MicroPython 开发单片机应用上手

TL;DR: 对于熟悉软件开发的用户，MicroPython 在编程方面上手很简单，容易踩坑的是数字电路、驱动兼容等硬件问题。作为“吃软不吃硬”的开发者，以不用电焊枪为原则，只用现成的零件组装，可以较快开发出所需的功能。

单片机开发用得最多的是 C 、C++，而大多互联网应用的开发，主要语言还是 Java 、PHP 、Javascript 、Python 、Go 等等。都说互联网太卷，AI + 物联网是下一个大趋势，但对于软硬一体的嵌入式开发，这之间的跨度还是不小。在 2013 年底一次众筹活动后，剑桥大学科学家 Damien George 开始着手把 Python3 移植到微处理器上运行，称为 MicroPython project ，实现了一个完全 Python 的编译器和运行时。这样，大量熟悉 Python 的软件开发者，只需要编写 Python3 程序，就可以很方便的对物联网硬件、各种传感器进行访问和控制。

都 2022 年了，MicroPython 支持的开发板已经相当丰富，除了官方出品的 Pyboard 以外，经典的 STM32 ，ESP8266 ，ESP32 ，CC3200 等 MCU 均有适配，树莓派新出的 Pico 、赛灵思（最近被 AMD 收购） Xilinx 的 PYNQ 项目也都支持 MicroPython 。这里上手用的是经典又经济的 ESP8266 开发板，相比用较新的板子，更少会遇到开发板、传感器等驱动、兼容性问题。除非是数电大牛，根据厂家技术手册能自己 DIY 电路、编写驱动程序，一般还是尽量避免 Debug 硬件。

MicroPython 开发工具

MicroPython 开发者工具虽然和 Arduino 生态相比还有差距，但 MicroPython 官方提供的工具套件该有的也都有，烧录工具 esptool ，预编译工具 mpy-corss ，交互式解释器 REPL 等等。第三方 IDE 支持的也不少，VSCode 、PyCharm 、Jupyter 、Thonny 、Mu Editor 都有专门的插件或功能模块，支持 MicroPython 的开发。常见的 Terminal 终端比如 PuTTY 、Xshell 也可以直接连接 MicroPython 开发板进行调试。

ESP8266 开发板

ESP8266 是由乐鑫科技 Espressif 推出的 MCU 模组，全球出货量超过一亿片，在智能物联网（特别是智能家电）市场上是一块广受欢迎的大路货。ESP8266 最大的特色就是内置 WiFi 模块，这对需要联网的设备而言，节省了外接 WiFi 模块的成本（物联网芯片价格上要是便宜一块钱，大规模采购就节省很多钱）。

ESP8266 的核心 CPU 是一块 Tensilica L106 32 bit 处理器，RISC 指令集，时钟频率最高 160 MHz ，支持实时操作系统 RTOS ，可以将 80% 的算力留给应用编程和开发。由于后来 Tensilica 被 Cadence 公司收购（ Cadence 的名字可能大家比较熟悉，那批断供 HW 的 EDA 公司之一，Cadence 是全球最大的电子设计自动化、半导体技术解决方案和设计服务供应商），没有查到 CPU 的公开规格，参照乐鑫之后推出的升级版 ESP32 采用台积电 40 纳米工艺制程，推测 ESP8266 的芯片制程可能在 65 纳米 / 90 纳米工艺，由于具有深度睡眠功能，所以实现低功耗是没有问题的。

由于 RISC 是开源指令集，不会出现 ARM 、X86 这样的 IP 知识产权限制，不仅在物联网 IC 领域非常受欢迎，最近有媒体报道，基于 RISC-V 指令集的“香山”芯片（ 14nm 工艺），也已经可以支持运行 Linux 。

上手的这块 ESP8266 开发板型号是 ESP-12F ，集成了一个沁恒 WCH 的 CH340G （ USB 转串口）芯片，支持 5V 电源电压和 3.3V 电源电压供电。

视频介绍 »

乐鑫官方推荐的应用场景包括：

家⽤电器
家庭⾃动化
智能插座、智能灯
⼯业⽆线控制
婴⼉监控器
IP 摄像机
传感器⽹络
可穿戴电⼦产品
⽆线位置感知设备
安全 ID 标签
⽆线定位系统信标

附件：ESP8266 官方技术规格书

安装 & 环境搭建

电脑安装 USB 转串口的驱动

在沁恒 WCH 官网下载 CH341SER.exe 的驱动程序（ Windows 、Linux 、Mac 都支持），安装完成后，把开发板接入电脑的 USB 口，这时在系统的设备管理中心，就可以看到多了一个串口设备（比如显示 COM4 ）。

