Raspberry Pi Python 控制 Arduino 數位與類別比訊號

– 9 分鐘閱讀

透過 PyFirmata 函式庫，Raspberry Pi 可以輕鬆控制 Arduino 的數位輸出並讀取數位及類別比輸入。這項技術常用於物聯網裝置開發，讓 Python 程式能直接與 Arduino 硬體互動。以下範例示範如何控制 LED 閃爍、讀取按鈕狀態以及量測電位器數值。這些應用案例涵蓋了常見的硬體控制情境，並提供程式碼範例作為參考。

import pyfirmata
import time

board = pyfirmata.Arduino('/dev/ttyACM0')
led_pin = board.get_pin('d:10:o')

while True:
    led_pin.write(1)
    time.sleep(0.5)
    led_pin.write(0)
    time.sleep(0.5)

import pyfirmata
import time

board = pyfirmata.Arduino('/dev/ttyS0')
led_pin = board.get_pin('d:13:o')

while True:
    led_pin.write(1)
    time.sleep(0.5)
    led_pin.write(0)
    time.sleep(0.5)

import pyfirmata
import time

board = pyfirmata.Arduino('/dev/ttyUSB0')
button = board.get_pin('d:2:i')

while True:
    state = button.read()
    if state:
        print("按鈕被按下")
    time.sleep(0.5)

import pyfirmata
import time

board = pyfirmata.Arduino('/dev/ttyACM0')
switch_pin = board.get_pin('d:4:i')

it = pyfirmata.util.Iterator(board)
it.start()
switch_pin.enable_reporting()

while True:
    input_state = switch_pin.read()
    if input_state == False:
        print('Button Pressed')
    time.sleep(0.2)

import pyfirmata

board = pyfirmata.Arduino('/dev/ttyACM0')
analog_input = board.get_pin('a:0:i')
analog_input.enable_reporting()

while True:
    reading = analog_input.read()
    voltage = reading * 5.0
    print(f'原始讀取值：{reading}, 電壓：{voltage}V')

控制Arduino數位輸出從Raspberry Pi的Python

問題

您想要從Raspberry Pi上的Python控制Arduino的數位輸出。

解決方案

在食譜18.3中，您閃動了Arduino板上的內建LED（標有L）。在這裡，您可以建立在此基礎上，將外部LED連線並撰寫一個簡短的Python程式，使其閃動。

要製作這個食譜，您需要以下元件：

  • Arduino Uno（見「模組」） *麵包板和跳線（見「原型設計裝置和套件」）
  • 270Ω電阻器（見「電阻器和電容器」）
  • LED（見「光電子元件」） 作為使用麵包板和LED的替代方案，您可以插入Squid RGB LED的一個色道（食譜9.10）。

將麵包板連線到Arduino，如圖18-5所示。 圖18-5。Arduino和LED的連線圖

如果您尚未這樣做，請按照食譜18.3設定PyFirmata。

以下Python指令碼使LED以大約1 Hz的速率閃動。你可以在書籍下載的Python部分找到這個程式，稱為ch_18_ardu_flash.py（見食譜3.22）：

import pyfirmata
import time

board = pyfirmata.Arduino('/dev/ttyACM0')
led_pin = board.get_pin('d:10:o')
while True:
    led_pin.write(1)
    time.sleep(0.5)
    led_pin.write(0)
    time.sleep(0.5)

討論

這與將LED連線到Raspberry Pi（食譜10.1）非常相似。然而，由於Arduino的輸出可以提供比Raspberry Pi輸出更多的電流，因此您可以使用較小的電阻值並使LED稍微更亮。Arduino Uno的輸出也是5V，而不是3.3V。

如果您想要使用者介面（UI）控制LED，就像您在食譜10.8中設定的一樣（如圖18-6所示），修改程式碼相當直接。你可以在書籍下載中找到修改過的程式，稱為ch_18_ardu_gui_switch.py。請記住，這不會從Secure Shell（SSH）命令列工作。你需要存取Raspberry Pi的圖形環境，以便檢視使用者介面。

