IOT物聯網

使用 Raspberry Pi Pico W 和 MicroPython 開發物聯網應用

Posted on by CAVEDU 阿吉 - 雜工
20
6 月

前言

當我們提及物聯網（IoT, Internet of Things）開發，可能首先想到的是Arduino或是ESP8266這樣的微控制器開發板。然而，Raspberry Pi的微控制器開發板——Raspberry Pi Pico W，也是一個很好的選擇。

本文將介紹如何使用Raspberry Pi Pico W和MicroPython，並用Thonny IDE的平台來撰寫程式。

撰寫/攝影 許鈺莨 (ChatGPT協作編輯)
時間 2小時 材料表
難度 2（滿分5）

本文

Raspberry Pi Pico W簡介

Raspberry Pi Pico W是由Raspberry Pi基金會出品的微控制器開發板。它配備了一個RP2040微控制器，有264KB的內部RAM，並且支援MicroPython程式語言，這讓我們可以更方便地開發物聯網應用。

使用上和Raspberry Pi Pico沒有多大差別，只是Raspberry Pi Pico W 還 支援Wi-Fi 802.11n無線網路和藍牙，更多Raspberry Pi Pico相關介紹連結如下：

● Raspberry Pi Pico family
● Raspberry Pi Pico介紹(含使用Arduino IDE和擴充板教學)

MicroPython簡介

MicroPython是一種針對微控制器和受限環境設計的 Python 3 程式語言編譯器和執行環境。這種程式語言實現了Python 3的大部分語法和特性，並對於開發板所需的低功耗和即時回應有進一步最佳化。MicroPython提供了豐富的API，可以直接控制微控制器的GPIO、I2C、SPI等各種硬體資源。

Thonny IDE簡介

Thonny是一個專為Python初學者設計的整合式開發環境（IDE）。它的介界面簡單，功能強大，對於學習Python語言非常有幫助。而且，Thonny IDE 也支援 MicroPython，我們可以直接在Thonny IDE中編寫MicroPython 程式，並上傳到Raspberry Pi Pico W上執行。

請由 Thonny 官方網站下載 Thonny IDE，本文將使用 portable 免安裝版。

電路接線圖

本次專案分享如何透過Thonny IDE來撰寫MicroPython程式，並使用PMS5003粉塵感測器取得數值和經由Raspberry Pi Pico W的Wi-Fi功能取得目前台灣時間，並顯示在OLED中。
以下介紹Raspberry Pi Pico W、Raspberry Pi Pico W擴充板、OLED、PMS5003接線圖。

Raspberry Pi Pico與擴充板接法(擴充板可相容於Raspberry Pi Pico W)：
https://cavedu.gitbook.io/cavedu/raspberry_pi_pico_info/pico_breakout

 

Raspberry Pi Pico W擴充板與OLED接線圖
Raspberry Pi Pico W擴充板與PMS5003接線圖

接下來是使用Thonny IDE來撰寫，由於筆者使用的是Micropython 來撰寫物聯網相關應用，需要用到 pico 的Wi-Fi 功能，所以需要下載 Raspberry Pi Pico W 的最新韌體檔，請到樹莓派基金會網站下載。除非有更新版本的韌體，否則更新只要一次即可。

如何上傳Raspberry Pi Pico W的 uf2 韌體檔

按住 Raspberry Pi Pico W 的 BOOTSET 按鈕時，插上USB 傳輸線連接到電腦。

Raspberry Pi Pico W 會被電腦辨識為一個磁碟，將 uf2 韌體檔拖放到其中就會自動更新韌體。

Raspberry Pi Pico W連接Thonny IDE

● 將Thonny IDE下載至電腦，並解壓縮後開啟，請選擇 執行>設定直譯器

● 選Micro Python (RP2040)

● 連接埠選擇USB序列裝置(COM X)

