Python inbyggda system: En djupdykning i MicroPython-implementering

Inbyggda system finns överallt, från smartklockorna på våra handleder till de komplexa styrsystemen i bilar och industrimaskiner. Python, känt för sin läsbarhet och mångsidighet, hittar alltmer sin plats i den inbyggda världen, tack vare MicroPython.

Vad är inbyggda system?

Ett inbyggt system är ett dedikerat datorsystem utformat för en specifik funktion eller uppsättning funktioner. Till skillnad från allmänna datorer (som din bärbara eller stationära dator) är inbyggda system typiskt utformade för att vara små, effektiva och pålitliga. De fungerar ofta i realtid, vilket innebär att de måste svara på händelser inom strikta tidsramar.

Viktiga egenskaper hos inbyggda system:

• Dedikerad funktion: Utformad för en specifik uppgift.
• Realtidsdrift: Måste svara på händelser inom specifika tidsramar.
• Resursbegränsningar: Begränsad processorkraft, minne och energi.
• Pålitlighet: Måste fungera pålitligt under varierande förhållanden.

Varför Python i inbyggda system?

Traditionellt har programmering av inbyggda system dominerats av C och C++. Även om dessa språk erbjuder utmärkt prestanda och kontroll över hårdvara, kan de vara komplexa och tidskrävande att utveckla med. Python, och specifikt MicroPython, erbjuder flera fördelar:

• Snabb utveckling: Pythons tydliga syntax och omfattande bibliotek minskar utvecklingstiden avsevärt.
• Läsbarhet: Python-kod är lättare att läsa och förstå, vilket gör underhåll och felsökning enklare.
• Plattformsoberoende: MicroPython körs på en mängd olika mikrokontrollerplattformar.
• Stort community-stöd: Python-communityn tillhandahåller omfattande resurser och stöd för utvecklare.

Introduktion till MicroPython

MicroPython är en slimmad och effektiv implementering av programmeringsspråket Python 3 som är optimerad för att köras på mikrokontroller och i begränsade miljöer. Det inkluderar en liten delmängd av Pythons standardbibliotek och är utformat för att vara så kompatibelt som möjligt med standard-Python. Detta innebär att många Python-kunskaper och bibliotek kan tillämpas direkt på utveckling av inbyggda system.

Viktiga funktioner i MicroPython:

• Python 3-kompatibilitet: Till stor del kompatibelt med Python 3-syntax.
• Litet fotavtryck: Utformat för att köras på mikrokontroller med begränsade resurser.
• Interaktiv REPL: Erbjuder en Read-Eval-Print Loop (REPL) för interaktiv programmering och felsökning.
• Inbyggda moduler: Inkluderar moduler för åtkomst till hårdvaruperiferier som GPIO, I2C, SPI och UART.

Hårdvaruplattformar för MicroPython

MicroPython stöder ett brett utbud av mikrokontrollerplattformar. Här är några av de mest populära valen:

ESP32

ESP32 är en billig, energieffektiv system-on-a-chip (SoC)-serie med Wi-Fi- och Bluetooth-funktioner. Det är ett populärt val för IoT-applikationer tack vare dess integrerade trådlösa anslutning och kraftfulla bearbetningsförmåga.

Viktiga funktioner:

• Dubbelkärnig processor
• Wi-Fi- och Bluetooth-anslutning
• Omfattande GPIO-stift
• Låg energiförbrukning

Exempelapplikation: Ett smart hem-sensornätverk som samlar in temperatur, luftfuktighet och ljusnivåer och överför data trådlöst till en central server.

Raspberry Pi Pico

Raspberry Pi Pico är ett billigt mikrokontrollerkort utvecklat av Raspberry Pi Foundation. Det har RP2040 mikrokontrollerchipet, som är designat för hög prestanda och låg energiförbrukning.

Viktiga funktioner:

• RP2040 mikrokontrollerchip
• Dubbelkärnig Arm Cortex-M0+-processor
• 264KB SRAM
• Programmerbar I/O (PIO)

Exempelapplikation: Styrning av en robotarm med PWM-signaler genererade av Raspberry Pi Pico.

STM32-kort

STM32-mikrokontroller är ett populärt val för inbyggda system tack vare deras breda utbud av funktioner, prestanda och låga energiförbrukning. MicroPython stöds på många STM32-kort.

Viktiga funktioner:

• Olika ARM Cortex-M-kärnor (M0, M3, M4, M7)
• Omfattande periferiutrustning (ADC, DAC, timers, kommunikationsgränssnitt)
• Lågenergilägen

Exempelapplikation: Ett industriellt styrsystem som övervakar och kontrollerar olika sensorer och ställdon.

