برد IOT نیرا الکترونیک بر پایه ESP8266

آردوینو یک پلتفرم توسعه است که شامل یک IDE (محیط توسعه یکپارچه) و یک زبان برنامه نویسی مبتنی بر C++ است. میکروپایتون یک زبان برنامه نویسی است که می تواند بر روی بردهای آردوینو با تراشه ESP, RP2040 و همچنین سایر میکروکنترلرها مثل ESP, STM استفاده شود.

تفاوت های کلیدی بین میکروپایتون و آردوینو:

زبان برنامه نویسی:

• میکروپایتون: از زبان برنامه نویسی پایتون استفاده می کند که خواندن و نوشتن آن آسان است و برای مبتدیان مناسب تر است.
• آردوینو: از زبان برنامه نویسی مبتنی بر C++ استفاده می کند که پیچیده تر است و به دانش برنامه نویسی بیشتری نیاز دارد.

سخت افزار:

• میکروپایتون: می تواند بر روی بردهای مختلف میکروکنترلر، از جمله ESP8266، ESP32 و Raspberry Pi Pico اجرا شود.
• آردوینو: پلتفرمی با مجموعه ای از بردهای توسعه خود است که هر کدام ویژگی ها و قابلیت های خاص خود را دارند.

قابلیت ها:

• میکروپایتون: به طور پیش فرض از بسیاری از کتابخانه های مفید مانند GPIO، ADC، PWM، I2C، SPI و Wi-Fi پشتیبانی می کند.
• آردوینو: برای استفاده از بسیاری از این کتابخانه ها، نیاز به نصب کتابخانه های خارجی دارید.

جامعه:

• میکروپایتون: جامعه ای رو به رشد دارد، اما به اندازه جامعه آردوینو بزرگ نیست.
• آردوینو: جامعه ای بزرگ و فعال با پشتیبانی گسترده و منابع آموزشی فراوان دارد.

موارد دیگر:

• میکروپایتون: به طور کلی سریعتر از آردوینو است.
• آردوینو: برای پروژه های مبتنی بر الکترونیک و سخت افزار مناسب تر است.

انتخاب بین میکروپایتون و آردوینو به عوامل مختلفی بستگی دارد:

• سطح تجربه شما در برنامه نویسی: اگر مبتدی هستید، میکروپایتون انتخاب آسان تری است.
• نوع پروژه ای که می خواهید انجام دهید: اگر به دنبال پروژه ای مبتنی بر الکترونیک هستید، آردوینو انتخاب مناسب تری است.

بردهای ESP تا به امروز در دو مدل ESP8266 و ESP32 طراحی و تولید شده‌اند. این دو مدل تراشه دارای وای فای هستند و در عین حال قابلیت‌های یک میکروکنترلر را هم دارند. تراشه‌های ESP32 نسخه‌ی به روز رسانی شده و دارای بلوتوث هم هستند. موارد اصلی مصرف بردهای ESP در پروژه های اینترنت اشیا هستند. با توجه به ابعاد کوچک، مصرف انرژی کم، قیمت اقتصادی و دارای بودن میکروکنترلر داخلی امکان بهره برداری از آن در پروژه های مختلفی فراهم است. 

به طور کلی در هر پروژه‌ای که نیازمندی به ارتباط بیسیم وای فای و یا بلوتوث نیاز است، میتوان از تراشه های esp استفاده کرد. 

برد ESP8266 NodeMCU دارای تعداد محدودی پین دیجیتال و آنالوگ است و تعداد این پین‌ها از پیش تعیین شده است. 

استفاده از ماژول‌های I2C (I2C Expanders):

می‌توانید از ماژول‌های I2C مانند MCP23017 یا PCF8574 استفاده کنید تا تعداد پورت‌های دیجیتال اضافی را به NodeMCU اضافه کنید. این ماژول‌ها به وسیله اتصال به پورت I2C برد NodeMCU و افزودن پورت‌های دیجیتال ورودی و خروجی امکان‌پذیر می‌شوند.

استفاده از شیلد‌های آماده:

برای افزایش تعداد پورت‌های ورودی و خروجی می‌توانید از شیلد‌های آماده برای NodeMCU استفاده کنید. این شیلد‌ها به طور معمول پورت‌های ورودی و خروجی اضافی، مانند شیلد‌های Relay، شیلد‌های GPIO اضافی و غیره را ارائه می‌دهند.