內容解密：

上述Python程式使用pyfirmata函式庫控制Arduino的數位輸出。board = pyfirmata.Arduino('/dev/ttyACM0')行建立了與Arduino板的連線。led_pin = board.get_pin('d:10:o')行取得了Arduino板上第10個數位引腳的控制權。while True迴圈使LED以大約1 Hz的速率閃動。

圖表翻譯：

  graph LR
    A[Python程式] --> B[PyFirmata函式庫]
    B --> C[Arduino板]
    C --> D[LED]
    D --> E[閃動]

此圖表顯示了Python程式、PyFirmata函式庫、Arduino板和LED之間的關係。Python程式使用PyFirmata函式庫控制Arduino板，然後控制LED閃動。

使用PyFirmata與TTL序列埠進行通訊

問題描述

您想要使用PyFirmata透過序列埠（RXD和TXD在GPIO聯結器上）與Arduino進行通訊，而不是使用USB連線。

解決方案

使用電平轉換器將Raspberry Pi的RXD腳位連線到Arduino的Tx腳位，將Raspberry Pi的TXD腳位連線到Arduino的Rx腳位。

所需元件

  • Arduino Uno（見「模組」） -麵包板和跳線（見「原型設計裝置和套件」）
  • 270Ω和470Ω電阻器（見「電阻器和電容器」）或四向雙向電平轉換器模組（見「模組」）

組裝步驟

如果您使用電平轉換器模組（而不是自己製作電平轉換器），請按照圖18-7中的連線圖進行連線。

圖18-7：使用電平轉換器模組進行序列通訊的連線圖

如果您使用一對電阻器，請按照圖18-8中的連線圖進行連線。

圖18-8：使用一對電阻器進行序列通訊的連線圖

Arduino Rx輸入可以直接接受來自Raspberry Pi TXD腳位的3.3V訊號；然而，來自Arduino Tx腳位的5V訊號必須降低到Raspberry Pi所期望的3V。

Python程式碼

您需要設定PyFirmata（見配方18.3）。Arduino端的程式碼與使用USB連線的配方18.4相同。您需要修改Python程式碼，將裝置名稱從 /dev/ttyACM0 改為 /dev/ttyS0 ，因為序列埠的裝置名稱與USB介面不同。

以下Python指令碼使LED以約1Hz的頻率閃爍（您可以在 ch_18_ardu_flash_ser.py 中找到程式碼，見配方3.22）：

import pyfirmata
import time

board = pyfirmata.Arduino('/dev/ttyS0')
led_pin = board.get_pin('d:13:o')

while True:
    led_pin.write(1)
    time.sleep(0.5)

內容解密：

上述Python程式碼使用PyFirmata函式庫與Arduino進行通訊。首先，匯入必要的函式庫，然後建立一個Arduino物件，指定序列埠的裝置名稱為 /dev/ttyS0 。然後，取得LED所在的腳位，並設定為輸出模式。最後，使用 while 迴圈使LED以約1Hz的頻率閃爍。

圖表翻譯：

以下是PyFirmata與Arduino序列通訊的流程圖：

  flowchart TD
    A[初始化PyFirmata] --> B[建立Arduino物件]
    B --> C[取得LED腳位]
    C --> D[設定LED為輸出模式]
    D --> E[使LED閃爍]

圖表顯示了PyFirmata與Arduino序列通訊的流程，從初始化PyFirmata開始，然後建立Arduino物件，取得LED腳位，設定LED為輸出模式，最後使LED閃爍。