Ställa in din MicroPython-miljö

För att börja utveckla med MicroPython måste du ställa in din utvecklingsmiljö. Här är en allmän översikt över de steg som krävs:

1. Installera MicroPython Firmware: Ladda ner lämplig firmware för ditt målkort från MicroPythons webbplats eller korttillverkarens webbplats.
2. Flash Firmware: Använd ett verktyg som `esptool.py` (för ESP32) eller Raspberry Pi Picos bootloader för att flasha firmware till kortet.
3. Anslut till kortet: Anslut till kortet med ett seriellt terminalprogram (t.ex. PuTTY, Tera Term eller screen).
4. Använd en kodredigerare: Använd en kodredigerare som VS Code med MicroPython-tillägget eller Thonny IDE för att skriva och ladda upp din kod.

Exempel: Ställa in MicroPython på ESP32

Först måste du installera esptool.py:

            pip install esptool

            

              
                Copy
              
            
          

Ladda sedan ner den senaste MicroPython-firmwaren för ESP32 från MicroPythons webbplats. Slutligen, flasha 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
              
            
          

Ersätt `/dev/ttyUSB0` med den faktiska seriella porten för din ESP32 och `esp32-idf4-20230426-v1.19.1.bin` med namnet på din nedladdade firmwarefil.

Grundläggande MicroPython-programmering

Låt oss titta på några grundläggande MicroPython-programmeringskoncept.

Att blinka en LED

Detta är "Hello, World!" för inbyggda system. Här är hur man blinkar en LED ansluten till en GPIO-pin på ESP32:

            from machine import Pin
import time

led = Pin(2, Pin.OUT)  # Anta att LED:en är ansluten till GPIO-pin 2

while True:
 led.value(1)  # Slå på LED:en
 time.sleep(0.5)
 led.value(0)  # Slå av LED:en
 time.sleep(0.5)

            

              
                Copy
              
            
          

Denna kod importerar klassen `Pin` från modulen `machine` och modulen `time`. Den skapar sedan ett `Pin`-objekt som representerar LED:en ansluten till GPIO-pin 2. `while`-loopen slår kontinuerligt på och av LED:en med en 0,5-sekunders fördröjning.

Läsa sensordata

Här är hur man läser data från en DHT11 temperatur- och fuktighetssensor ansluten till ESP32:

            import dht
from machine import Pin
import time

d = dht.DHT11(Pin(4)) # Anta att DHT11 är ansluten till 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) # Fördröjning mellan avläsningar

            

              
                Copy
              
            
          

Denna kod importerar modulen `dht`, klassen `Pin` från modulen `machine` och modulen `time`. Den skapar ett `DHT11`-objekt som representerar sensorn ansluten till GPIO-pin 4. `while`-loopen läser kontinuerligt temperatur och fuktighet från sensorn och skriver ut värdena till seriekonsolen.

Avancerade MicroPython-tekniker

Avbrott

Avbrott tillåter din mikrokontroller att reagera på externa händelser i realtid utan att ständigt behöva söka efter ändringar. De är avgörande för att skapa responsiva och effektiva inbyggda system.

            from machine import Pin
import time

led = Pin(2, Pin.OUT)
button = Pin(0, Pin.IN, Pin.PULL_UP)  # Anta att knappen är ansluten till GPIO-pin 0 och har ett pull-up-motstånd


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
              
            
          

Denna kod sätter upp ett avbrott på GPIO-pin 0 (ansluten till en knapp). När knappen trycks ned (fallande flank), anropas funktionen `button_isr`, som växlar tillståndet för LED:en ansluten till GPIO-pin 2.

Nätverk

MicroPython gör det relativt enkelt att ansluta till nätverk (särskilt med ESP32:s inbyggda Wi-Fi). Detta öppnar upp en värld av möjligheter för IoT-applikationer.

            import network
import time

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

# Vänta på anslutning
while not wlan.isconnected() and wlan.status() >= 0:
 print("Ansluter...")
 time.sleep(1)

# Hantera anslutningsfel
if wlan.status() != network.STAT_GOT_IP:
 print("Anslutning misslyckades")
 else:
 print("Ansluten till WiFi")
 ip = wlan.ifconfig()[0]
 print('IP-adress: ' + ip)

            

              
                Copy
              
            
          

Ersätt `YOUR_WIFI_SSID` och `YOUR_WIFI_PASSWORD` med dina faktiska Wi-Fi-uppgifter. Denna kod ansluter ESP32 till ditt Wi-Fi-nätverk och skriver ut IP-adressen.

Over-the-Air (OTA) uppdateringar

OTA-uppdateringar låter dig uppdatera firmware på dina inbyggda enheter på distans, utan att behöva fysisk åtkomst. Detta är avgörande för att underhålla och förbättra distribuerade enheter.

