“物聯網開發實戰”學習筆記-（一）硬體開發環境的搭建

這里的分享是通過自己的整理總結出的一個課程的學習筆記，我想用簡潔易懂的步驟來分享一個物聯網建立的程序，

這里課程上有四個 4 個產品場景
1.可以手機控制的智能電燈
2.可以基于光線自動調節的智能電燈
3.可以語音控制的智能音箱
4.可以基于環境溫濕度和土壤濕度自動澆水的澆花器

不過，在打造這些產品場景之前，我們還需要先搭建好硬體開發環境，以智能電燈為例，去說下這個硬體開發的準備，

通信技術：Wi-Fi

為了能讓手機控制電燈，我們首先要讓電燈接入網路，

選擇WI-FI的原因：

1.從通信速率來看，智能電燈傳輸的資料，包括控制命令和幾種狀態的數值，資料量都非常小，這幾種通信技術都可以滿足要求，
2.從功耗來看，智能電燈是直接連接電線的，不需要電池供電，所以低功耗的 BLE 和 ZigBee 技術不是必須的選擇，功耗相對較高的 Wi-Fi 也可以考慮，
3.從普及度和易用性的角度分析，如果使用 BLE，設備與手機的互動確實會非常方便，但是 BLE 和 ZigBee 的設備都有一個缺點，就是需要搭配專有的網關才能連接互聯網，這在部署和使用的時候都比較麻煩，所以，我們選擇 Wi-Fi 作為智能電燈的通信方式，

開發板：NodeMCU

選擇開源硬體的開發板的原因，

1.硬體、軟體的各種技術實作是公開的，方便分析問題，也方便后期轉化為量產的產品；
2.有社區氛圍，使用的人比較多，大家可以針對具體的問題進行交流，
這里我們選擇NodeMCU ，基于 ESP8266 芯片的版本，Flash 空間有 4MB，自帶 Wi-Fi 功能，而且價格便宜，在國內外都非常流行，我在某多上買的10塊錢，

開發語言：Python

相比于C語言， Python 語言顯得更為簡單，必要的時候還可以呼叫很多庫，
因為嵌入式硬體的計算資源都非常有限，我們使用的是專門為嵌入式系統打造的 MicroPython 它完整實作了 Python3.4 的語言特性，部分支持 Python3.5 的特性，在標準庫方面MicroPython 實作了 Python 語言的一個子集，另外還增加了與底層硬體互動的庫模塊，

搭建 MicroPython 開發環境

接下來就來把 MicroPython 部署到 NodeMCU 開發板上，準備好開發環境，

第一步：準備韌體檔案

首先，我們需要為 NodeMCU 準備好 MicroPython 韌體檔案，MicroPython 官方已經為 ESP8266 芯片準備了現成的韌體
MicroPython 的韌體分為 2M、1M 和 512K 三個不同的版本，針對不同大小的 Flash 存盤空間，我們下載最新的 2M 穩定版本（帶 stable 的）就行，因為 NodeMCU 開發板的 Flash 空間是足夠的，

第二步：安裝燒錄工具

然后，我們使用一根 USB 資料線，將 NodeMCU 開發板和電腦連接起來，
接著，我們在電腦終端運行下面的命令，安裝用來燒錄的工具 esptool ：

pip install esptool

esptool 安裝完成后，你可以運行 esptool.py read_mac 命令，確認 NodeMCU 板子是否連接成功，連接成功后的螢屏顯示是這樣的：

如果連接不成功，或者沒有正確識別設備，螢屏上則會出現下面的結果：

不行的原因

1.檢查一下使用的 USB 線能否傳輸資料，現在很多電子產品會隨帶 USB 充電線，但是為了節約成本，有些 USB 線內部實際上并沒有集成兩根資料信號線，如果使用了這種線，就只能充電，而電腦是識別不出設備的，
另外，注意我們使用的資料線，一頭是 USB-A 介面，另一頭是 Micro-USB 介面，USB 的介面規格繁多，我在這里放了一張圖，方便你區分，

2.驅動檔案有沒有安裝好，
如果你跟我一樣，用的是 macOS 系統，可以在電腦的終端上輸入 ls /dev/cu* 命令，查看是否有類似 /dev/cu.wchusbserialxxxxx 名字的設備檔案，
如果你使用 Windows 系統，那么需要查看一下“設備管理器”，看看“埠（COM 和 LPT）”下面，有沒有 COM* 結尾的設備，我在一開始完單片機和Arduino的時候都是遇到了驅動的問題，一般都要安裝驅動CH340就解決了，
如果沒有，可以參考這篇文章，下載相應的驅動檔案安裝，
當你在終端看到類似下面的結果，或者在 Windows 的設備管理器中看到 COM* 設備時，就說明開發板已經成功識別，

如果仍然無法正確識別，可以到一些論壇去交流，比如安信可的官方論壇，

第三步：燒錄韌體

接下來我們燒錄韌體，在這之前，我們需要先輸入下面命令，擦除 Flash 芯片：

#注意設備名稱替換為你電腦上的名稱
esptool.py --port /dev/cu.wchusbserial14230 erase_flash

擦除成功后，我們進入存盤前面下載韌體的目錄中，運行下面的命令，將韌體檔案燒錄到開發板的 Flash 中：

#注意設備名稱替換為你電腦上的名稱，韌體檔案名稱做類似修改
esptool.py --port /dev/cu.wchusbserial14230 --baud 460800 write_flash --flash_size=detect 0 esp8266-20200911-v1.13.bin

