MicroPython 智能硬件开发完整指南

第一部分：MicroPython 基础

1. MicroPython简介

• 定义：专为微控制器设计的精简Python 3实现，支持硬件直接操作。
• 特点：
  • 语法兼容Python 3，但移除复杂功能（如多线程）。
  • 支持GPIO、PWM、I2C、SPI等硬件接口。
  • 适用于ESP32、ESP8266、Raspberry Pi Pico等开发板。

2. 开发环境搭建

硬件准备

• 推荐开发板：ESP32（性价比高，WiFi/BLE双模）、Raspberry Pi Pico（低成本，RP2040芯片）。
• 外设：杜邦线、面包板、传感器（DHT11、超声波模块等）。

软件配置

1. 固件烧录：
   • 下载固件：MicroPython官网
   • 烧录工具：esptool（ESP系列）、rp2-flash（树莓派Pico）。
2. 编程工具：
   • Thonny IDE（新手友好，内置REPL）。
   • VS Code + Pymakr插件（支持远程调试）。

第一个程序

# 点亮板载LED（ESP32示例）
from machine import Pin
import time

led = Pin(2, Pin.OUT)
while True:
    led.toggle()
    time.sleep(1)

第二部分：核心语法与硬件操作

1. 基础语法

变量与数据类型

# MicroPython支持标准Python类型
value = 42
name = "ESP32"
data = [1, 2, 3]
sensor_data = {"temp": 25.5, "humi": 60}

流程控制

# 条件与循环
if temperature > 30:
    alert()
elif temperature < 0:
    freeze()
else:
    normal()

for i in range(10):
    print(i)

while sensor.is_active():
    read_data()

2. 硬件交互

GPIO控制

from machine import Pin

button = Pin(14, Pin.IN, Pin.PULL_UP)  # 按钮输入（上拉模式）
led = Pin(2, Pin.OUT)                 # LED输出

if button.value() == 0:  # 按钮按下
    led.on()

PWM调光/调速

from machine import PWM, Pin

pwm = PWM(Pin(13), freq=1000, duty=512)  # 频率1kHz，50%占空比
pwm.duty(256)  # 调至25%亮度

I2C/SPI通信

# I2C扫描设备（OLED显示屏为例）
from machine import I2C, Pin

i2c = I2C(scl=Pin(22), sda=Pin(21), freq=400000)
devices = i2c.scan()  # 返回设备地址列表（如[0x3C]）

第三部分：智能硬件开发案例

案例1：环境监测系统（温湿度+云端上传）

功能

• 使用DHT11传感器采集温湿度。
• 通过WiFi将数据上传到物联网平台（如阿里云、ThingsBoard）。
• OLED屏幕本地显示数据。

硬件

• ESP32开发板
• DHT11温湿度传感器
• OLED显示屏（SSD1306）
• 面包板及杜邦线

代码示例

import network
import dht
import machine
import time
from umqtt.simple import MQTTClient
from ssd1306 import SSD1306_I2C

# 硬件初始化
i2c = machine.I2C(scl=machine.Pin(22), sda=machine.Pin(21))
oled = SSD1306_I2C(128, 64, i2c)
d = dht.DHT11(machine.Pin(4))

# WiFi连接
sta = network.WLAN(network.STA_IF)
sta.active(True)
sta.connect("你的WiFi名", "密码")
while not sta.isconnected():
    time.sleep(1)

# MQTT配置
client = MQTTClient("esp32", "mqtt服务器地址", port=1883, user="用户名", password="密码")
client.connect()

# 主循环
while True:
    d.measure()
    temp = d.temperature()
    humi = d.humidity()
    
    # OLED显示
    oled.fill(0)
    oled.text(f"Temp: {temp}C", 0, 0)
    oled.text(f"Humi: {humi}%", 0, 20)
    oled.show()
    
    # 上传到MQTT
    client.publish(b"sensor/temp", str(temp))
    client.publish(b"sensor/humi", str(humi))
    
    time.sleep(60)  # 每分钟上传一次

案例2：智能家居灯光控制（手机APP+语音）

功能

• 通过手机APP远程控制LED开关。
• 支持语音指令（如“开灯”）。
• 自动根据光线强度调节亮度（可选光敏电阻）。

硬件

• ESP32开发板
• LED灯模块
• 光敏电阻（ADC读取）
• 继电器模块（控制高功率灯具）
• 麦克风模块（如MAX9814，用于语音）

代码要点

1. Web服务器控制（HTTP）

import socket
from machine import Pin

led = Pin(2, Pin.OUT)

def start_web_server():
    addr = socket.getaddrinfo('0.0.0.0', 80)[0][-1]
    s = socket.socket()
    s.bind(addr)
    s.listen(1)
    while True:
        conn, addr = s.accept()
        request = conn.recv(1024)
        if "GET /on" in request:
            led.on()
        elif "GET /off" in request:
            led.off()
        conn.send("HTTP/1.1 200 OK\n\nLight Control OK")
        conn.close()

