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16 | 实战准备：如何搭建硬件开发环境？
你好，我是郭朝斌。
从今天开始，我们就进入了课程的实战篇，我会手把手带你从0开始完成自己的智能家居项目。
这个项目具体包括哪些产品呢？在第5讲中，我们根据智能家居产品的设计原则，已经设计好了 4 个产品场景，分别是：
- 可以手机控制的智能电灯
- 可以基于光线自动调节的智能电灯
- 可以语音控制的智能音箱
- 可以基于环境温湿度和土壤湿度自动浇水的浇花器
它们分别对应了实战篇的第17～21讲的内容（如有需要，你可以根据这份文档自行采购相关硬件）。
不过，在打造这些产品场景之前，我们还需要先搭建好硬件开发环境。在这一讲，我就以智能电灯为例，带你完成这个准备工作。
通信技术：Wi-Fi
为了能让手机控制电灯，我们首先要让电灯接入网络。在第2讲中，我们介绍了很多种通信技术，智能家居场景下常用的有 Wi-Fi、BLE 和 ZigBee 等。那么智能电灯应该选择哪种技术呢？
从通信速率来看，智能电灯传输的数据，包括控制命令和几种状态的数值，数据量都非常小，这几种通信技术都可以满足要求。
从功耗来看，智能电灯是直接连接电线的，不需要电池供电，所以低功耗的 BLE 和 ZigBee 技术不是必须的选择，功耗相对较高的 Wi-Fi 也可以考虑。
从普及度和易用性的角度分析，如果使用BLE，设备与手机的交互确实会非常方便。但是BLE和ZigBee 的设备都有一个缺点，就是需要搭配专有的网关才能连接互联网，这在部署和使用的时候都比较麻烦。所以，我们选择 Wi-Fi 作为智能电灯的通信方式。
开发板：NodeMCU
确定使用 Wi-Fi 之后，我们又该怎么选开发板呢？（你可能也关心选择哪一款芯片。不过，为了方便讲解和动手实践，这里我们还是围绕开发板来展开。关于芯片的选型，我们可以另外找机会交流。）
我推荐选择开源硬件的开发板，有两个原因。第一，硬件、软件的各种技术实现是公开的，方便分析问题，也方便后期转化为量产的产品；第二，有社区氛围，使用的人比较多，大家可以针对具体的问题进行交流。
比如说 NodeMCU 就是一个不错的选择。基于 ESP8266 芯片的版本，Flash 空间有4MB，自带 Wi-Fi 功能，而且价格便宜，在国内外都非常流行。（这里顺带说一句，ESP8266 是国内企业的芯片产品，国内企业在 Wi-Fi 和 BLE 芯片上的优势真的是越来越明显。）
开发语言：Python
那么，开发语言用哪一种比较好呢？我计划使用Python。
你可能会觉得奇怪：嗯？为什么不用C语言？
主要原因是，我不希望开发语言成为实战项目的障碍。先不说C语言本身的难度，光是它需要交叉编译的特性和不够便捷的调试方式，就已经很影响效率了。
相比之下，使用比较简单的 Python 语言，开发和调试都会非常方便。当然，选择 Python 还有别的好处，你在后面的实战过程中可以逐渐感受到。
如果你是嵌入式开发的高手，对C语言了然于胸，可以信手拈来，那你也可以基于我介绍的步骤，用C语言，甚至其他的语言来实践项目的编程（期待你的分享）。语言是一个工具，我们完全可以拿来灵活应用，实现我们的工作任务，而不应该成为一种羁绊。
当然，我也建议你不要排斥这次使用 Python 的机会。一方面，这次尝试可以拓展你的技术视野；另一方面，掌握 Python 对你写后台、做数据分析和写脚本也非常有帮助，可以在很多方面提高你的效率。
不过，你可能还是不放心：嵌入式硬件的计算资源都非常有限，在开发板上面运行 Python 代码可行吗？
这确实是一个挑战，好在 MicroPython 项目已经提供了解决方案。
MicroPython 是专门为嵌入式系统打造的 Python 实现。它完整实现了 Python3.4 的语言特性，部分支持 Python3.5 的特性。在标准库方面，MicroPython 实现了 Python 语言的一个子集，另外还增加了与底层硬件交互的库模块。
搭建 MicroPython 开发环境
接下来，我们就来把 MicroPython 部署到 NodeMCU 开发板上，准备好开发环境。
第一步：准备固件文件
首先，我们需要为 NodeMCU 准备好 MicroPython 固件文件。MicroPython 官方已经为 ESP8266 芯片准备了现成的固件，省去了交叉编译的工作。否则，我们还需要在电脑上使用专门的编译软件，为 ESP8266 芯片编译 MicroPython 源代码。
MicroPython 的固件分为 2M、1M 和 512K 三个不同的版本，针对不同大小的 Flash 存储空间。我们下载最新的 2M 稳定版本（带 stable 的）就行，因为 NodeMCU 开发板的 Flash 空间是足够的。
第二步：安装烧录工具
然后，我们使用一根 USB 数据线，将 NodeMCU 开发板和电脑连接起来。
