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# 16 | 实战准备：如何搭建硬件开发环境？
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你好，我是郭朝斌。
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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。
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这个项目具体包括哪些产品呢？在[第5讲](https://time.geekbang.org/column/article/309786)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：
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1. 可以手机控制的智能电灯
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2. 可以基于光线自动调节的智能电灯
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3. 可以语音控制的智能音箱
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4. 可以基于环境温湿度和土壤湿度自动浇水的浇花器
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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](https://shimo.im/sheets/D3VVPdwcYRhhQRXh/MODOC)自行采购相关硬件）。
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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。
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## 通信技术：Wi-Fi
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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](https://time.geekbang.org/column/article/306976)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？
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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。
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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。
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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。
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## 开发板：NodeMCU
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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。）
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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。
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比如说 [NodeMCU](https://nodemcu.readthedocs.io/en/release/) 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。）
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## 开发语言：Python
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那么，开发语言用哪一种比较好呢？我计划使用**Python**。
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你可能会觉得奇怪：嗯？为什么不用**C语言**？
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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。
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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。
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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。
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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。
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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？
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这确实是一个挑战，好在 [MicroPython](https://docs.micropython.org/) 项目已经提供了解决方案。
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**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。
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## 搭建 MicroPython 开发环境
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接下来，我们就来把 MicroPython 部署到 NodeMCU 开发板上，准备好开发环境。
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### 第一步：准备固件文件
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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](https://micropython.org/download/esp8266/)，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。
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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。
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### 第二步：安装**烧录工具**
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然后，我们使用一根 USB 数据线，将 NodeMCU 开发板和电脑连接起来。
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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** ：
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pip install esptool
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```
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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：
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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：
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这时候怎么办呢？
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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。
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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](https://getprostorage.com/blog/usb-c-thunderbolt-3-rundown/)，方便你区分。
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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。
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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。
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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。
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如果没有，你可以参考[这篇文章](https://learn.sparkfun.com/tutorials/how-to-install-ch340-drivers/all#mac-osx)，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](https://learn.sparkfun.com/tutorials/cp2102-usb-to-serial-converter-hook-up-guide)。）
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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。
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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](http://bbs.ai-thinker.com/forum.php)。
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### 第三步：烧录固件
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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：
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```
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# 注意设备名称替换为你电脑上的名称
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esptool.py --port /dev/cu.wchusbserial14230 erase_flash
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```
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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：
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```
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# 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
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esptool.py --port /dev/cu.wchusbserial14230 --baud 460800 write_flash --flash_size=detect 0 esp8266-20200911-v1.13.bin
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```
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烧录成功后，MicroPython 已经在你的开发板上运行起来了。
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### 第四步：确认运行状态
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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？
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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。
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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。
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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：
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```
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ls /dev/cu*
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```
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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](https://www.vandyke.com/cgi-bin/releases.php?product=securecrt)，通过串口协议连接上开发板，进行交互。
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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。
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如果你使用 Windows 操作系统，那么 [PuTTY](https://www.chiark.greenend.org.uk/~sgtatham/putty/latest.html) 更加流行。当然，建立连接的参数设置都是类似的。
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成功连接后，SecureCRT 的窗口会输出类似下面的结果：
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看到熟悉的符号 “>>>”，我们就知道，可以真正进行交互了。
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### 第五步：体验交互
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先用“Hello World”来个经典的打招呼吧。
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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。
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```
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>>> print("Hello World from MicroPython!")
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Hello World from MicroPython!
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>>> import machine
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>>> pin = machine.Pin(2, machine.Pin.OUT)
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>>> pin.off()
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>>> pin.on()
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```
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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。
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## 部署代码到开发板
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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。
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我们写一个代码段：
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```
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import machine
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import time
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# 指明 GPIO2 管脚
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pin = machine.Pin(2, machine.Pin.OUT)
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# 循环执行
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while True:
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time.sleep(2) # 等待 2 秒
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pin.on() # 控制 LED 状态
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time.sleep(2) # 等待 2 秒
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pin.off() # 切换 LED 状
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```
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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。
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为了在电路板上运行这个 Python 代码，我们需要做两件事情：
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1. 将代码段保存到一个文件中，这个文件的名字必须是 main.py。
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2. 将代码文件 main.py 放到开发板的文件系统中，而且是根目录。
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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。
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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？
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MicroPython 的官方提供了一个工具[pyboard.py](https://docs.micropython.org/en/latest/reference/pyboard.py.html)，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。
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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：
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# 设置环境变量，指明串口设备
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export PYBOARD_DEVICE=/dev/cu.wchusbserial14220
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#拷贝当前目录下的 main.py 到开发板
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./pyboard.py cp main.py :
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```
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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。
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```
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./pyboard.py -f ls /
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```
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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？
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我试用过几种类似的工具，这里推荐你使用 [AdaFruit MicroPython tool —— ampy](https://learn.adafruit.com/micropython-basics-load-files-and-run-code/install-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：
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```
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pip install adafruit-ampy
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# ---或者---
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pip3 install adafruit-ampy
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```
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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。
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```
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export AMPY_DELAY=0.5
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```
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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。
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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：
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```
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#设备名称请根据你的情况修改
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export AMPY_PORT=/dev/cu.wchusbserial14220
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#串口通信的波特率
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export AMPY_BAUD=115200
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```
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然后，输入下面的命令，就把代码部署到开发板上了。
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```
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ampy put main.py
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## 小结
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在这一讲中，我带你搭建了智能电灯的硬件开发环境。
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1. 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。
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2. 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。
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3. 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。
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4. 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。
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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。
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## 思考题
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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。
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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？
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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。
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