استفاده از اتصالات Serial (UART):

می‌توانید از پورت‌های UART برای ارتباط با دیگر دستگاه‌ها و میکروکنترلر‌ها استفاده کنید. با این روش، می‌توانید دستگاه‌های جانبی را به NodeMCU متصل کرده و از آن‌ها به عنوان پورت‌های ورودی و خروجی استفاده کنید.

برای اتصال به شبکه وای فای دستورات زیر را وارد کنید.

import network

wlan = network.WLAN(network.STA_IF)

wlan.active(True)

wlan.connect("نام_شبکه_Wi-Fi", "رمز_عبور")

while not wlan.isconnected():

    pass

برای کنترل یک پایه GPIO، ابتدا یک شیء از کلاس Pin بسازید و به عنوان ورودی شماره پایه GPIO را بدهید. به عنوان مثال برای پایه GPIO 5:

from machine import Pin

gpio_pin = Pin(5, Pin.OUT)  # شماره پایه و حالت خروجی (OUT) را تعیین کنید

gpio_pin.value(1)  # تنظیم پایه به حالت HIGH (برق)

gpio_pin.value(0)  # تنظیم پایه به حالت LOW (عدم برق)

current_state = gpio_pin.value()  # دریافت وضعیت فعلی پایه

print(current_state)

MicroPython برای اجرا بر روی میکروکنترلرهای مختلف از جمله ESP8266، ESP32، STM32 و غیره طراحی شده است. وب‌سایت رسمی MicroPython یک لیست از پلتفرم‌های پشتیبانی‌شده را ارائه می‌دهد.

برای تعریف یک تابع در MicroPython، از کلیدواژه def استفاده کنید. به عنوان مثال:

def greet(name):
    print("Hello, " + name + "!")

بله، MicroPython از توابع با تعداد متغیره‌ای از آرگومان‌ها پشتیبانی می‌کند. شما می‌توانید تعداد دلخواهی از آرگومان‌ها به یک تابع ارسال کنید

بله، MicroPython از توابع داخلی معمول Python مانند print(), len(), و range() پشتیبانی می‌کند. این توابع به صورت پیش‌فرض در MicroPython فراهم شده‌اند.

می‌توانید یک فایل متنی جدید ایجاد کرده و توابع را در آنجا تعریف کنید. سپس با استفاده از دستور import، آن فایل را به کد اصلی‌تان وارد کنید.

برای صدا زدن یک تابع از یک ماژول دیگر در MicroPython، ابتدا ماژول را با استفاده از دستور import وارد کنید، سپس نام تابع را با نام ماژول مرتبط فراخوانی کنید.

# در فایل ماژول مثلاً به نام mymodule.py
def my_function():
    print("Hello from my_module!")

# در فایل اصلی
import mymodule

mymodule.my_function()

برای فراخوانی یک تابع یک تابع از یک کلاس در MicroPython، ابتدا یک نمونه از کلاس بسازید و سپس تابع را از طریق آن نمونه فراخوانی کنید.

class MyClass:
    def my_method(self):
        print("Hello from my method!")

my_instance = MyClass()
my_instance.my_method()

بله، MicroPython از برخی از ماژول‌های تصویری پشتیبانی می‌کند. برای استفاده از دوربین‌ها یا ماژول‌های تصویری دیگر، شما نیاز به فلش کردن کتابخانه‌ها و ماژول‌های مربوطه دارید.

 برای اتصال به اینترنت با برد میکروکنترلر ESP32، می‌توانید از کتابخانه WiFi.h استفاده کنید. این کتابخانه شامل توابعی برای اتصال به شبکه‌های Wi-Fi و ارسال و دریافت داده‌ها از طریق Wi-Fi است.

برای ساخت یک سیستم کنترل دما با برد میکروکنترلر ESP32، به موارد زیر نیاز دارید:

یک برد میکروکنترلر ESP32

یک سنسور دما مثل DHT DS18B20

یک المان سرد کننده

با استفاده از کتابخانه DHT.h، می‌توانید از سنسور دما برای خواندن دمای محیط استفاده کنید. سپس، می‌توانید از این دما برای کنترل المان گرمایشی یا سرمایشی استفاده کنید.