接着，我们在电脑终端运行下面的命令，安装用来烧录的工具 esptool ：
pip install esptool
esptool 安装完成后，你可以运行 esptool.py read_mac 命令，确认 NodeMCU 板子是否连接成功。连接成功后的屏幕显示是这样的：
如果连接不成功，或者没有正确识别设备，屏幕上则会出现下面的结果：
这时候怎么办呢？
首先，检查一下你使用的 USB 线能否传输数据。不是说笑，我就犯过这个低级错误。现在很多电子产品会随带 USB 充电线，但是为了节约成本，有些 USB 线内部实际上并没有集成两根数据信号线。你如果使用了这种线，就只能充电，而电脑是识别不出设备的。
另外，注意我们使用的数据线，一头是 USB-A 接口，另一头是 Micro-USB 接口。USB 的接口规格繁多，我在这里放了一张图，方便你区分。
如果USB线没有问题，那可能是电脑没有正确识别开发板，我们需要检查一下驱动文件有没有安装好。
如果你跟我一样，用的是 macOS 系统，可以在电脑的终端上输入 ls /dev/cu* 命令，查看是否有类似 /dev/cu.wchusbserialxxxxx 名字的设备文件。
如果你使用 Windows 系统，那么需要查看一下“设备管理器”，看看“端口（COM 和 LPT）”下面，有没有 COM* 结尾的设备。
如果没有，你可以参考这篇文章，下载相应的驱动文件安装。（注意，我的 NodeMCU 开发板使用的是 CH340 这款 USB 转串口芯片。如果是 CP2102 芯片，可以参考这篇文章。）
当你在终端看到类似下面的结果，或者在 Windows 的设备管理器中看到 COM* 设备时，就说明开发板已经成功识别。
如果仍然无法正确识别，你可以到一些论坛去交流，比如安信可的官方论坛。
第三步：烧录固件
接下来我们烧录固件。在这之前，我们需要先输入下面命令，擦除 Flash 芯片：
# 注意设备名称替换为你电脑上的名称
esptool.py --port /dev/cu.wchusbserial14230 erase_flash
擦除成功后，我们进入存储前面下载固件的目录中，运行下面的命令，将固件文件烧录到开发板的 Flash 中：
# 注意设备名称替换为你电脑上的名称，固件文件名称做类似修改
esptool.py --port /dev/cu.wchusbserial14230 --baud 460800 write_flash --flash_size=detect 0 esp8266-20200911-v1.13.bin
烧录成功后，MicroPython 已经在你的开发板上运行起来了。
第四步：确认运行状态
但是开发板跟电脑不一样，是没有显示屏的，我们要怎么确认它的运行状态呢？
有一种非常简便的方法，你可以用电脑或者手机搜索一下周围的 Wi-Fi 热点，如果看到类似 “MicroPython-xxxxxx” 名称的热点（xxxxxx是开发板 MAC 地址后半部分），说明你的 NodeMCU 工作正常。比如我的开发板MAC地址是“40:f5:20:07:3b:52”，现在我看到了“MicroPython-073b52”这个热点，就说明开发板在正常运行。
当然，对于 Python 来说，更方便的交互方式还是REPL （交互式解释器），这个 MicroPython 也提供了。我们可以通过 REPL 来检验开发板的运行。
我们还是使用烧录时用到的 USB 线连接开发板和电脑。在 MacOS 电脑上，重新连接开发板的时候，串口设备名称可能会改变，所以为保险起见，再次运行命令：
ls /dev/cu*
获得串口设备名称之后，我们可以使用终端模拟器软件，比如 SecureCRT，通过串口协议连接上开发板，进行交互。
需要注意的是，波特率（Baud rate）设置为 115200，这与前面烧录时选择的值不同。
如果你使用 Windows 操作系统，那么 PuTTY 更加流行。当然，建立连接的参数设置都是类似的。
成功连接后，SecureCRT 的窗口会输出类似下面的结果：
看到熟悉的符号 “>>>”，我们就知道，可以真正进行交互了。
第五步：体验交互
先用“Hello World”来个经典的打招呼吧。
接着，我们体验一下 MicroPython 控制 LED 灯。因为开发板 NodeMCU 12F的 GPIO2 管脚接有一个 LED 灯，你可以输入下面的代码，控制它的点亮和熄灭。
>>> 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，这个管脚的高低电平的设计可能不同，所以 pin.on() 可能是熄灭 LED 灯；pin.off() 反而是点亮 LED 灯。
部署代码到开发板
那么，能不能运行一个 Python 代码文件呢？比如，基于在 REPL 中尝试的点亮 LED 操作。
