライブ」している他のデバイス（またはサーバー）は、データを即座に受信します。これは、Webサーバーを常にポーリングするよりもはるかに効率的です。

高度なトピックとベストプラクティス

プロジェクトが成長するにつれて、マイクロコントローラーの制限に遭遇します。堅牢な組み込みPythonコードを記述するためのベストプラクティスをいくつか紹介します。

• メモリ管理：RAMはあなたの最も貴重なリソースです。ループ内でリストや長い文字列などの大きなオブジェクトを作成することは避けてください。gcモジュール（import gc; gc.collect()）を使用して、ガベージコレクションを手動でトリガーし、メモリを解放します。
• 電力管理：バッテリー駆動のデバイスの場合、電力効率が重要です。ほとんどのマイクロコントローラーには、「ディープスリープ」モードがあり、チップのほとんどをシャットダウンし、非常に少ない電力を消費し、設定された時間後または外部トリガーからウェイクアップできます。
• ファイルシステム：通常のコンピューターと同様に、オンボードフラッシュメモリにファイルを読み書きできます。これは、データのログ記録や構成設定の保存に最適です。
• 割り込み：ボタンの状態をループで継続的にチェックする（ポーリングと呼ばれるプロセス）代わりに、割り込みを使用できます。割り込み要求（IRQ）は、メインコードを一時停止して特別な関数を実行し、再開するハードウェア信号です。これははるかに効率的で応答性が高くなっています。

実際のプロジェクトアイデアのショーケース

構築する準備はできましたか？ここで、私たちが議論した概念を組み合わせたアイデアをいくつか紹介します。

1. スマート気象ステーション：BME280センサーを使用して、温度、湿度、気圧を測定するESP32を使用します。小型OLED画面にデータを表示し、Adafruit IOやHome AssistantなどのダッシュボードにMQTT経由で公開します。
2. 自動植物水やりシステム：土壌水分センサーをRaspberry Pi Picoに接続します。土壌が乾燥している場合は、GPIOピンを使用して、小さなウォーターポンプを数秒間オンにするリレーをアクティブにします。
3. カスタムUSBマクロパッド：Picoまたは多くのAdafruitボードなど、USB HID（Human Interface Device）をサポートするCircuitPythonボードを使用します。ボタンをプログラムして、複雑なキーボードショートカットを送信したり、事前に定義されたテキストを入力したりして、生産性を向上させます。

結論：未来はPythonに組み込まれています

Pythonは、組み込み開発の状況を根本的に変えました。参入障壁を下げ、ソフトウェア開発者がハードウェアを制御し、ハードウェアエンジニアがこれまで以上に速くプロトタイプを作成できるようにしました。数行の読みやすいコードでセンサーを読み取ったり、インターネットに接続したりするシンプルさは、ゲームチェンジャーです。

LEDの点滅から、完全に機能を備えたIoTデバイスへの旅は、信じられないほどやりがいのある旅です。世界中のコミュニティと豊富なオープンソースライブラリは、課題に直面したときに本当に一人ではないことを意味します。ボードを選択し、ファームウェアをフラッシュし、Pythonと物理世界の間のエキサイティングな交差点での冒険を始めてください。唯一の制限はあなたの想像力です。