使用 PyFirmata 讀取 Arduino 數位輸入

問題描述

您想要從 Raspberry Pi 上的 Python 讀取 Arduino 的數位輸入。

解決方案

使用 PyFirmata 讀取 Arduino 的數位輸入。

所需元件

  • Arduino Uno -麵包板和跳線
  • 1kΩ 電阻
  • 觸控按鈕

步驟

  1. 將麵包板和元件連線到 Arduino，如圖 18-9 所示。或者，您也可以使用 Squid Button 切換器代替麵包板。
  2. 如果尚未設定 PyFirmata，請按照 Recipe 18.3 進行設定。
  3. 執行以下 Python 指令碼，該指令碼會在按鈕被按下時列印預出一條訊息：
import pyfirmata
import time

# 初始化 PyFirmata
board = pyfirmata.Arduino('/dev/ttyUSB0')

# 設定按鈕引腳為輸入模式
button = board.get_pin('d:2:i')

while True:
    # 讀取按鈕狀態
    state = button.read()
    
    # 如果按鈕被按下
    if state:
        print("按鈕被按下")
    
    # 延遲 0.5 秒
    time.sleep(0.5)

討論

在這個範例中，我們使用 PyFirmata 讀取 Arduino 的數位輸入。首先，我們需要初始化 PyFirmata 並設定按鈕引腳為輸入模式。然後，我們可以使用 read() 方法讀取按鈕的狀態。如果按鈕被按下，state 變數會為 True，否則為 False。最後，我們可以根據按鈕的狀態執行相應的動作。

內容解密

在上述程式碼中，board.get_pin('d:2:i') 用於設定按鈕引腳為輸入模式，其中 d:2:i 表示數位引腳 2 為輸入模式。button.read() 用於讀取按鈕的狀態，傳回 True 或 False。time.sleep(0.5) 用於延遲 0.5 秒，以避免過快地讀取按鈕狀態。

圖表翻譯

  flowchart TD
    A[初始化 PyFirmata] --> B[設定按鈕引腳]
    B --> C[讀取按鈕狀態]
    C --> D[檢查按鈕狀態]
    D --> E[執行動作]
    E --> F[延遲 0.5 秒]
    F --> C

在這個流程圖中，首先初始化 PyFirmata，然後設定按鈕引腳為輸入模式。接下來，讀取按鈕狀態，並檢查按鈕是否被按下。如果被按下，執行相應的動作。最後，延遲 0.5 秒，以避免過快地讀取按鈕狀態。

使用 PyFirmata 監控 Arduino 輸入引腳

要使用 PyFirmata 監控 Arduino 輸入引腳，首先需要建立 Arduino 和 Raspberry Pi 之間的連線。以下是範例程式碼，展示如何使用 PyFirmata 讀取 Arduino 輸入引腳的狀態：

import pyfirmata
import time

# 初始化 Arduino 連線
board = pyfirmata.Arduino('/dev/ttyACM0')

# 設定輸入引腳（本例中為數位引腳 4）
switch_pin = board.get_pin('d:4:i')

# 啟動 Iterator 來監控輸入引腳
it = pyfirmata.util.Iterator(board)
it.start()

# 啟用輸入引腳的報告功能
switch_pin.enable_reporting()

while True:
    # 讀取輸入引腳的狀態
    input_state = switch_pin.read()

    # 如果按鈕被按下（狀態為 False）
    if input_state == False:
        print('Button Pressed')

    # 延遲 0.2 秒以避免多餘的輸出
    time.sleep(0.2)

這段程式碼使用 PyFirmata 的 Iterator 來監控 Arduino 的輸入引腳。當按鈕被按下時，程式碼會印出 “Button Pressed” 的訊息。

圖 18-9：Arduino 和按鈕的連線圖

當你執行這段程式碼時，可能需要一兩秒鐘的時間讓 Firmata 啟動並與 Raspberry Pi 建立連線。但是一旦啟動，程式碼就會在每次按下按鈕時印出訊息。

程式碼解釋：

  1. 我們首先匯入必要的模組，包括 pyfirmata 和 time。
  2. 我們初始化 Arduino 連線，指定連線埠為 /dev/ttyACM0。
  3. 我們設定輸入引腳為數位引腳 4（’d:4:i’）。
  4. 我們啟動 Iterator 來監控輸入引腳。
  5. 我們啟用輸入引腳的報告功能。
  6. 我們進入無限迴圈，讀取輸入引腳的狀態，並印出訊息當按鈕被按下。