در خصوص برنامه نویسی از کتابخانه DHT و در صورت نیاز کتابخانه وای فای برای ارسال داده‌ها به پلتفرم IoT باید استفاده کنید. 

میکروپایتون یک زیر مجموعه از  زبان برنامه نویسی پایتون است که برای میکروکنترلرها مانند ESP8266 و ESP32 بهینه شده است. این زبان به شما امکان می دهد تا برنامه های پیچیده را با استفاده از دستورات ساده و خوانا پیاده سازی کنید. تفاوت اصلی میکروپایتون با پایتون در این است که برای اجرا بر روی سخت افزارهای کم مصرف مانند میکروکنترلرها طراحی شده است.

سادگی: میکروپایتون از نحو ساده و خوانایی مشابه پایتون استفاده می‌کند که یادگیری و استفاده از آن را آسان می‌کند.

قدرت: میکروپایتون از کتابخانه های قدرتمندی برای انجام وظایف مختلف مانند کنترل GPIO، شبکه، و سنسورها پشتیبانی می‌کند.

انعطاف پذیری: میکروپایتون می‌تواند برای طیف وسیعی از پروژه ها از جمله اینترنت اشیا، رباتیک، و اتوماسیون خانگی استفاده شود.

جامعه کاربری فعال: میکروپایتون از جامعه ی بزرگی از کاربران و توسعه دهندگان فعال پشتیبانی می‌کند که می‌توانند در حل مشکلات و ارائه‌ی راهنمایی به شما کمک کنند.

برای شروع برنامه نویسی میکروپایتون با ESP8266 و ESP32، به موارد زیر نیاز دارید:

• برد ESP8266 یا ESP32: مانند NodeMCU, WeMos D1 Mini, ESP32 DevKitC
• کابل USB: برای اتصال برد ESP به کامپیوتر
• IDE برنامه نویسی: مانند Thonny, MicroPython IDE, Visual Studio Code
• نصب فریمور میکروپایتون: بر روی برد ESP

سپس برای شروع برنامه نویسی از آموزش‌های میکروپایتون در دیجی‌اسپارک می‌توانید استفاده کنید.

برای دسترسی به پین های GPIO در میکروپایتون، می توانید از ماژول machine استفاده کنید. این ماژول شامل توابعی برای تنظیم پین ها به عنوان ورودی یا خروجی، خواندن و نوشتن مقادیر دیجیتال، و فعال کردن وقفه ها است. نمونه:

from machine import Pin

led = Pin(25, Pin.OUT)

برای کنترل موتورها در میکروپایتون، می‌توانید از ماژول machine و پین‌های PWM استفاده کنید. ماژول machine شامل توابعی برای تولید سیگنال‌های PWM است که می تواند برای کنترل سرعت و جهت موتورها استفاده شود.

بردهای ESP سازگار با میکروپایتون:

• ESP8266: محبوب ترین برد ESP برای میکروپایتون است. این برد ارزان قیمت، کم مصرف و دارای Wi-Fi داخلی است.
• ESP32: قدرتمندتر از ESP8266 است و دارای دو هسته CPU، Wi-Fi، بلوتوث و BLE است.
• ESP-WROOM-02: یک ماژول ESP8266 با Wi-Fi داخلی است که می توان از آن به عنوان یک برد توسعه برای میکروپایتون استفاده کرد.
• ESP-WROOM-03: مشابه ESP-WROOM-02 است، اما دارای بلوتوث و BLE نیز می باشد.
• NodeMCU: یک برد توسعه محبوب برای ESP8266 است که دارای GPIO، ADC، PWM، I2C، SPI و Wi-Fi است.
• WeMos D1 Mini: یک برد توسعه محبوب دیگر برای ESP8266 است که دارای GPIO، ADC، PWM، I2C، SPI و Wi-Fi است.
• Adafruit Feather HUZZAH ESP8266: یک برد توسعه با ESP8266، Wi-Fi و USB است که می توان از آن به عنوان یک برد توسعه برای میکروپایتون استفاده کرد.
• SparkFun Thing Plus: یک برد توسعه با ESP8266، Wi-Fi و USB است که می توان از آن به عنوان یک برد توسعه برای میکروپایتون استفاده کرد.

