“物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)實戰(zhàn)”學(xué)習(xí)筆記-（一）硬件開發(fā)環(huán)境的搭建

這里的分享是通過自己的整理總結(jié)出的一個課程的學(xué)習(xí)筆記，我想用簡潔易懂的步驟來分享一個物聯(lián)網(wǎng)建立的過程。

這里課程上有四個 4 個產(chǎn)品場景
1.可以手機(jī)控制的智能電燈
2.可以基于光線自動調(diào)節(jié)的智能電燈
3.可以語音控制的智能音箱
4.可以基于環(huán)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(chǎn)品場景之前，我們還需要先搭建好硬件開發(fā)環(huán)境。以智能電燈為例，去說下這個硬件開發(fā)的準(zhǔn)備。

通信技術(shù)：Wi-Fi

為了能讓手機(jī)控制電燈，我們首先要讓電燈接入網(wǎng)絡(luò)。

選擇WI-FI的原因：

1.從通信速率來看，智能電燈傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，包括控制命令和幾種狀態(tài)的數(shù)值，數(shù)據(jù)量都非常小，這幾種通信技術(shù)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(shù)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(shè)備與手機(jī)的交互確實會非常方便。但是 BLE 和 ZigBee 的設(shè)備都有一個缺點，就是需要搭配專有的網(wǎng)關(guān)才能連接互聯(lián)網(wǎng)，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(fā)板：NodeMCU

選擇開源硬件的開發(fā)板的原因。

1.硬件、軟件的各種技術(shù)實現(xiàn)是公開的，方便分析問題，也方便后期轉(zhuǎn)化為量產(chǎn)的產(chǎn)品；
2.有社區(qū)氛圍，使用的人比較多，大家可以針對具體的問題進(jìn)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(nèi)外都非常流行。我在某多上買的10塊錢。

開發(fā)語言：Python

相比于C語言， Python 語言顯得更為簡單，必要的時候還可以調(diào)用很多庫。
因為嵌入式硬件的計算資源都非常有限，我們使用的是專門為嵌入式系統(tǒng)打造的 MicroPython 它完整實現(xiàn)了 Python3.4 的語言特性，部分支持 Python3.5 的特性。在標(biāo)準(zhǔn)庫方面MicroPython 實現(xiàn)了 Python 語言的一個子集，另外還增加了與底層硬件交互的庫模塊。

搭建 MicroPython 開發(fā)環(huán)境

接下來就來把 MicroPython 部署到 NodeMCU 開發(fā)板上，準(zhǔn)備好開發(fā)環(huán)境。

第一步：準(zhǔn)備固件文件

首先，我們需要為 NodeMCU 準(zhǔn)備好 MicroPython 固件文件。MicroPython 官方已經(jīng)為 ESP8266 芯片準(zhǔn)備了現(xiàn)成的固件
MicroPython 的固件分為 2M、1M 和 512K 三個不同的版本，針對不同大小的 Flash 存儲空間。我們下載最新的 2M 穩(wěn)定版本（帶 stable 的）就行，因為 NodeMCU 開發(fā)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 數(shù)據(jù)線，將 NodeMCU 開發(fā)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(rèn) NodeMCU 板子是否連接成功。連接成功后的屏幕顯示是這樣的：

如果連接不成功，或者沒有正確識別設(shè)備，屏幕上則會出現(xiàn)下面的結(jié)果：

不行的原因

1.檢查一下使用的 USB 線能否傳輸數(shù)據(jù)。現(xiàn)在很多電子產(chǎn)品會隨帶 USB 充電線，但是為了節(jié)約成本，有些 USB 線內(nèi)部實際上并沒有集成兩根數(shù)據(jù)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(shè)備的。
另外，注意我們使用的數(shù)據(jù)線，一頭是 USB-A 接口，另一頭是 Micro-USB 接口。USB 的接口規(guī)格繁多，我在這里放了一張圖，方便你區(qū)分。

2.驅(qū)動文件有沒有安裝好。
如果你跟我一樣，用的是 macOS 系統(tǒng)，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(shè)備文件。
如果你使用 Windows 系統(tǒng)，那么需要查看一下“設(shè)備管理器”，看看“端口（COM 和 LPT）”下面，有沒有 COM* 結(jié)尾的設(shè)備。我在一開始完單片機(jī)和Arduino的時候都是遇到了驅(qū)動的問題，一般都要安裝驅(qū)動CH340就解決了。
如果沒有，可以參考這篇文章，下載相應(yīng)的驅(qū)動文件安裝。
當(dāng)你在終端看到類似下面的結(jié)果，或者在 Windows 的設(shè)備管理器中看到 COM* 設(shè)備時，就說明開發(fā)板已經(jīng)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：燒錄固件

