MicroPython (na ESP8266/NodeMCU) #

(Tato lekce bohužel, na rozdíl od předchozích, nejde jen tak vyzkoušet z domu – je potřeba speciální hardware.)

Dnes si ukážeme, jak lze Python použít na malých/vestavěných zařízeních.

Před sebou byste měli mít:

vývojovou desku NodeMCU,
modrou LED,
pásek s RGB LED moduly,
několik drátků,
malé nepájivé pole.

Přichystejte si MicroUSB kabel. Pokud nemáte vlastní, několik jich můžeme zapůjčit.

Obsah lekce vychází z tutoriálů pro PyLadies (a, b), na které se můžete podívat, pokud tu bude něco vysvětleno příliš rychle.

Popis desky #

V posledních letech se dá za relativně málo peněz pořídit počítač dost „velký” na to, aby se na něm dal spustit MicroPython – speciální implementace Pythonu pro prostředí s omezenou pamětí. NodeMCU, které budeme používat my, obsahuje čip ESP8266, čip navržený jako ovladač WiFi k vestavěným systémům (např. k Arduinu). Kromě samotného čipu a flash paměti, které se skrývají v oplechované krabičce, je na desce převodník napětí z 5 V (USB) na 3,3 V a datový převodník z USB na sériový protokol a jednotlivé piny procesoru jsou vyvedeny na „nožičky” desky.

V paměti je už nahraný firmware MicroPython; pojďme se k němu připojit.

Drivery a připojení #

Postup připojení je jiný pro každý systém:

Linux: Driver už je nainstalovaný; nainstalujte picocom, přidejte se do skupiny jako dialout (Fedora, nové Ubuntu) nebo uucp (Arch, některý Debian) (správnou skupinu zjistíte pomocí ls -l /dev/ttyUSB0) a zadejte picocom -b 115200 --flow n /dev/ttyUSB0.
Windows: Připojte se pomocí PuTTY (putty.exe). Nastavení:
- Session:Connection Type: Serial
- Serial/Serial line: COM port (najdeš ve správci zařízení)
- Serial/Speed: 115200
- Serial/Flow Control: None
Mac: screen /dev/tty.wchusbserial1420 115200

Kdyby byly pro Windows či Mac potřeba ovladače, dají se najít na stránkách výrobce.

Po připojení stiskněte tlačítko RST na desce. Měla by se objevit hlavička a nakonec známý pythonní prompt >>>.

MicroPython #

Implementace MicroPython se chová téměř stejně jako CPython. Vyzkoušejte si ale některé rozdíly (porovnejte výstup MicroPythonu a Pythonu 3 na počítači):

>>> print
>>> import math
>>> math.pi
>>> import random
>>> random.randrange()

Hlavní omezení MicroPythonu je to, že chybí většina standardní knihovny. Některé části (např math) jsou k dispozici, spousta ne. Několik funkcí je na nestandardních místech se změněným rozhraním, např. generátor náhodných čísel:

>>> from os import urandom
>>> urandom(1)[0]
61

Vstup a výstup #

Co má MicroPython navíc je přístup k hardwaru. Zkusme zjistit hodnotu pinu 0, který je na NodeMCU normálně HIGH (3,3 V) a je spojen se zemí přes tlačítko FLASH.

from machine import Pin
pin = Pin(0, Pin.IN)
print(pin.value())

API MicroPythonu často používá metody tam, kde bychom čekali atributy, proto ne pin.value ale pin.value().

Konstanta Pin.IN konfiguruje daný pin pro čtení. Zkusme si i zápis: zapojte stranu desky s piny D0-D8 do nepájivého pole a mezi piny D5 a G zapojte diodu. Následující kód diodu rozsvítí:

from machine import Pin
pin = Pin(14, Pin.OUT)
pin.value(1)

Pro zhasnutí zadejte pin.value(0). (Opět jde o volání metody, není to pin.value = 0.)

Pin(14) odpovídá pinu označenému D5 – číslování, které používá procesor (a MicroPython), se bohužel liší od toho, které používá deska. Odpovídající si označení lze zjistit z taháku.

Zkuste zajistit, aby dioda svítila, právě pokud je stisknuté tlačítko FLASH.

Ovládání konzole #

Pravděpodobně jste si všimli, že konzole MicroPythonu automaticky odsazuje. To je pro malé programy pohodlné, ale umí to i znepříjemnit život – hlavně když chceme kód do konzole vložit.

Proto má konzole MicroPythonu speciální vkládací mód, který automatické odsazování vypíná. Aktivuje se pomocí Ctrl+E a ukončuje se pomocí Ctrl+D.

Existuje ale i nástroj jménem ampy, který umožňuje pustit předpřipravený skript. Instaluje se jako adafruit-ampy:

$ python -m pip install adafruit-ampy

Po nainstalování vypněte existující připojení k desce (picocom/screen/PuTTY), napište skript a spusťte ho pomocí příkazu run:

$ ampy -p PORT run script.py

Kde PORT je stejný port jako výše – např. /dev/ttyUSB0 na Linuxu, COM3 na Windows. Pro více informací můžete nepřekvapivě použít příkaz ampy --help.

Od teď doporučuji psát kód vedle do editoru a spouštět jej pomocí ampy run.

Zkuste pomocí funkce time.sleep (která v MicroPythonu k dispozici je) diodou blikat v pravidelných intervalech.