注意事項：

  • PyFirmata 使用 Iterator 來監控 Arduino 輸入引腳，這意味著你不能直接讀取輸入引腳的值；相反，你需要建立一個獨立的執行緒來管理讀取過程。
  • 本範例程式碼假設你已經在 Arduino 上安裝了 Firmata 標準程式。

使用 PyFirmata 讀取 Arduino 模擬輸入

問題描述

您想要從 Raspberry Pi 上的 Python 讀取 Arduino 的模擬輸入。

解決方案

使用 PyFirmata 讀取 Arduino 的模擬輸入。

所需材料

  • Arduino Uno -麵包板和跳線
  • 10kΩ電位器

連線麵包板

將麵包板連線到 Arduino，如圖 18-10 所示。

安裝 PyFirmata

如果您尚未安裝 PyFirmata，請按照食譜 18.3 的步驟進行安裝。

Python 指令碼

以下 Python 指令碼將顯示模擬輸入的原始讀取值和電壓值：

import pyfirmata

# 初始化 Arduino 連線
board = pyfirmata.Arduino('/dev/ttyACM0')

# 啟用模擬輸入報告
analog_input = board.get_pin('a:0:i')
analog_input.enable_reporting()

# 讀取模擬輸入值
while True:
    reading = analog_input.read()
    voltage = reading * 5.0  # 假設 5V 電源
    print(f'原始讀取值：{reading}, 電壓：{voltage}V')

注意事項

  • 啟用模擬輸入報告後，當您按 Ctrl-C 離開程式時，程式可能不會正常離開。
  • 如果您只有一個開關，使用 Arduino 如此並沒有太大的益處。

參考資料

  • 連線開關到 Raspberry Pi (食譜 12.1)

從 Python 操控 Arduino 數位輸出與讀取數位/類別比輸入，PyFirmata 提供了簡潔易用的橋樑。本文深入剖析 PyFirmata 的核心機制，並從實務佈署的視角探討其應用價值與挑戰。

PyFirmata 將複雜的序列通訊抽象化，讓開發者能以 Python 程式碼直接控制 Arduino 的腳位。透過 board.get_pin() 與 pin.write() 等指令，得以輕鬆控制數位輸出，例如閃爍 LED。此外，讀取數位與類別比輸入也相當直觀，只需設定引腳模式並使用 pin.read() 即可取得感測器資料。然而，PyFirmata 的效能瓶頸在於序列通訊的延遲，尤其在高頻率資料採集時更為明顯。此外，程式結束時可能無法立即釋放序列埠資源，需特別留意。

整合 PyFirmata 至現有系統時，需考慮硬體連線與軟體相容性。使用電平轉換器確保 Raspberry Pi 與 Arduino 的電壓匹配至關重要，避免損壞硬體。軟體方面，則需根據實際應用場景選擇合適的序列埠（/dev/ttyACM0 或 /dev/ttyS0）。此外，程式碼中使用 Iterator 監控輸入引腳的機制，雖能提升效率，但也增加了程式設計的複雜度。

展望未來，PyFirmata 的發展方向將聚焦於提升通訊效率與擴充套件功能。例如，整合更多 Arduino 函式庫，或支援無線通訊協定，將能進一步拓展其應用範圍。同時，隨著物聯網應用日趨普及，PyFirmata 在連線實體世界與數位世界方面將扮演更重要的角色。對於追求快速原型開發和跨平臺整合的專案，PyFirmata 是一個值得評估的方案。技術團隊應著重於解決通訊延遲和資源釋放等核心挑戰，才能充分釋放 PyFirmata 的潛力。

玄貓

玄貓

技術愛好者，專注於分享程式開發、雲端技術與 AI 應用的心得體會。