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

#注意設(shè)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(jìn)入存儲前面下載固件的目錄中，運行下面的命令，將固件文件燒錄到開發(fā)板的 Flash 中：

#注意設(shè)備名稱替換為你電腦上的名稱，固件文件名稱做類似修改 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(jīng)在你的開發(fā)板上運行起來了。

第四步：確認(rèn)運行狀態(tài)

但是開發(fā)板跟電腦不一樣，是沒有顯示屏的，我們要怎么確認(rèn)它的運行狀態(tài)呢？
有一種非常簡便的方法，你可以用電腦或者手機(jī)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(fā)板 MAC 地址后半部分），說明你的 NodeMCU 工作正常。比如開發(fā)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(fā)板在正常運行。
當(dāng)然，對于 Python 來說，更方便的交互方式還是 REPL （交互式解釋器），這個 MicroPython 也提供了。我們可以通過 REPL 來檢驗開發(fā)板的運行。
我們還是使用燒錄時用到的 USB 線連接開發(fā)板和電腦。在 MacOS 電腦上，重新連接開發(fā)板的時候，串口設(shè)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(shè)備名稱之后，我們可以使用終端模擬器軟件，比如 SecureCRT，通過串口協(xié)議連接上開發(fā)板，進(jìn)行交互。
需要注意的是，波特率（Baud rate）設(shè)置為 115200，這與前面燒錄時選擇的值不同。

如果你使用 Windows 操作系統(tǒng)，那么 PuTTY 更加流行。當(dāng)然，建立連接的參數(shù)設(shè)置都是類似的。
成功連接后，SecureCRT 的窗口會輸出類似下面的結(jié)果：

看到熟悉的符號 “>>>”，我們就知道，可以真正進(jìn)行交互了。

第五步：體驗交互

先用“Hello World”來個經(jīng)典的打招呼吧。
接著，我們體驗一下 MicroPython 控制 LED 燈。因為開發(fā)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(shè)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(fā)板
那么，能不能運行一個 Python 代碼文件呢？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) #循環(huán)執(zhí)行 while True:time.sleep(2) # 等待 2 秒pin.on() # 控制 LED 狀態(tài)time.sleep(2) # 等待 2 秒pin.off() # 切換 LED 狀

這段代碼實現(xiàn)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文件中，這個文件的名字必須是 main.py。
將代碼文件 main.py 放到開發(fā)板的文件系統(tǒng)中，而且是根目錄。
這樣，當(dāng)開發(fā)板啟動或者重啟的時候，就會自動執(zhí)行 main.py 文件中的代碼。
第一點我們可以很容易做到。但是，怎么把代碼文件上傳到開發(fā)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(fā)板通信的。你可以使用它操作開發(fā)板上的文件系統(tǒng)，比如常用的拷貝文件、創(chuàng)建文件夾、刪除等功能，甚至可以將電腦上的代碼文件加載到內(nèi)存中，直接運行。這非常便于你在開發(fā)過程中，進(jìn)行代碼的調(diào)試。
下載 pyboard.py 的源文件到電腦后，你可以運行下面的命令，將 main.py 文件部署到你的開發(fā)板：

#設(shè)置環(huán)境變量，指明串口設(shè)備 export PYBOARD_DEVICE=/dev/cu.wchusbserial14220 #拷貝當(dāng)前目錄下的 main.py 到開發(fā)板 ./pyboard.py cp main.py :

不過，pyboard.py 在 MacOS 系統(tǒng)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” 這個錯誤信息。

./pyboard.py -f ls /

這可能是 MacOS 上的串口芯片 CH340 的驅(qū)動的問題，它會在建立串口連接時，重置 NodeMCU ，導(dǎo)致 enter_raw_repl 函數(shù)無法正常執(zhí)行。
這個時候有幾個解決方案
使用 AdaFruit MicroPython tool —— ampy。安裝過程可以打開鏈接了解，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(guī)避 MacOS 系統(tǒng)上的問題的。所以在使用的時候，我們需要先設(shè)置一個環(huán)境變量 —— AMPY_DELAY。延時的推薦值是 0.5，不過，具體實踐時，你需要根據(jù)自己的開發(fā)板的試驗情況，靈活調(diào)整這個數(shù)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 等配置文件中，避免每次都要重復(fù)輸入。
使用 ampy 的過程中，常用的環(huán)境變量還有下面兩個，可以根據(jù)具體情況設(shè)置：

#設(shè)備名稱請根據(jù)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(fā)板上了。

ampy put main.py

學(xué)習(xí)筆記總結(jié)自‘物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)實戰(zhàn)’–郭朝斌
–筆記只用于學(xué)習(xí)交流，請不要用于商業(yè)用途。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的“物联网开发实战”学习笔记-（一）硬件开发环境的搭建的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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