Интернет вещей (IoT)

Программирование встраиваемых систем и устройств умного дома с использованием MicroPython или CircuitPython

Введение в IoT и программирование встраиваемых систем

Интернет вещей (IoT) — это концепция вычислительной сети физических объектов («вещей»), оснащённых встроенными технологиями для взаимодействия друг с другом или с внешней средой. Умный дом — одно из самых популярных применений IoT, где различные устройства автоматизируют и улучшают бытовые процессы.

Встраиваемые системы — это специализированные компьютеры, встроенные в устройство и предназначенные для выполнения одной или нескольких строго определённых функций. Для программирования таких систем традиционно использовались языки C и C++, но сегодня всё большую популярность получает Python в своих адаптированных версиях — MicroPython и CircuitPython.

Эти языки позволяют быстро разрабатывать прототипы и законченные решения для IoT-устройств благодаря простому синтаксису, богатым библиотекам и активному сообществу разработчиков.

MicroPython для встраиваемых систем

MicroPython — это реализация Python 3, оптимизированная для работы на микроконтроллерах и в ограниченных средах. Он включает в себя подмножество стандартной библиотеки Python и оптимизирован для эффективной работы с ограниченными ресурсами.

Основные особенности MicroPython:

Эффективность

Занимает всего 256КБ памяти и требует 16КБ ОЗУ, что делает его идеальным для микроконтроллеров.

Интерактивность

Предоставляет интерактивную консоль (REPL) для непосредственного взаимодействия с подключенными устройствами.

Аппаратная поддержка

Прямой доступ к аппаратным интерфейсам: GPIO, I2C, SPI, UART, ADC, PWM и др.

Пример кода на MicroPython:

# Простой пример: мигаем светодиодом на MicroPython
from machine import Pin
import time

# Инициализация светодиода на пине 2
led = Pin(2, Pin.OUT)

while True:
    led.value(not led.value())  # Переключаем состояние светодиода
    time.sleep(0.5)  # Ждем 0.5 секунды

CircuitPython для образовательных и DIY-проектов

CircuitPython — это производная от MicroPython, разработанная компанией Adafruit специально для образования и DIY-проектов. Он сохраняет все преимущества MicroPython, добавляя простоту использования и кроссплатформенность.

MicroPython

  • Ориентирован на общее использование в IoT
  • Поддержка множества платформ
  • Более зрелая экосистема
  • Оптимизирован для производительности
  • Требует компиляции для некоторых плат

CircuitPython

  • Ориентирован на образование и DIY
  • Простая установка и обновление
  • Автоматическое переподключение как USB-накопитель
  • Библиотеки "подключай и работай"
  • Поддержка широкого спектра датчиков Adafruit

Преимущества CircuitPython для умного дома:

Простота

Просто скопируйте код на устройство как файл на USB-накопитель

Образовательность

Идеально подходит для обучения и быстрого прототипирования

Совместимость

Работает на множестве плат (ESP32, Arduino, Raspberry Pi Pico и др.)

Библиотеки

Богатая коллекция библиотек для датчиков и устройств

Популярные платформы для IoT проектов

Для разработки устройств умного дома на MicroPython/CircuitPython подходят различные аппаратные платформы:

ESP32 и ESP8266

Наиболее популярные платы для IoT проектов благодаря встроенной поддержке Wi-Fi и Bluetooth, низкой стоимости и хорошей производительности.

Raspberry Pi Pico

Недорогая плата от Raspberry Pi Foundation с поддержкой MicroPython/CircuitPython "из коробки". Идеальна для образовательных проектов.

Adafruit Feather

Серия совместимых плат от Adafruit с аккумуляторной поддержкой и широким выбором датчиков. Оптимизирована для CircuitPython.

Arduino Nano 33 IoT

Плата с поддержкой Wi-Fi и Bluetooth, совместимая с экосистемой Arduino, но также работающая с MicroPython.

Проекты умного дома на MicroPython/CircuitPython

Вот несколько практических идей для реализации устройств умного дома:

Умный термостат

Контроль температуры в помещении с помощью датчика DHT22 и управление обогревателем через реле. Данные отправляются на веб-панель управления.

Компоненты: ESP32, DHT22, релейный модуль, OLED-дисплей

Система безопасности

Датчики движения и открытия дверей, отправка уведомлений в Telegram при срабатывании, возможность постановки/снятия с охраны через веб-интерфейс.

Компоненты: ESP32-CAM, датчик движения PIR, магнитные контакты

Управление освещением

Автоматическое включение/выключение света по расписанию или на основе данных датчика освещенности. Управление через голосовые команды или мобильное приложение.

Компоненты: Raspberry Pi Pico, датчик освещенности, реле, светодиодные ленты

Мониторинг растений

Автоматический полив на основе данных о влажности почвы, мониторинг температуры и освещенности, отправка отчетов на email.

Компоненты: Adafruit Feather, датчик влажности почвы, водяной насос, светодиоды

С чего начать разработку:

  1. Выберите подходящую плату (например, ESP32 для Wi-Fi проектов)
  2. Установите MicroPython или CircuitPython на устройство
  3. Настройте среду разработки (Thonny, VS Code с расширением Pymakr)
  4. Изучите базовые примеры работы с GPIO и датчиками
  5. Подключитесь к Wi-Fi и начните отправлять данные в облако
  6. Создайте веб-интерфейс или мобильное приложение для управления