燒錄成功后，MicroPython 已經在你的開發板上運行起來了，

第四步：確認運行狀態

但是開發板跟電腦不一樣，是沒有顯示屏的，我們要怎么確認它的運行狀態呢？
有一種非常簡便的方法，你可以用電腦或者手機搜索一下周圍的 Wi-Fi 熱點，如果看到類似 “MicroPython-xxxxxx” 名稱的熱點（xxxxxx 是開發板 MAC 地址后半部分），說明你的 NodeMCU 作業正常，比如開發板 MAC 地址是“40:f5:20:07:3b:52”，如果看到了“MicroPython-073b52”這個熱點，就說明開發板在正常運行，
當然，對于 Python 來說，更方便的互動方式還是 REPL （互動式解釋器），這個 MicroPython 也提供了，我們可以通過 REPL 來檢驗開發板的運行，
我們還是使用燒錄時用到的 USB 線連接開發板和電腦，在 MacOS 電腦上，重新連接開發板的時候，串口設備名稱可能會改變，所以為保險起見，再次運行命令：

ls /dev/cu*

獲得串口設備名稱之后，我們可以使用終端模擬器軟體，比如 SecureCRT，通過串口協議連接上開發板，進行互動，
需要注意的是，波特率（Baud rate）設定為 115200，這與前面燒錄時選擇的值不同，

如果你使用 Windows 作業系統，那么 PuTTY 更加流行，當然，建立連接的引數設定都是類似的，
成功連接后，SecureCRT 的視窗會輸出類似下面的結果：

看到熟悉的符號 “>>>”，我們就知道，可以真正進行互動了，

第五步：體驗互動

先用“Hello World”來個經典的打招呼吧，
接著，我們體驗一下 MicroPython 控制 LED 燈，因為開發板 NodeMCU 12F 的 GPIO2 管腳接有一個 LED 燈，你可以輸入下面的代碼，控制它的點亮和熄滅，

>>> print("Hello World from MicroPython!")
Hello World from MicroPython!
>>> import machine
>>> pin = machine.Pin(2, machine.Pin.OUT)
>>> pin.off()
>>> pin.on()

需要注意的是，不同的板子上，這個管腳的高低電平的設計可能不同，所以 pin.on() 可能是熄滅 LED 燈；pin.off() 反而是點亮 LED 燈，
部署代碼到開發板
那么，能不能運行一個 Python 代碼檔案呢？比如，基于在 REPL 中嘗試的點亮 LED 操作，
我們寫一個代碼段：

import machine
import time
#指明 GPIO2 管腳
pin = machine.Pin(2, machine.Pin.OUT)
#回圈執行
while True:
    time.sleep(2)   # 等待 2 秒
    pin.on()        # 控制 LED 狀態
    time.sleep(2)   # 等待 2 秒
    pin.off()       # 切換 LED 狀

這段代碼實作的功能是，控制 LED 燈以 2 秒的間隔，不斷點亮、熄滅，
為了在電路板上運行這個 Python 代碼，我們需要做兩件事情：
將代碼段保存到一個檔案中，這個檔案的名字必須是 main.py，
將代碼檔案 main.py 放到開發板的檔案系統中，而且是根目錄，
這樣，當開發板啟動或者重啟的時候，就會自動執行 main.py 檔案中的代碼，
第一點我們可以很容易做到，但是，怎么把代碼檔案上傳到開發板上呢？
MicroPython 的官方提供了一個工具pyboard.py，它也是基于串口連接與開發板通信的，你可以使用它操作開發板上的檔案系統，比如常用的拷貝檔案、創建檔案夾、洗掉等功能，甚至可以將電腦上的代碼檔案加載到記憶體中，直接運行，這非常便于你在開發程序中，進行代碼的除錯，
下載 pyboard.py 的源檔案到電腦后，你可以運行下面的命令，將 main.py 檔案部署到你的開發板：

#設定環境變數，指明串口設備
export PYBOARD_DEVICE=/dev/cu.wchusbserial14220
#拷貝當前目錄下的 main.py 到開發板
./pyboard.py cp main.py :

不過，pyboard.py 在 MacOS 系統上運行有問題，比如，在電腦終端，嘗試運行下面的命令，就會收到 “could not enter raw repl” 這個錯誤資訊，

./pyboard.py -f ls /

這可能是 MacOS 上的串口芯片 CH340 的驅動的問題，它會在建立串口連接時，重置 NodeMCU ，導致 enter_raw_repl 函式無法正常執行，
這個時候有幾個解決方案
使用 AdaFruit MicroPython tool —— ampy，安裝程序可以打開鏈接了解，我就不展開了，一般情況下，你可以用下面的命令完成安裝：

pip install adafruit-ampy
# ---或者---
pip3 install adafruit-ampy

ampy 是通過增加延時的方法，來規避 MacOS 系統上的問題的，所以在使用的時候，我們需要先設定一個環境變數 —— AMPY_DELAY，延時的推薦值是 0.5，不過，具體實踐時，你需要根據自己的開發板的試驗情況，靈活調整這個數值，

export AMPY_DELAY=0.5

我們可以在終端中輸入上面的指令，也可以將它加入到 .bashrc 或 .zshrc 等組態檔中，避免每次都要重復輸入，
使用 ampy 的程序中，常用的環境變數還有下面兩個，可以根據具體情況設定：

#設備名稱請根據你的情況修改
export AMPY_PORT=/dev/cu.wchusbserial14220
#串口通信的波特率   
export AMPY_BAUD=115200

然后，輸入下面的命令，就把代碼部署到開發板上了，

ampy put main.py

學習筆記總結自‘物聯網開發實戰’–郭朝斌
–筆記只用于學習交流，請不要用于商業用途，