Python Embedded Tizimlar: MicroPython Implementatsiyasiga Chuqur Sho'ng'ish

O'rnatilgan tizimlar hamma joyda, qo'limizdagi aqlli soatlardan tortib, avtomobillar va sanoat mashinalaridagi murakkab boshqaruv tizimlarigacha. O'zining o'qilishi va ko'p qirraliligi bilan tanilgan Python, MicroPython tufayli o'rnatilgan dunyoda tobora ko'proq o'z o'rnini topmoqda.

O'rnatilgan tizimlar nima?

O'rnatilgan tizim - bu ma'lum bir funktsiya yoki funktsiyalar to'plami uchun mo'ljallangan maxsus kompyuter tizimi. Umumiy maqsadli kompyuterlardan (noutbuk yoki ish stoli kabi) farqli o'laroq, o'rnatilgan tizimlar odatda kichik, samarali va ishonchli bo'lishi uchun mo'ljallangan. Ular ko'pincha real vaqt rejimida ishlaydi, ya'ni ular qat'iy vaqt cheklovlari ichida hodisalarga javob berishlari kerak.

O'rnatilgan tizimlarning asosiy xususiyatlari:

• Maxsus funktsiya: ma'lum bir vazifa uchun mo'ljallangan.
• Real vaqt rejimi: ma'lum vaqt oralig'ida hodisalarga javob berishi kerak.
• Resurs cheklovlari: cheklangan ishlov berish quvvati, xotira va energiya.
• Ishonchlilik: turli sharoitlarda ishonchli ishlashi kerak.

Nega Python o'rnatilgan tizimlarda?

An'anaga ko'ra, o'rnatilgan tizimlarni dasturlashda C va C++ ustunlik qilgan. Ushbu tillar apparat ustidan mukammal ishlash va nazoratni taklif qilsa-da, ular bilan ishlab chiqish murakkab va vaqt talab qilishi mumkin. Python, xususan, MicroPython bir nechta afzalliklarni taqdim etadi:

• Tez rivojlanish: Pythonning aniq sintaksisi va keng kutubxonalari ishlab chiqish vaqtini sezilarli darajada qisqartiradi.
• O'qilishi: Python kodini o'qish va tushunish osonroq, bu esa texnik xizmat ko'rsatish va disk raskadrovka qilishni osonlashtiradi.
• Platformalararo muvofiqlik: MicroPython turli mikrokontroller platformalarida ishlaydi.
• Katta hamjamiyatni qo'llab-quvvatlash: Python hamjamiyati ishlab chiquvchilar uchun keng resurslar va yordamni taqdim etadi.

MicroPython bilan tanishish

MicroPython - bu mikrokontrollerlarda va cheklangan muhitda ishlash uchun optimallashtirilgan Python 3 dasturlash tilining ixcham va samarali amalga oshirilishi. U Python standart kutubxonasining kichik bir qismini o'z ichiga oladi va standart Python bilan imkon qadar mos bo'lishi uchun mo'ljallangan. Bu shuni anglatadiki, ko'plab Python ko'nikmalari va kutubxonalari to'g'ridan-to'g'ri o'rnatilgan tizimlarni ishlab chiqishga qo'llanilishi mumkin.

MicroPython-ning asosiy xususiyatlari:

• Python 3 muvofiqligi: Asosan Python 3 sintaksisi bilan mos keladi.
• Kichik iz: Cheklangan resurslarga ega mikrokontrollerlarda ishlash uchun mo'ljallangan.
• Interaktiv REPL: Interaktiv dasturlash va disk raskadrovka uchun Read-Eval-Print Loop (REPL) ni taqdim etadi.
• O'rnatilgan modullar: GPIO, I2C, SPI va UART kabi apparat periferik qurilmalariga kirish uchun modullarni o'z ichiga oladi.

MicroPython uchun apparat platformalari

MicroPython mikrokontroller platformalarining keng doirasini qo'llab-quvvatlaydi. Mana eng mashhur variantlardan ba'zilari:

ESP32

ESP32 - bu Wi-Fi va Bluetooth imkoniyatlariga ega arzon, kam quvvatli tizim-on-a-chip (SoC) seriyasi. U o'zining integratsiyalashgan simsiz ulanishi va kuchli ishlov berish imkoniyatlari tufayli IoT ilovalari uchun mashhur tanlovdir.

Asosiy xususiyatlar:

• Ikkita yadroli protsessor
• Wi-Fi va Bluetooth ulanishi
• Keng GPIO pinlari
• Kam quvvat iste'moli

Ilova namunasi: Harorat, namlik va yorug'lik darajasini yig'adigan va ma'lumotlarni simsiz markaziy serverga uzatadigan aqlli uy sensor tarmog'i.