2. 语音控制（需结合离线语音识别模块）
   • 使用LD3320等模块，通过串口接收指令：

from machine import UART
uart = UART(1, 9600)
while True:
    if uart.any():
        cmd = uart.read().decode().strip()
        if "开灯" in cmd:
            led.on()

案例3：智能农业灌溉系统

功能

• 土壤湿度检测（湿度传感器）。
• 自动控制水泵浇水。
• 数据上报至云端并生成报警阈值。

硬件

• ESP8266开发板
• 土壤湿度传感器（模拟量输出）
• 5V水泵+继电器
• 18650电池供电

代码逻辑

from machine import ADC, Pin
import network
import time

# 初始化硬件
soil = ADC(Pin(34))  # ESP32的ADC引脚
pump = Pin(4, Pin.OUT)

# 湿度阈值（需根据实测调整）
DRY_THRESHOLD = 2000  
WET_THRESHOLD = 1000

def check_soil():
    value = soil.read()
    if value > DRY_THRESHOLD:
        pump.on()  # 开启水泵
        time.sleep(5)
        pump.off()
    return value

# 主循环
while True:
    moisture = check_soil()
    print(f"当前湿度: {moisture}")
    time.sleep(3600)  # 每小时检测一次

案例4：GPS定位追踪器

功能

• 通过GPS模块获取经纬度。
• 通过4G模块（如SIM800L）发送位置到服务器。
• 低功耗设计（定时唤醒）。

硬件

• Raspberry Pi Pico（低功耗模式）
• NEO-6M GPS模块
• SIM800L 4G模块
• 锂电池

关键代码

from machine import UART, Pin
import time

# GPS数据解析
gps = UART(1, baudrate=9600, tx=Pin(4), rx=Pin(5))
while True:
    if gps.any():
        data = gps.readline()
        if b'GPRMC' in data:  # 定位语句
            parts = data.split(',')
            if parts[2] == 'A':  # 有效定位
                lat = parts[3]  # 纬度
                lon = parts[5]  # 经度
                send_to_server(lat, lon)  # 通过4G发送
    time.sleep(10)

案例5：智能垃圾桶（超声波+舵机）

功能

• 超声波检测用户靠近。
• 舵机自动打开桶盖。
• 满载检测（压力传感器）。

硬件

• ESP32开发板
• HC-SR04超声波模块
• SG90舵机
• 压力传感器（HX711模块）

代码片段

from machine import Pin, PWM, time_pulse
import time

# 超声波测距
trigger = Pin(12, Pin.OUT)
echo = Pin(14, Pin.IN)

def get_distance():
    trigger.off()
    time.sleep_us(2)
    trigger.on()
    time.sleep_us(10)
    trigger.off()
    pulse = time_pulse(echo, 1, 30000)  # 超时30ms
    return pulse * 0.0343 / 2  # 单位：厘米

# 舵机控制
servo = PWM(Pin(13), freq=50)
def open_lid():
    servo.duty(130)  # 角度对应占空比
    time.sleep(3)
    servo.duty(40)   # 关闭

# 主逻辑
while True:
    dist = get_distance()
    if dist < 20:  # 距离小于20cm触发
        open_lid()
    time.sleep(1)

第四部分：调试与优化

1. 常见问题

2. 性能优化

• 减少全局变量：优先使用局部变量。
• 硬件加速：使用machine模块原生函数（如time_pulse_us）。
• 省电模式：machine.deepsleep()结合外部唤醒。

第五部分：扩展学习资源

1. 官方文档

   • MicroPython核心库
   • ESP32硬件API

2. 开源项目参考

   • MicroPython GitHub仓库
   • 物联网项目合集

3. 推荐硬件

   • 传感器包：DHT系列、MPU6050、BH1750。
   • 通信模块：LoRa模块（SX1276）、4G模块（SIM800L）。

文档说明

• 本指南涵盖从基础到进阶的完整开发流程，建议按顺序学习并动手实践。
• 所有代码均需根据实际硬件调整引脚和参数。
• 建议搭配开发板实操，快速掌握物联网与智能硬件开发！