“物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)實(shí)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(gè)課程的學(xué)習(xí)筆記，我想用簡潔易懂的步驟來分享一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)建立的過程。

這里課程上有四個(gè) 4 個(gè)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(dòng)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(dòng)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(gè)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(duì)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(shí)會(huì)非常方便。但是 BLE 和 ZigBee 的設(shè)備都有一個(gè)缺點(diǎn)，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(shí)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(shí)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(duì)具體的問題進(jìn)行交流。
這里我們選擇NodeMCU ?；?ESP8266 芯片的版本，Flash 空間有 4MB，自帶 Wi-Fi 功能，而且價(jià)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(shí)候還可以調(diào)用很多庫。
因?yàn)榍度胧接布挠?jì)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(shí)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(shí)現(xiàn)了 Python 語言的一個(gè)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(gè)不同的版本，針對(duì)不同大小的 Flash 存儲(chǔ)空間。我們下載最新的 2M 穩(wěn)定版本（帶 stable 的）就行，因?yàn)?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?cè)陔娔X終端運(yùn)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(yùn)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(shí)別設(shè)備，屏幕上則會(huì)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)?，F(xiàn)在很多電子產(chǎn)品會(huì)隨帶 USB 充電線，但是為了節(jié)約成本，有些 USB 線內(nèi)部實(shí)際上并沒有集成兩根數(shù)據(jù)信號(hào)線。如果使用了這種線，就只能充電，而電腦是識(shí)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(dòng)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(shí)候都是遇到了驅(qū)動(dòng)的問題，一般都要安裝驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(shí)，就說明開發(fā)板已經(jīng)成功識(shí)別。

如果仍然無法正確識(shí)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(chǔ)前面下載固件的目錄中，運(yùn)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(yùn)行起來了。

第四步：確認(rèn)運(yùn)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(yùn)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(diǎn)，如果看到類似 “MicroPython-xxxxxx” 名稱的熱點(diǎn)（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(gè)熱點(diǎn)，就說明開發(fā)板在正常運(yùn)行。
當(dāng)然，對(duì)于 Python 來說，更方便的交互方式還是 REPL （交互式解釋器），這個(gè) MicroPython 也提供了。我們可以通過 REPL 來檢驗(yàn)開發(fā)板的運(yùn)行。
我們還是使用燒錄時(shí)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(shí)候，串口設(shè)備名稱可能會(huì)改變，所以為保險(xiǎn)起見，再次運(yùn)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(shí)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(huì)輸出類似下面的結(jié)果：

看到熟悉的符號(hào) “>>>”，我們就知道，可以真正進(jìn)行交互了。

第五步：體驗(yàn)交互

先用“Hello World”來個(gè)經(jīng)典的打招呼吧。
接著，我們體驗(yàn)一下 MicroPython 控制 LED 燈。因?yàn)殚_發(fā)板 NodeMCU 12F 的 GPIO2 管腳接有一個(gè) LED 燈，你可以輸入下面的代碼，控制它的點(diǎn)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(gè)管腳的高低電平的設(shè)計(jì)可能不同，所以 pin.on() 可能是熄滅 LED 燈；pin.off() 反而是點(diǎn)亮 LED 燈。
部署代碼到開發(fā)板
那么，能不能運(yùn)行一個(gè) Python 代碼文件呢？比如，基于在 REPL 中嘗試的點(diǎn)亮 LED 操作。
我們寫一個(gè)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(shí)現(xiàn)的功能是，控制 LED 燈以 2 秒的間隔，不斷點(diǎn)亮、熄滅。
為了在電路板上運(yùn)行這個(gè) Python 代碼，我們需要做兩件事情：
將代碼段保存到一個(gè)文件中，這個(gè)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(dòng)或者重啟的時(shí)候，就會(huì)自動(dòng)執(zhí)行 main.py 文件中的代碼。
第一點(diǎn)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(gè)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(yùn)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(yùn)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(yùn)行有問題。比如，在電腦終端，嘗試運(yùn)行下面的命令，就會(huì)收到 “could not enter raw repl” 這個(gè)錯(cuò)誤信息。

./pyboard.py -f ls /

這可能是 MacOS 上的串口芯片 CH340 的驅(qū)動(dòng)的問題，它會(huì)在建立串口連接時(shí)，重置 NodeMCU ，導(dǎo)致 enter_raw_repl 函數(shù)無法正常執(zhí)行。
這個(gè)時(shí)候有幾個(gè)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(shí)的方法，來規(guī)避 MacOS 系統(tǒng)上的問題的。所以在使用的時(shí)候，我們需要先設(shè)置一個(gè)環(huán)境變量 —— AMPY_DELAY。延時(shí)的推薦值是 0.5，不過，具體實(shí)踐時(shí)，你需要根據(jù)自己的開發(fā)板的試驗(yàn)情況，靈活調(diào)整這個(gè)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(gè)，可以根據(jù)具體情況設(shè)置：

#設(shè)備名稱請(qǐng)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(shí)戰(zhàn)’–郭朝斌
–筆記只用于學(xué)習(xí)交流，請(qǐng)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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