ESP32 از دو هسته پردازنده Xtensa LX106 با فرکانس حداکثر 240 مگاهرتز استفاده می‌کند.

ESP32 در مدل های مختلف با حافظه های مختلف ارائه می‌شود، به طور مثال مدل ESP32-WROOM-02 دارای 4 مگابایت حافظه رم و 32 مگابایت حافظه فلش داخلی است.

ESP32 از Wi-Fi 802.11 b/g/n و بلوتوث 4.2 BLE پشتیبانی می کند

ESP32 از نظر قدرت پردازش، حافظه و امکانات جانبی مانند بلوتوث، قوی‌تر از ESP8266 است.

پردازنده:

• ESP32 دارای دو هسته پردازنده 32 بیتی Xtensa LX106 با فرکانس 240 مگاهرتز است.
• ESP8266 دارای یک هسته پردازنده 32 بیتی Tensilica Xtensa LX106 با فرکانس 80 مگاهرتز است.

حافظه:

• ESP32 در مدل‌های مختلف با حافظه‌های رم 4، 8 و 16 مگابایت و حافظه فلش 4، 8، 16 و 32 مگابایت ارائه می‌شود.
• ESP8266 در مدل‌های مختلف با حافظه‌های رم 80، 128 و 256 کیلوبایت و حافظه فلش 4 مگابایت ارائه می‌شود.

امکانات جانبی:

• ESP32 دارای بلوتوث داخلی، 10 پین ADC، 2 پین DAC، 4 پین SPI، 2 پین I2C، 1 پین UART و 1 پین USB است.
• ESP8266 فاقد بلوتوث داخلی است و فقط دارای 1 پین ADC، 1 پین DAC، 1 پین SPI، 1 پین I2C و 1 پین UART است.

ESP32 در مدل‌های مختلف با حافظه‌های رم 4، 8 و 16 مگابایت و حافظه فلش 4، 8، 16 و 32 مگابایت ارائه می‌شود.

پین‌های GPIO در ESP32:

ESP32 دارای 32 پین GPIO (ورودی/خروجی دیجیتال) است که می‌توان از آن‌ها به عنوان ورودی یا خروجی دیجیتال استفاده کرد. این پین‌ها با نام‌های GPIO0 تا GPIO39 شناخته می‌شوند.

توابع پین‌های GPIO:

• ورودی دیجیتال: می‌توان از پین‌های GPIO برای خواندن ولتاژ دیجیتال از یک سنسور یا دکمه استفاده کرد.
• خروجی دیجیتال: می‌توان از پین‌های GPIO برای کنترل ولتاژ دیجیتال یک LED یا موتور استفاده کرد.
• PWM (مدولاسیون پهنای پالس): می‌توان از برخی از پین‌های GPIO برای تولید سیگنال PWM برای کنترل سرعت موتور یا روشنایی LED استفاده کرد.
• ADC (مبدل آنالوگ به دیجیتال): می‌توان از برخی از پین‌های GPIO برای تبدیل سیگنال‌های آنالوگ به دیجیتال استفاده کرد.
• SPI (رابط سریال محیطی): می‌توان از برخی از پین‌های GPIO برای ارتباط با دستگاه‌های SPI مانند کارت حافظه SD استفاده کرد.
• I2C (مدار مجتمع بین-تراشه‌ای): می‌توان از برخی از پین‌های GPIO برای ارتباط با دستگاه‌های I2C مانند سنسورها استفاده کرد.

پروتکل های رایج برای اتصال ESP32 به اینترنت در IoT:

1. Wi-Fi:

• پرکاربردترین پروتکل برای اتصال ESP32 به اینترنت است.
• به ESP32 اجازه می دهد به روتر Wi-Fi موجود متصل شود.
• از نظر سرعت و برد مناسب است.
• برای پروژه های IoT که نیاز به اتصال دائمی به اینترنت دارند، مانند خانه های هوشمند، ایده آل است.