Raspberry Pi Pico

Raspberry Pi Pico - bu Raspberry Pi Foundation tomonidan ishlab chiqilgan arzon mikrokontroller platasi. Unda yuqori ishlash va kam quvvat iste'moli uchun mo'ljallangan RP2040 mikrokontroller chipi mavjud.

Asosiy xususiyatlar:

• RP2040 mikrokontroller chipi
• Ikkita yadroli Arm Cortex-M0+ protsessori
• 264KB SRAM
• Dasturlashtiriladigan I/O (PIO)

Ilova namunasi: Raspberry Pi Pico tomonidan yaratilgan PWM signallari yordamida robot qo'lini boshqarish.

STM32 Platalari

STM32 mikrokontrollerlari o'zlarining keng xususiyatlari, ishlashi va kam quvvat iste'moli tufayli o'rnatilgan tizimlar uchun mashhur tanlovdir. MicroPython ko'plab STM32 platalarida qo'llab-quvvatlanadi.

Asosiy xususiyatlar:

• Turli xil ARM Cortex-M yadrolari (M0, M3, M4, M7)
• Keng periferik qurilmalar (ADC, DAC, Taymerlar, Aloqa interfeyslari)
• Kam quvvat rejimlari

Ilova namunasi: Turli sensorlar va aktuatorlarni kuzatuvchi va boshqaruvchi sanoatni boshqarish tizimi.

MicroPython muhitingizni sozlash

MicroPython bilan ishlab chiqishni boshlash uchun siz o'z ishlab chiqish muhitingizni o'rnatishingiz kerak. Mana shu jarayonda ishtirok etadigan bosqichlarning umumiy rejasi:

1. MicroPython Firmware o'rnating: MicroPython veb-saytidan yoki taxta ishlab chiqaruvchisining veb-saytidan maqsadli taxtangiz uchun mos firmwareni yuklab oling.
2. Firmwareni yoritish: Firmwareni taxtaga yoritish uchun `esptool.py` (ESP32 uchun) yoki Raspberry Pi Pico-ning yuklagichi kabi vositadan foydalaning.
3. Taxtaga ulanish: Serial terminal dasturi (masalan, PuTTY, Tera Term yoki ekran) yordamida taxtaga ulaning.
4. Kod muharriridan foydalaning: Kodingizni yozish va yuklash uchun MicroPython kengaytmasi yoki Thonny IDE bilan VS Code kabi kod muharriridan foydalaning.

Misol: ESP32-da MicroPython-ni sozlash

Avval esptool.py o'rnatishingiz kerak:

            pip install esptool

            

              
                Copy
              
            
          

Keyin MicroPython veb-saytidan ESP32 uchun eng so'nggi MicroPython firmwareni yuklab oling. Nihoyat, firmwareni yoritish:

            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
              
            
          

`/dev/ttyUSB0` ni ESP32-ning haqiqiy ketma-ket porti va `esp32-idf4-20230426-v1.19.1.bin` ni yuklab olingan firmware faylining nomi bilan almashtiring.

Asosiy MicroPython dasturlash

Keling, ba'zi asosiy MicroPython dasturlash tushunchalarini ko'rib chiqaylik.

LEDni miltillatish

Bu o'rnatilgan tizimlarning "Salom, Dunyo!" versiyasi. ESP32-dagi GPIO piniga ulangan LEDni qanday miltillatish kerak:

            from machine import Pin
import time

led = Pin(2, Pin.OUT)  # LED GPIO 2 piniga ulangan deb faraz qilamiz

while True:
 led.value(1)  # LEDni yoqing
 time.sleep(0.5)
 led.value(0)  # LEDni o'chiring
 time.sleep(0.5)

            

              
                Copy
              
            
          

Ushbu kod `machine` modulidan `Pin` sinfini va `time` modulini import qiladi. Keyin u GPIO 2 piniga ulangan LEDni ifodalovchi `Pin` ob'ektini yaratadi. `while` sikli LEDni 0,5 soniya kechikish bilan doimiy ravishda yoqadi va o'chiradi.