[註] COM號要記住，後續上傳程式需要正確指定 COM 號，概念如同 Aduino IDE

● 確認是否抓到 Raspberry Pi Pico W

檢查 Thonny IDE 下方的 互動環境(Shell)，如果沒有紅字錯誤訊息即可上傳程式，這時候還沒寫，繼續看下去吧。

匯入OLED函式庫至 Raspberry Pi Pico W

本專案需要透過 OLED 顯示模組來顯示數值，故需要先匯入OLED 函式庫
1. 下載 OLED 函式庫，檔名ssd1306.py 到您的電腦

2. 在 Thonny IDE 中安裝套件

我們可由 Thonny IDE 呼叫系統命令列來安裝 python 套件，請由工具 –> 開啟系統命令列

開啟系統命令列，如下圖

3. 安裝 adafruit-ampy 套件
為了順利執行程式，我們需要安裝 adafruit-ampy 套件，用於透過序列埠與 CircuitPython 或 MicroPython 開發板互動，安裝方式就是一般的 pip 指令，相當簡單：

pip install adafruit-ampy

4. 匯入OLED函式庫到Raspberry Pi Pico W

cd module_library
ampy --port COMX put ssd1306.py

[註]請注意，並不是開啟下方的視窗，若出現下方視窗，則要再按一次開啟系統命令列。

5. 如何查看已匯入的函式庫

在 Thonny IDE 中，點選檢視 -> 檔案，可以查看Raspberry Pi Pico W中匯入的檔案

確認已匯入先前所操作的檔案

執行程式

本專題有兩個程式 (點我下載原始碼，或由以下複製也可以)：

  • 在 OLED 顯示時間(OLED_wifitime.py)
  • 在 OLED 顯示 PMS5003 粉塵感測器數值(PMS5003_OLED.py)
OLED_wifitime.py 
import machine
import utime
import ssd1306
from time import sleep
import network
import ntptime
import urequests

i2c = machine.SoftI2C(scl=machine.Pin(15), sda=machine.Pin(4))

oled_width = 128
oled_height = 64
oled = ssd1306.SSD1306_I2C(oled_width, oled_height, i2c)

# 初始化 UART
uart = machine.UART(0, baudrate=9600, tx=machine.Pin(0), rx=machine.Pin(1), timeout=1000)
uart.init(9600, bits=8, parity=None, stop=1)



# 初始化WiFi
sta_if = network.WLAN(network.STA_IF)
sta_if.active(True)


wifi_ssid = "XXXXX"
wifi_password = "XXXXXXX"


sta_if.connect(wifi_ssid, wifi_password)


# 顯示WiFi連接狀態
oled.fill(0)
oled.text('WiFi:', 0, 0)
if sta_if.isconnected():
    oled.text('connected', 40, 0)
else:
    oled.text('connceting', 40, 0)
oled.show()

#設定時區
TIME_ZONE = 8

# 取得NTP時間
#ntptime.settime()
for i in range(5): 
    try:
        ntptime.settime()
        break
    except OSError:
        print('Error connecting to NTP server, retrying...')
        utime.sleep(5)
else:
    print('Could not connect to NTP server after 5 retries.')
    

# 等待一段時間
utime.sleep(3)

while True:
    t = utime.localtime(utime.time() + TIME_ZONE * 3600)
    oled.fill(0)
    oled.text(str("%d/%02d/%02d" % (t[0], t[1], t[2])), 0, 0)
    oled.text(str("%02d:%02d:%02d" % (t[3], t[4], t[5])), 0, 16)
    oled.show()
    utime.sleep(1)
PMS5003_OLED.py 
import machine
import utime
import ssd1306
from time import sleep


i2c = machine.SoftI2C(scl=machine.Pin(15), sda=machine.Pin(4))

oled_width = 128
oled_height = 64
oled = ssd1306.SSD1306_I2C(oled_width, oled_height, i2c)


# 初始化 UART
uart = machine.UART(0, baudrate=9600, tx=machine.Pin(0), rx=machine.Pin(1), timeout=1000)
uart.init(9600, bits=8, parity=None, stop=1)

while True:
    # 讀取 PMS5003 資料
    data = bytearray(uart.read(32))
    
    # 判斷是否為正確的 PMS5003 資料
    if data is not None and len(data) >= 10 and data[0] == 0x42 and data[1] == 0x4d:
        pm1_cf = int.from_bytes(data[4:6], 'big')
        pm25_cf = int.from_bytes(data[6:8], 'big')
        pm10_cf = int.from_bytes(data[8:10], 'big')
        
        # 清除 OLED
        oled.fill(0)
        
        # 顯示 PMS5003 資料
        oled.text("PM1.0: %d ug/m3" % pm1_cf, 0, 22)
        oled.text("PM2.5: %d ug/m3" % pm25_cf, 0, 38)
        oled.text("PM10 : %d ug/m3" % pm10_cf, 0, 54)
        
        # 更新 OLED
        oled.show()
        
    utime.sleep(1)

實際展示

執行程式之後，可在 OLED 顯示模組上看到相關資訊，恭喜成功囉！

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