2. BLE (Bluetooth Low Energy):

• برای اتصال ESP32 به دستگاه های دیگر مانند گوشی های هوشمند، تبلت ها و سایر دستگاه های BLE استفاده می شود.
• مصرف انرژی پایینی دارد.
• برای پروژه های IoT که نیاز به تبادل داده با دستگاه های دیگر در محدوده کوتاه دارند، مانند پوشیدنی ها، ایده آل است.

3. MQTT (Message Queuing Telemetry Transport):

• برای ارسال و دریافت داده ها بین ESP32 و سرور IoT استفاده می شود.
• از نظر وزن سبک و کارآمد است.
• برای پروژه های IoT که نیاز به ارسال و دریافت داده های حسگر به صورت بلادرنگ دارند، مانند سیستم های مانیتورینگ، ایده آل است.

4. HTTP (Hypertext Transfer Protocol):

• برای ارسال و دریافت داده ها بین ESP32 و سرور وب استفاده می شود.
• پروتکلی شناخته شده و汎用ی است.
• برای پروژه های IoT که نیاز به تبادل داده با صفحات وب دارند، مانند سیستم های کنترل، ایده آل است.

5. LoRaWAN (Long Range Wide Area Network):

• برای اتصال ESP32 به شبکه های LoRaWAN استفاده می شود.
• برد و نفوذپذیری بالایی دارد.
• برای پروژه های IoT که نیاز به اتصال در مناطق دور افتاده یا با موانع دارند، مانند کشاورزی هوشمند، ایده آل است.

آپدیت برنامه ESP32 با استفاده از OTA (Over-the-Air):

OTA (Over-the-Air) روشی برای آپدیت برنامه ESP32 بدون نیاز به اتصال فیزیکی به دستگاه است. این کار از طریق WiFi انجام می شود و می تواند برای آپدیت برنامه، رفع اشکال و اضافه کردن ویژگی های جدید به ESP32 شما مفید باشد.

مراحل آپدیت برنامه ESP32 با استفاده از OTA:

1. فعال کردن OTA:

• در برنامه ESP32 خود، کتابخانه OTA را اضافه کنید.
• تابع ArduinoOTA.begin() را با اطلاعات مربوط به سرور OTA خود پیکربندی کنید.
• تابع ArduinoOTA.setPort() را برای تنظیم پورت OTA (به طور پیش فرض 8266) استفاده کنید.
• تابع ArduinoOTA.setPassword() را برای تنظیم رمز عبور OTA (اختیاری) استفاده کنید.

2. آپلود برنامه:

• برنامه ESP32 خود را با فعال بودن OTA آپلود کنید.
• پس از آپلود، ESP32 شما به طور خودکار به دنبال آپدیت در سرور OTA خواهد بود.

3. ارسال آپدیت:

• برنامه آپدیت شده ESP32 خود را به عنوان یک فایل bin. کامپایل کنید.
• فایل bin. را به سرور OTA خود آپلود کنید.

4. نصب آپدیت:

• ESP32 شما به طور خودکار آپدیت را در سرور OTA شناسایی می کند.
• برای نصب آپدیت، دکمه "Update" را در رابط کاربری OTA فشار دهید.

نکاتی در مورد OTA:

• قبل از استفاده از OTA، باید یک سرور OTA را پیکربندی کنید.
• می توانید از سرور OTA خودتان یا از یک سرویس OTA شخص ثالث استفاده کنید.
• برای امنیت بیشتر، می توانید از رمز عبور برای OTA استفاده کنید.
• هنگام آپدیت برنامه ESP32 خود، از قطع شدن برق یا اتصال WiFi خودداری کنید.

از کتابخانه OTA برای آپدیت برنامه ESP32 از طریق WiFi استفاده کنید. قبل از استفاده از OTA، باید سرور OTA را پیکربندی کنید.

دوربین IMX219 یک دوربین با رابط MIPI CSI-2 است که اکثرا با بردهای توسعه‌ی مبتنی بر پردازنده‌های ARM که دارای رابط CSI-2 هستند، سازگاری دارد. برخی از این بردها شامل Raspberry Pi، Jetson Nano، Odroid و Orange Pi is هستند. با این حال، برای استفاده از دوربین IMX219 با هر برد دیگری، باید بررسی کنید که آیا برد شما دارای رابط MIPI CSI-2 است یا خیر. CSI2 یک رابط سریال پایدار برای انتقال داده های تصویری از سنسورهای تصویری به پردازنده ها است. برخی از بردهایی که دارای CSI2 هستند عبارتند از:

1- Raspberry Pi CM4

2- Nvidia Jetson Nano

3- Orange Pi

4- BeagleBone Black

5- Coral Dev Board

6- Qualcomm DragonBoard

7- HiKey 960

و بسیاری بردهای دیگر با پردازنده های مختلف از جمله ARM و x86.