Sensor ma'lumotlarini o'qish

Mana ESP32-ga ulangan DHT11 harorat va namlik sensordan ma'lumotlarni qanday o'qish mumkin:

            import dht
from machine import Pin
import time

d = dht.DHT11(Pin(4)) # DHT11 GPIO 4 piniga ulangan deb faraz qilamiz

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) # O'qishlar orasidagi kechikish

            

              
                Copy
              
            
          

Ushbu kod `dht` modulini, `machine` modulidan `Pin` sinfini va `time` modulini import qiladi. U GPIO 4 piniga ulangan sensorni ifodalovchi `DHT11` ob'ektini yaratadi. `while` sikli sensordan harorat va namlikni doimiy ravishda o'qiydi va qiymatlarni serial konsolga chop etadi.

Ilg'or MicroPython usullari

Uzilishlar

Uzilishlar sizning mikrokontrolleringizga o'zgarishlarni doimiy ravishda so'ramasdan, tashqi hodisalarga real vaqt rejimida javob berishga imkon beradi. Ular sezgir va samarali o'rnatilgan tizimlarni yaratish uchun juda muhimdir.

            from machine import Pin
import time

led = Pin(2, Pin.OUT)
button = Pin(0, Pin.IN, Pin.PULL_UP)  # Tugma GPIO 0 piniga ulangan va tortish rezistoriga ega deb faraz qilamiz


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
              
            
          

Ushbu kod GPIO 0 pinida (tugmaga ulangan) uzilishni o'rnatadi. Tugma bosilganda (tushuvchi qirra), `button_isr` funktsiyasi chaqiriladi, u GPIO 2 piniga ulangan LEDning holatini o'zgartiradi.

Tarmoq

MicroPython tarmoqlarga ulanishni nisbatan osonlashtiradi (ayniqsa, ESP32-ning o'rnatilgan Wi-Fi bilan). Bu IoT ilovalari uchun imkoniyatlar dunyosini ochadi.

            import network
import time

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

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

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

            

              
                Copy
              
            
          

`YOUR_WIFI_SSID` va `YOUR_WIFI_PASSWORD` ni haqiqiy Wi-Fi ma'lumotlaringiz bilan almashtiring. Ushbu kod ESP32-ni Wi-Fi tarmog'iga ulaydi va IP manzilini chop etadi.

Havo orqali (OTA) yangilanishlari

OTA yangilanishlari sizga o'rnatilgan qurilmalarning firmwareni jismoniy kirish imkoniyatisiz, masofadan turib yangilashga imkon beradi. Bu joylashtirilgan qurilmalarga texnik xizmat ko'rsatish va takomillashtirish uchun juda muhimdir.

OTA yangilanishlarini amalga oshirish yangi firmwareni joylashtirish uchun serverni va qurilmaning yangilanishni yuklab olish va o'rnatish mexanizmini o'z ichiga olgan yanada murakkab sozlashni talab qiladi. Bir nechta kutubxonalar va ramkalar ushbu jarayonni soddalashtiradi. Boshlash nuqtasi sifatida GitHub-dagi `micropython-ota-updater` kabi kutubxonalardan foydalanishni o'ylab ko'ring.

MicroPython-ning haqiqiy dunyo ilovalari

MicroPython ilovalarning keng doirasida qo'llanilmoqda, jumladan:

• IoT Qurilmalari: Aqlli uy qurilmalari, atrof-muhit sensorlari va aktivlarni kuzatish tizimlari.
• Robototexnika: Robot qo'llarini, avtonom transport vositalarini va dronlarni boshqarish.
• Kiyiladigan texnologiya: Aqlli soatlar, fitnes trekerlari va tibbiy qurilmalar.
• Sanoat avtomatlashtirish: Sanoat jarayonlarini kuzatish va boshqarish.
• Ta'lim: Talabalarga dasturlash va elektronikani o'rgatish. MicroPython butun dunyo bo'ylab ko'plab STEM ta'lim dasturlarida tanlangan tilga aylanmoqda.

MicroPython-dan foydalanishning afzalliklari va qiyinchiliklari

Afzalliklari:

• Tezroq ishlab chiqish: Pythonning soddaligi ishlab chiqish jarayonini tezlashtiradi.
• O'rganish osonroq: Pythonning o'qiladigan sintaksisi boshlang'ichlar uchun o'rnatilgan dasturlashni o'rganishni osonlashtiradi.
• Qisqartirilgan kod hajmi: MicroPython-ning samarali amalga oshirilishi kod hajmini qisqartiradi, bu resurs cheklangan qurilmalar uchun muhimdir.
• Interaktiv disk raskadrovka: REPL interaktiv disk raskadrovka qilish imkonini beradi, bu esa xatolarni aniqlash va tuzatishni osonlashtiradi.

