談如何用Python控制Arduino

羅亮 陳紅 盧解卿

Python是一種面向?qū)ο?、解釋型?jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，它的設(shè)計(jì)哲學(xué)是優(yōu)雅、明確、簡(jiǎn)單。因?yàn)槠溟_源免費(fèi)的精神與簡(jiǎn)單易學(xué)的特點(diǎn)，自1989年問世以來，尤其是2004年以后，Python的使用率呈線性增長(zhǎng)并被TIOBE編程語(yǔ)言排行榜評(píng)為2010年度語(yǔ)言。

Arduino是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺(tái)，它包含可以用來做電路連接的Arduino電路板和配套的程序開發(fā)環(huán)境（Arduino IDE）?；贏rduino的項(xiàng)目，可以只包含Arduino，也可以包含Arduino和其他一些在PC上運(yùn)行的軟件，如Processing、VB、Python等。

當(dāng)我們使用Python語(yǔ)言通過串口控制Arduino讀取設(shè)備狀況并實(shí)施控制的時(shí)候，就構(gòu)成了上位機(jī)下位機(jī)系統(tǒng)。安裝有Python之類軟件實(shí)施控制的計(jì)算機(jī)為上位機(jī)，能夠控制設(shè)備并獲取設(shè)備狀況的Arduino為下位機(jī)，它們相互之間可以通過串行口或無線的方式進(jìn)行通訊，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)控制與被控制。

安裝Python

Python主要分為兩大類，即Python2和Python3。Python2是目前應(yīng)用最廣泛的一個(gè)版本，最新版本號(hào)為2.7.11，適合初學(xué)者學(xué)習(xí)使用。Python3相對(duì)于Python2而言，有很多接口發(fā)生了變化并且可用的第三方庫(kù)不多且不成熟，雖然它代表以后的發(fā)展趨勢(shì)，但還是不建議初學(xué)者使用。Python下載地址為：https：//www.python.org/downloads/。本例是下載了2.7.11版本，文件名為python-2.7.11.msi，安裝在文件夾“C：＼Python27”，安裝過程中注意在如圖1的設(shè)置中添加可執(zhí)行文件搜索路徑。

安裝Arduino

Arduino主控板部分可在淘寶網(wǎng)上通過關(guān)鍵詞“arduino uno”“arduino mini”“arduino mega”搜索購(gòu)買。Arduino集成開發(fā)環(huán)境（Arduino IDE）可訪問“https：//www.arduino.cc/en/Main/Software”，根據(jù)需要下載安裝，最新版本為1.6.7，歷經(jīng)Arduino 00xx、Arduino 1.0.x、1.5.x BETA、Arduino 1.6.x四個(gè)系列的版本。本例硬件使用了Arduino Uno，軟件使用了Arduino1.5.8版本。軟件安裝在文件夾“C：＼arduino158”，當(dāng)Arduino Uno主控板與計(jì)算機(jī)通過USB連接后，需要安裝驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)文件默認(rèn)在文件夾“C：＼arduino158＼drivers”，安裝完成后，在設(shè)備管理器中可以看到Arduino Uno占用的串行端口號(hào)，如圖2所示。

安裝Pyserial

Pyserial是協(xié)助Python控制串口通訊的第三方庫(kù)。pyserialv2.7下載地址為：http：//sourceforge.net/projects/pyserial/，pyserialV3.0下載地址為：https：//github.com/pyserial/pyserial。

若非Windows 64位操作系統(tǒng)，下載pyserial-2.7.win32.exe直接安裝即可，否則需要使用pyserial-2.7.tar.gz文件手動(dòng)進(jìn)行安裝。安裝方法為：將pyserial-2.7.tar.gz解壓至C盤根目錄后，運(yùn)行CMD命令，進(jìn)入文件夾“C：＼ pyserial-2.7”，執(zhí)行安裝命令：“python setup.py install”。具體執(zhí)行過程可參考圖3的步驟。