烧录 MicroPython 固件

从 MicroPython 官网下载最新版固件，当前版本是：esp8266-20220117-v1.18.bin 然后用 MicroPython 官方提供的烧录工具 esptool ，或者在乐鑫下载 flash download tool 工具，把 MicroPython 固件烧入 ESP8266 开发板。这里用的是 Download Tool ，开发板上电后点击 START ，等待几秒钟就烧录完成了。

连接 WiFi

打开 Terminal 终端（比如 PuTTY or Xshell ），选择开发板对应的串口，就可以进入 MicroPython 开发环境了。

>>> help()

Welcome to MicroPython!

For online docs please visit http://docs.micropython.org/en/latest/esp8266/ .
For diagnostic information to include in bug reports execute 'import port_diag'.

Basic WiFi configuration:

import network
sta_if = network.WLAN(network.STA_IF); sta_if.active(True)
sta_if.scan()                             # Scan for available access points
sta_if.connect("<AP_name>", "<password>") # Connect to an AP
sta_if.isconnected()                      # Check for successful connection
# Change name/password of ESP8266's AP:
ap_if = network.WLAN(network.AP_IF)
ap_if.config(essid="<AP_NAME>", authmode=network.AUTH_WPA_WPA2_PSK, password="<password>")

Control commands:
  CTRL-A        -- on a blank line, enter raw REPL mode
  CTRL-B        -- on a blank line, enter normal REPL mode
  CTRL-C        -- interrupt a running program
  CTRL-D        -- on a blank line, do a soft reset of the board
  CTRL-E        -- on a blank line, enter paste mode

For further help on a specific object, type help(obj)

ESP8266 支持 WiFi 的 AP/STA/AP+STA 工作模式，简单说就是既可以作为接入设备，也可以作为被连接设备（类似于手机开 WiFi 热点）。这里把开发板作为终端设备，填写办公室或家里 WiFi 的 "AP_name", "password" 即可接入网络。（建议把 WiFi 的连接程序写到 boot.py 文件中，以后每次开发板上电就可以自动连上 WiFi 啦）。

现在，完整的 MicroPython 开发环境就准备好了。

开发应用 App

只需要在 MCU 开发版的设备根目录下，创建 main.py 文件，就可以开发一个 MicroPython 的 App 。开发板上电、或重启（按键 RST ）时，会自动执行 main.py 程序。

应用示例

1. 访问 Web 网络

# main.py

import urequests

r = urequests.get('http://baidu.com')
print('status code: ', r.status_code)
print(r.text)

运行结果：

status code:  200
<html>
<meta http-equiv="refresh" content="0;url=http://www.baidu.com/">
</html>

当然，不能指望在 ESP8266 上运行 Web 图形浏览器啦。

2. 心跳 LED 灯

# main.py

import machine
import time

led = machine.Pin(2, machine.Pin.OUT)
while True:
    led.on()
    time.sleep(0.5)
    led.off()
    time.sleep(1)

由于这块板子上只有一颗 LED 灯，只能简单点亮闪一闪，想要实现 Yeelight 那种彩光灯带的效果，建议去买 WS2812B 灯带条，插在 ESP8266 板子上，60 颗灯做出来的效果就酷炫多了。

3. 数字显示屏

# main.py

import machine
from machine import RTC
import time
import ntptime
import ssd1306

rtc = RTC()
ntptime.settime()
rtc_datetime = rtc.datetime()

i2c = machine.I2C(scl=machine.Pin(2), sda=machine.Pin(0))
display = ssd1306.SSD1306_I2C(128, 64, i2c)
display.fill(0)
display.text('Happy New Year!', 0, 0)
display.text('Today is:', 0, 16)
print('rtc_datetime: ', rtc_datetime)
time_str = str(rtc_datetime[0]) + '-' +  str(rtc_datetime[1]) + '-' + str(rtc_datetime[2])
display.text(time_str, 0, 32)
display.show()
time.sleep(60)
display.poweroff()

这块显示屏是 I2C 接口，有四个引脚，GND 接地、VCC 供电、SCL 、SDA 分别接 GPIO 数据引脚 D4 、D3 即可。电源可以用 USB 线供电，或者用锂电池供电，这里是一块普通充电宝直接供电。