لازم به ذکر است که برخی از این بردها ممکن است نیاز به ماژول تبدیل CSI2 به HDMI یا USB داشته باشند تا بتوانند با دوربین های دیگری که از رابط های HDMI یا USB استفاده می کنند سازگاری پیدا کنند.

اگر نسخه 4 از Thonny IDE بر روی ویندوز 7 برای شما مشکل‌ساز است و به دنبال جایگزینی مناسب برای توسعه میکروپایتون هستید، می‌توانید از محیط‌های توسعه دیگری استفاده کنید. 

Mu: Mu یک محیط توسعه سبک و کم حجم برای میکروپایتون است. این نرم‌افزار بر روی ویندوز 7 نصب و اجرا می‌شود و ویژگی‌های ساده و کاربرپسندی دارد.

IDLE (Integrated Development and Learning Environment): IDLE یک IDE رسمی برای میکروپایتون است و به صورت پیش‌فرض در همراه با نصب پایتون نصب می‌شود. این IDE از ورژن‌های مختلف میکروپایتون پشتیبانی می‌کند.

Visual Studio Code (VS Code): اگر از یک IDE قدرتمند و انعطاف‌پذیر برای توسعه میکروپایتون بهره می‌برید، می‌توانید از VS Code با استفاده از افزونه‌های مرتبط با میکروپایتون استفاده کنید. این IDE روی ویندوز 7 نیز عملکرد مناسبی دارد.

PyCharm Community Edition: اگر به دنبال یک IDE حرفه‌ای برای توسعه پروژه‌های میکروپایتون هستید، می‌توانید از نسخه رایگان PyCharm Community Edition استفاده کنید. این IDE ویژگی‌های بسیار زیادی دارد و بر روی ویندوز 7 نیز قابل نصب است.

ارور "MPY: soft reboot" در میکروپایتون (MicroPython) به مشکلات مربوط به کد یا اشتباهات در اجرای برنامه اشاره دارد. همچنین، ارور "ImportError: can't import name pin" نیز به نشانه این است که درخواست به ایمپورت ماژول pin ناموفق بوده است.

ابتدا باید کدی که اجرا می‌شود را بررسی کنید. ممکن است در کد خود از ماژول pin به نادرستی استفاده کرده باشید یا اینکه این ماژول در محیط میکروپایتون مورد تعریف نشده باشد.اطمینان حاصل کنید که ماژول pin در میکروپایتون به درستی تعریف شده و موجود است. در برخی از نسخه‌های میکروپایتون، این ماژول ممکن است به نام machine تعریف شده باشد. بنابراین، باید از machine به جای pin استفاده کنید.

اگر از میکروکنترلر مخصوصی مثل ESP8266 یا ESP32 استفاده می‌کنید،در نرم افزار Thonny، برو به منو "View" و "Python Shell" را انتخاب کنید.

پس از باز شدن پنجره Python Shell، شما می‌توانید کد‌های میکروپایتون خود را در اینجا وارد کنید. از منوی "Device" در پنجره Python Shell، پورت میکروکنترلر خود را انتخاب کنید. معمولاً این پورت‌ها با "/dev/ttyUSB0" یا "/COMx" برای ویندوز نشان داده می‌شوند.سرعت انتقال (Baud Rate) را به مقدار معمولی 115200 تنظیم کنید. این تنظیمات به کنترل ارتباط بین کامپیوتر و میکروکنترلر کمک می‌کند. کد‌های میکروپایتون خود را در پنجره Python Shell وارد کرده یا از یک فایل Python با پسوند ".py" بارگذاری کنید.برای اجرای کد، می‌توانید دکمه "Run" در پنجره Python Shell را کلیک کنید. کد شما در میکروکنترلر اجرا می‌شود و نتایج به پنجره Python Shell باز می‌گردند.