Blikání #

Na pravidelné blikání, technicky řečeno pulzně-šířkovou modulaci (angl. Pulse Width Modulation) má MicroPython třídu PWM, které se dá nastavit frekvence (freq) v Hz a střída (duty) od 0 do 1024:

from machine import Pin, PWM
from time import sleep

led_pin = Pin(14, Pin.OUT)
pwm = PWM(led_pin, freq=50, duty=512)

Výsledný signál – čtvercová vlna – lze použít pro ovládání LED (střída určuje intenzitu světla), bzučáků (frekvence určuje výšku tónu), servomotorků (délka signálu určuje úhel otočení), atd.

LED pásek WS2812 #

Na destičku se dá připojit spousta různých komponent. Jen je vždy potřeba ověřit v dokumentaci, že existuje knihovna pro daný protokol na MicroPython pro ESP8266. Časté protokoly jsou I2C, OneWire, či SPI.

My připojíme pásek s moduly WS2812. Každý modul obsahuje tři LED a čip, který umožňuje celý pásek ovládat jedním datovým pinem. Používá vlastní protokol, který je v MicroPythonu pro ESP8266 implementován pod jménem NeoPixel.

Zapojení:

GND - G
DI (data in) - D4
+5V - VU

Kód:

from machine import Pin
from neopixel import NeoPixel

NUM_LEDS = 8
pin = Pin(2, Pin.OUT)
np = NeoPixel(pin, NUM_LEDS)
np[0] = (255, 255, 255)
np.write()

Co znamenají čísla 0 a 255 na posledním řádku, jistě zjistíte experimentálně.

Flashování #

Na našich destičkách je MicroPython už nahraný, ale kdybyste si koupili vlastní NodeMCU nebo chtěli firmware aktualizovat, budete ho potřebovat umět nahrát.

K tomu je potřeba nástroj esptool, který se dá nainstalovat pomocí:

$ python -m pip install esptool

Po instalaci esptool si stáhněte nejnovější stabilní firmware pro ESP8266 z micropython.org/download a zadejte:

$ esptool.py --port /dev/ttyUSB0 --baud 460800 write_flash 0 esp8266-20161110-v1.8.6.bin

Hodnotu pro --port opět doplňte podle svého systému – např. /dev/tty.wchusbserial1420 na Macu, COM3 na Windows.

Destiček s čipem ESP8266 se vyrábí celá řada různých typů a některé mohou potřebovat odlišné nastavení při flashování. Popis všech možností nastavení je k nalezení v dokumentaci k esptool.

Je-li na desce nahraný MicroPython, tento příkaz by měl fungovat. U jiného firmware, (případně u poškozeného MicroPythonu), je potřeba při zapojování destičky do USB držet tlačítko FLASH.

Souborový systém #

MicroPython pro ESP8266 obsahuje souborový systém nad flash pamětí, se kterým pracují standardní pythonní funkce jako open a os.listdir. Nahrajete-li soubor s příponou .py, lze jej pak v kódu importovat.

Existuje-li soubor main.py, naimportuje se automaticky po zapnutí (či resetu) zařízení. Není ho pak potřeba připojovat k počítači – stačí powerbanka nebo 3,3V zdroj.

Pro nahrání souborů do zařízení můžete použít příkaz ampy put:

$ ampy -p PORT put main.py

WebREPL #

ESP8266 byl původně navržen i jako čip pro WiFi a i s MicroPythonem se umí připojit k síti. Dokonce se přes WiFi dá i ovládat.

Otevřete si stránku micropython.org/webrepl, přes kterou budete po připojení s destičkou komunikovat.

Poté se buď připojte k existující WiFi síti (Eduroam fungovat nebude) nebo použijte destičku jako samostatný access point:

# Existující síť:

ESSID = ...
PASSWORD = ...

import network
wlan = network.WLAN(network.STA_IF)
wlan.active(True)
if not wlan.isconnected():
    print('connecting to network...')
    wlan.connect(ESSID, PASSWORD)
    while not wlan.isconnected():
        pass
print('network config:', wlan.ifconfig())

# AP:

ESSID = ...
PASSWORD = ...
CHANNEL = 3

import network
ap_if = network.WLAN(network.AP_IF)
ap_if.active(True)
ap_if.config(essid=ESSID, password=PASSWORD, authmode=network.AUTH_WEP, channel=CHANNEL)
print('network config:', ap_if.ifconfig())

Nastavení WebREPL spusťte z interaktivní konzole:

>>> import webrepl_setup

S počítačem se připojte na stejnou síť a na stránce webrepl otevřené výše se připojte k IP vypsané z ifconfig(). Měli byste dostat konzoli, jako přes USB. Pomocí WebREPL lze nejen zadávat interaktivní příkazy, ale i nahrávat soubory.

Komunikace #

Pro komunikaci po síti můžete použít nízkoúrovňovou knihovnu socket, nebo protokol pro „internet of things“ (jako MQTT), ale MicroPython pro ESP8266 má zabudouvanou i knihovnu pro HTTP: ořezanou verzi známých Requests. Následující kód stáhne data ze stránky api.thingspeak.com/channels/1417/field/2/last.txt, kde se objevuje poslední barva tweetnutá s hashtagem #cheerlights.

Výslednou hodnotu lze použít jako barvu modul v LED pásku.

import urequests

url = 'http://api.thingspeak.com/channels/1417/field/2/last.txt'

def download_color():
    response = urequests.get(url)
    text = response.text

    if text and text[0] == '#':
        color = text[1:7]

        red = int(color[0:2], 16)
        green = int(color[2:4], 16)
        blue = int(color[4:6], 16)

        return red, green, blue
    return 0, 0, 0

Opravdové projekty používají lehčí protokoly než HTTP, například MQTT.