4. 温度 /湿度监测

物联网设备的一个重要功能，就是通过 ADC 传感器，将各种模拟信号转换成数字信号，然后传给本地设备或云端网络进行计算、数据处理。温湿度传感器就是比较常见的 ADC 模块，用来监控环境温度、湿度。

# main.py

import machine
from machine import RTC
import time
import ntptime
import ssd1306
import dht

rtc = RTC()
ntptime.settime()
rtc_datetime = rtc.datetime()
i2c = machine.I2C(scl=machine.Pin(2), sda=machine.Pin(0))
display = ssd1306.SSD1306_I2C(128, 64, i2c)
d = dht.DHT22(machine.Pin(4))

while True:
    d.measure()
    t = d.temperature()
    h = d.humidity()
    display.fill(0)
    display.text('Hi MicroPython!', 0, 0)
    time_str = str(rtc_datetime[0]) + '-' +  str(rtc_datetime[1]) + '-' + str(rtc_datetime[2])
    display.text('Date:' + time_str, 0, 16)
    display.text('Temp:' + str(t), 0, 32)
    display.text('Humidity:' + str(h), 0, 48)
    display.show()
    time.sleep(1)

DHT22 和 DHT11 都是常用的温湿度传感器，这里选用的是 DHT22 ，比 DHT11 测量精度更准确。DHT22 是单总线通信，除了正负引脚分别接 3V 和 G 以外，中间那根数据线接在开发板的 D1 或 D2 引脚上都可以。

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DHT22 温度测量范围：-40~80℃，温度测量精度：±0.5℃，湿度测量范围：0~100%RH ，湿度测量精度：±2%RH 。

5. Web 服务器

# main.py

from microdot import Microdot

app = Microdot()

@app.route('/')
def hello(request):
    return 'Hello, world!'

app.run()

Microdot 是一个类似 Flask 的 Python & MicroPython Web 框架，可以在低性能的单片机上运行，为开发板提供 Web Server 服务。这样，就可以把 ESP8266 开发板作为一个 Web 服务器，访问本机 IP 就可以打开网站了。

通过 micropython.mem_info() 可以查看开发板的内存信息，系统可用内存不到 40K （ CPU 是 80MHz/160MHz ），这个配置显然是跑不动大型 Web 网站的。

6. 远程控制

物联网设备进行远程连接和控制，通常都会使用 MQTT 协议，可以自己搭建 MQTT Broker 服务器，也可以使用云服务。这里使用 EMQ X Cloud 的 MQTT 消息服务进行连接，打开 https://cloud.emqx.com 登录 /注册账号，创建实例之后，在 MQTT 项目控制台就可以看到连接地址（ server ）和端口（ port ），添加一个认证用户名 /密码（这里设为 admin/password ）。

# main.py

from umqtt.simple import MQTTClient
import time

client_id = "cid_esp8266"
server = "<mqtt_server_address>"
topic = "device/esp8266"

def sub_cb(topic, msg):
   print(topic, msg)

client = MQTTClient(client_id, server, port=11216, user="admin", password="password", keepalive=0)
client.connect()
client.publish(topic, "Initial message from esp8266.")
client.set_callback(sub_cb)
client.subscribe(topic)
while True:
    client.check_msg()
    time.sleep(2)
    client.publish(topic, "Telling Time: " + str(time.time()))
    time.sleep(2)

将应用程序写入 ESP8266 开发板，然后给开发板上电或按下 RST 按钮重启，打开 MQTT 远端控制台，监控台显示新增加了一个已连接设备 cid_esp8266 ，开发板入网就完成了。

现在打开 ESP8266 设备终端，以及 MQTT 远端，查看上行、下发的实时消息。

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设备联网后，就可以通过手机应用 App 或浏览器网页查看设备信息，也可以从远程操作终端设备。

如果对操作时效要求不高的话，也可以采用 http 协议，通过轮询的方式实现 pub/sub 模式，在外网远程管理终端设备。

7. 更多应用

还有很多玩家喜欢的创客项目，比如智能机器人、AI 人像 /物品识别等应用，欢迎有兴趣的朋友一起交流学习。

小结

相比 C/C++ 程序，MicroPython 在运行速度方面处于劣势，如果用在飞行器、自动驾驶等高速设备上，程序运行的速度微秒必争，但对于大多数静止、或低速运动的设备，几毫秒、微秒级的性能差距完全可以忽略，在编程方面 MicroPython 开发效率就具有较大的优势，REPL 也为调试代码带来很多便捷性。目前，大多数 Arduino 能做的应用，基本上 MicroPython 都能做，Arduino 生态更成熟，MicroPython 简单易上手。