Implementering av OTA-uppdateringar kräver en mer komplex installation, inklusive en server för att hosta den nya firmwaren och en mekanism för enheten att ladda ner och installera uppdateringen. Flera bibliotek och ramverk förenklar denna process. Överväg att använda bibliotek som `micropython-ota-updater` på GitHub som en utgångspunkt.

Verkliga tillämpningar av MicroPython

MicroPython används i en mängd olika applikationer, inklusive:

• IoT-enheter: Smarta hemenheter, miljösensorer och spårningssystem för tillgångar.
• Robotik: Styrning av robotarmar, autonoma fordon och drönare.
• Bärbar teknik: Smartklockor, fitness-trackers och medicintekniska produkter.
• Industriell automation: Övervakning och styrning av industriella processer.
• Utbildning: Undervisning i programmering och elektronik för studenter. MicroPython blir det självklara valet i många STEM-utbildningsprogram världen över.

Fördelar och utmaningar med att använda MicroPython

Fördelar:

• Snabbare utveckling: Pythons enkelhet accelererar utvecklingsprocessen.
• Lättare att lära sig: Pythons läsbara syntax gör det lättare för nybörjare att lära sig inbyggd programmering.
• Minskad kodstorlek: MicroPythons effektiva implementering minskar kodstorleken, vilket är viktigt för resursbegränsade enheter.
• Interaktiv felsökning: REPL tillåter interaktiv felsökning, vilket gör det enklare att identifiera och åtgärda fel.

Utmaningar:

• Prestationsbegränsningar: Python är ett tolkat språk, vilket kan vara långsammare än kompilerade språk som C och C++.
• Minnesbegränsningar: Mikrokontroller har begränsat minne, så det är viktigt att optimera din kod för att minimera minnesanvändningen.
• Begränsat biblioteksstöd: MicroPythons standardbibliotek är mindre än standard-Pythons, så du kan behöva hitta alternativa bibliotek eller skriva din egen kod för vissa uppgifter.
• Realtidsbegränsningar: Även om MicroPython kan användas i realtidsapplikationer, kanske det inte är lämpligt för applikationer med mycket strikta tidsmässiga krav.

Bästa praxis för MicroPython-utveckling

• Optimera din kod: Använd effektiva algoritmer och datastrukturer för att minimera minnesanvändningen och förbättra prestanda.
• Använd inbyggda moduler: Dra nytta av MicroPythons inbyggda moduler för att komma åt hårdvaruperiferier.
• Hantera minne noggrant: Undvik att skapa onödiga objekt och frigör minne när det inte längre behövs.
• Testa noggrant: Testa din kod noggrant på målhårdvaran för att säkerställa att den fungerar korrekt.
• Dokumentera din kod: Skriv tydliga och koncisa kommentarer för att förklara din kod och göra den lättare att underhålla.

Globalt perspektiv: Anpassa MicroPython-lösningar

När du distribuerar MicroPython-lösningar globalt, överväg följande:

• Anslutning: Olika regioner har varierande nivåer av nätverksanslutning. Se till att din enhet kan ansluta till tillgängliga nätverk (Wi-Fi, mobil, LoRaWAN, etc.).
• Ström: Elnäten varierar över hela världen. Designa din enhet för att fungera med olika spänningsnivåer och frekvenser. Överväg batteridrivna eller solcells-drivna alternativ för områden med opålitlig ström.
• Lokalisering: Anpassa ditt användargränssnitt (om något) till olika språk och regionala inställningar.
• Regleringar: Var medveten om lokala regleringar gällande trådlös kommunikation, datasekretess och produktsäkerhet.
• Säkerhet: Implementera robusta säkerhetsåtgärder för att skydda din enhet och data från obehörig åtkomst.

Till exempel kan en smart jordbrukslösning som använder MicroPython behöva ta hänsyn till olika klimatförhållanden, jordtyper och jordbruksmetoder i olika regioner. Ett sensornätverk distribuerat i en tropisk regnskog kommer att kräva olika hårdvaru- och mjukvaruanpassningar än ett som distribueras i en öken.

Slutsats

MicroPython är ett kraftfullt verktyg för utveckling av inbyggda system, som erbjuder en balans mellan användarvänlighet och prestanda. Det är ett utmärkt val för snabb prototypframtagning, utbildningsprojekt och många IoT-applikationer. Genom att förstå grunderna i MicroPython, dess styrkor och dess begränsningar, kan du bygga innovativa och effektiva inbyggda lösningar för en mängd olika applikationer. När MicroPython-ekosystemet fortsätter att växa kan vi förvänta oss att se ännu fler spännande utvecklingar inom detta område.

Omfamna kraften i Python i den inbyggda världen och lås upp nya möjligheter för dina projekt!