我们写一个代码段：
import machine
import time
# 指明 GPIO2 管脚
pin = machine.Pin(2, machine.Pin.OUT)
# 循环执行
while True:
time.sleep(2) # 等待 2 秒
pin.on() # 控制 LED 状态
time.sleep(2) # 等待 2 秒
pin.off() # 切换 LED 状
这段代码实现的功能是，控制 LED 灯以 2 秒的间隔，不断点亮、熄灭。
为了在电路板上运行这个 Python 代码，我们需要做两件事情：
- 将代码段保存到一个文件中，这个文件的名字必须是 main.py。
- 将代码文件 main.py 放到开发板的文件系统中，而且是根目录。
这样，当开发板启动或者重启的时候，就会自动执行 main.py 文件中的代码。
第一点我们可以很容易做到。但是，怎么把代码文件上传到开发板上呢？
MicroPython 的官方提供了一个工具pyboard.py，它也是基于串口连接与开发板通信的。你可以使用它操作开发板上的文件系统，比如常用的拷贝文件、创建文件夹、删除等功能，甚至可以将电脑上的代码文件加载到内存中，直接运行。这非常便于你在开发过程中，进行代码的调试。
下载 pyboard.py 的源文件到电脑后，你可以运行下面的命令，将 main.py 文件部署到你的开发板：
# 设置环境变量，指明串口设备
export PYBOARD_DEVICE=/dev/cu.wchusbserial14220
#拷贝当前目录下的 main.py 到开发板
./pyboard.py cp main.py :
不过，pyboard.py 在 MacOS 系统上运行有问题。比如，在电脑终端，尝试运行下面的命令，就会收到 “could not enter raw repl” 这个错误信息。
./pyboard.py -f ls /
这可能是 MacOS 上的串口芯片 CH340 的驱动的问题，它会在建立串口连接时，重置 NodeMCU ，导致 enter_raw_repl 函数无法正常执行。如果你只能在 MacOS上开发，怎么办呢？
我试用过几种类似的工具，这里推荐你使用 AdaFruit MicroPython tool —— ampy。安装过程可以打开链接了解，我就不展开了。一般情况下，你可以用下面的命令完成安装：
pip install adafruit-ampy
# ---或者---
pip3 install adafruit-ampy
ampy 是通过增加延时的方法，来规避 MacOS 系统上的问题的。所以在使用的时候，我们需要先设置一个环境变量 —— AMPY_DELAY。延时的推荐值是 0.5，不过，具体实践时，你需要根据自己的开发板的试验情况，灵活调整这个数值。
export AMPY_DELAY=0.5
我们可以在终端中输入上面的指令，也可以将它加入到 .bashrc 或 .zshrc 等配置文件中，避免每次都要重复输入。
使用 ampy 的过程中，常用的环境变量还有下面两个，可以根据具体情况设置：
#设备名称请根据你的情况修改
export AMPY_PORT=/dev/cu.wchusbserial14220
#串口通信的波特率
export AMPY_BAUD=115200
然后，输入下面的命令，就把代码部署到开发板上了。
ampy put main.py
小结
在这一讲中，我带你搭建了智能电灯的硬件开发环境。
- 在通信技术方面，我从通信速率、功耗、普及度和易用性等角度考虑，最终选择了Wi-Fi。在实际工作中，你也可以通过同样的思路来选择其他产品的通信技术。
- 在开发板上面，推荐选择开源硬件的开发板，因为使用和交流都更方便。实战项目选择的是NodeMCU ESP8266，它在Flash空间、通信技术和价格方面有一定优势。
- 为了降低动手实践的难度，我们选择了Python开发语言。而MicroPython为我们提供了在NodeMCU上使用Python语言的条件。
- 在搭建MicroPython开发环境的过程中，我们需要使用esptool工具。通过USB线连接NodeMCU，你可以将固件烧录到开发板的Flash中。
这个选择思路和搭建过程不仅适用于智能电灯，也适用于自动浇花器，它们的开发环境是一样的。至于智能音箱，使用的开发板是树莓派，我在第15讲已经介绍过使用方法了，所以你也不需要担心。
思考题
这一讲是实战篇的第一讲，所以最后我想给你留一个需要动手的问题。
MicroPython 是专门为嵌入式开发设计、实现的 Python 语言开发环境。在这一讲中，我们通过 GPIO 的输出，实现了 LED 灯的控制。你能否实现一个 GPIO 的输入功能，并且通过这个输入信号，控制 LED 灯的点亮和熄灭？
希望你能留言区和我交流，也欢迎你将本讲分享给你的朋友一起学习讨论。