Qiyinchiliklar:

• Ishlash cheklovlari: Python - bu talqin qilinadigan til, u C va C++ kabi kompilyatsiya qilingan tillarga qaraganda sekinroq bo'lishi mumkin.
• Xotira cheklovlari: Mikrokontrollerlar cheklangan xotiraga ega, shuning uchun xotiradan foydalanishni kamaytirish uchun kodingizni optimallashtirish muhim.
• Cheklangan kutubxonani qo'llab-quvvatlash: MicroPython-ning standart kutubxonasi standart Python-nikiga qaraganda kichikroq, shuning uchun siz muqobil kutubxonalarni topishingiz yoki ma'lum vazifalar uchun o'z kodingizni yozishingiz kerak bo'lishi mumkin.
• Real vaqt cheklovlari: MicroPython-ni real vaqt rejimida ilovalarda ishlatish mumkin bo'lsa-da, u juda qat'iy vaqt talablari bo'lgan ilovalar uchun mos bo'lmasligi mumkin.

MicroPython-ni ishlab chiqish uchun eng yaxshi amaliyotlar

• Kodingizni optimallashtiring: Xotiradan foydalanishni kamaytirish va ishlashni yaxshilash uchun samarali algoritmlar va ma'lumotlar tuzilmalaridan foydalaning.
• O'rnatilgan modullardan foydalaning: Apparat periferik qurilmalariga kirish uchun MicroPython-ning o'rnatilgan modullaridan foydalaning.
• Xotirani ehtiyotkorlik bilan boshqaring: Keraksiz ob'ektlarni yaratishdan saqlaning va keraksiz bo'lganda xotirani bo'shating.
• Sinovdan o'tkazing: Kodingizning to'g'ri ishlashini ta'minlash uchun maqsadli apparatda sinovdan o'tkazing.
• Kodingizni hujjatlashtiring: Kodingizni tushuntirish va unga texnik xizmat ko'rsatishni osonlashtirish uchun aniq va ixcham sharhlar yozing.

Global nuqtai nazar: MicroPython yechimlarini moslashtirish

MicroPython yechimlarini global miqyosda joylashtirganda, quyidagilarni hisobga oling:

• Ulanish: Turli mintaqalarda tarmoqqa ulanish darajasi har xil. Qurilmangiz mavjud tarmoqlarga (Wi-Fi, uyali aloqa, LoRaWAN va boshqalar) ulanishi mumkinligiga ishonch hosil qiling.
• Quvvat: Quvvat tarmoqlari butun dunyo bo'ylab farqlanadi. Qurilmangizni turli kuchlanish darajalari va chastotalari bilan ishlash uchun mo'ljallang. Ishonchsiz quvvatga ega bo'lgan hududlar uchun batareya yoki quyosh batareyasi variantlarini ko'rib chiqing.
• Mahalliylashtirish: Agar mavjud bo'lsa, foydalanuvchi interfeysingizni turli tillar va mintaqaviy sozlamalarga moslashtiring.
• Qoidalar: Simsiz aloqa, ma'lumotlar maxfiyligi va mahsulot xavfsizligi bo'yicha mahalliy qoidalardan xabardor bo'ling.
• Xavfsizlik: Qurilmangiz va ma'lumotlaringizni ruxsatsiz kirishdan himoya qilish uchun mustahkam xavfsizlik choralarini amalga oshiring.

Masalan, MicroPython yordamida aqlli qishloq xo'jaligi yechimi turli mintaqalarda turli iqlim sharoitlari, tuproq turlari va dehqonchilik usullarini hisobga olishi kerak bo'lishi mumkin. Tropik o'rmonda joylashtirilgan sensor tarmog'i cho'lda joylashtirilgan sensor tarmog'iga qaraganda boshqacha apparat va dasturiy ta'minot moslashuvlarini talab qiladi.

Xulosa

MicroPython - bu o'rnatilgan tizimlarni ishlab chiqish uchun kuchli vosita bo'lib, foydalanish qulayligi va ishlashning muvozanatini taklif etadi. Bu tez prototiplash, ta'lim loyihalari va ko'plab IoT ilovalari uchun ajoyib tanlovdir. MicroPython asoslarini, uning kuchli va cheklangan tomonlarini tushunib, siz ilovalarning keng doirasi uchun innovatsion va samarali o'rnatilgan echimlarni yaratishingiz mumkin. MicroPython ekotizimi o'sishda davom etar ekan, biz ushbu sohada yanada hayajonli o'zgarishlarni ko'rishimiz mumkin.

O'rnatilgan dunyoda Python kuchini qabul qiling va loyihalaringiz uchun yangi imkoniyatlarni oching!