啟動(dòng)Arduino IDE作為下位機(jī)進(jìn)行通訊調(diào)試

當(dāng)Arduino主控板連上PC主機(jī)并安裝好相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序后，我們使用鼠標(biāo)雙擊Arduino安裝文件夾中的arduino.exe可以達(dá)到啟動(dòng)Arduino集成編輯環(huán)境的目的。

啟動(dòng)完成后，可通過菜單“file→preferences”設(shè)置中文環(huán)境，通過菜單“工具→板”設(shè)置“Arduino Uno”，“工具→端口”設(shè)置“Com3（Arduino Uno）”。如表1所示，輸入相關(guān)程序代碼后，點(diǎn)擊“上傳”按鈕燒錄程序至Arduino主控板中。啟用串口監(jiān)視器后，根據(jù)程序代碼，輸入字符o，點(diǎn)擊按鈕“發(fā)送”可以發(fā)現(xiàn)Arduino主控板與數(shù)字引腳13相連的Led燈會(huì)變亮，輸入字符c，點(diǎn)擊按鈕“發(fā)送”可以發(fā)現(xiàn)Arduino主控板與數(shù)字引腳13相連的Led燈會(huì)停止發(fā)光。具體程序代碼的功能，請(qǐng)查看表1中相應(yīng)的注釋。

啟動(dòng)Python并進(jìn)行初步通訊調(diào)試

安裝完成Python運(yùn)行與編輯環(huán)境及涉及串口通訊的第三方庫(kù)pyserial后，通過“開始→所有程序→Python 2.7→IDLE（Python GUI）”或“Python（command line）”直接啟動(dòng)Python，亦可以找到Python安裝文件夾下的“python.exe”雙擊啟動(dòng)。啟動(dòng)完成后，在命令提示符“>>>”下依次輸入import serial、ser=serial.Serial（2）、ser.write（“o”）、ser.write（“c”）等命令就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)Arduino主板上與數(shù)字引腳13相連Led燈的控制，ser.close（）關(guān)閉打開的串行口，exit（）退出Python運(yùn)行環(huán)境。

注意：本例Arduino使用串行口3，故serial.Serial（）中的參數(shù)為2，參數(shù)始終比串行口序號(hào)小1。

有關(guān)pyserial的詳細(xì)用法，可以參考http：//pythonhosted.org/pyserial/。以下的例子是先定義串行口ser，然后再對(duì)串行口ser進(jìn)行配置。

趣味拓展：隨論壇在線人數(shù)變化的燈

我們?cè)谠L問論壇時(shí)，經(jīng)常會(huì)看到類似的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)：。結(jié)合Python和Arduino各自擅長(zhǎng)的功能，可以輕松做到讀取在線人數(shù)并根據(jù)在線人數(shù)多少?zèng)Q定亮燈情況。表2所示代碼是簡(jiǎn)化情況，我們可以根據(jù)需要修改Python及相應(yīng)的Arduino程序，讓亮燈更加人性化。

尤其應(yīng)引起注意的是：①字符編碼問題。安裝chardet模塊，可以準(zhǔn)確知道網(wǎng)絡(luò)中獲取字符的編碼，從而正確處理。②多空一行。Python構(gòu)成語(yǔ)句塊的代碼需要多增加一個(gè)空行。詳見第18行代碼。③適當(dāng)延時(shí)。在程序執(zhí)行方式下，串行口對(duì)象ser來不及初始化，就迅速執(zhí)行后面代碼，導(dǎo)致無效write，當(dāng)加了第13行代碼后，則一切正常。④確保論壇首頁(yè)有“總計(jì)”“人在線”相關(guān)關(guān)鍵字，若無，請(qǐng)根據(jù)實(shí)際情況修改。

后記

Python第三方庫(kù)——pyserial提供了豐富的函數(shù)對(duì)串行口進(jìn)行操作，從而使Phthon能夠很方便地對(duì)Arduino進(jìn)行通訊。

在編寫程序代碼進(jìn)行控制的過程中，要注意Python、Arduino使用同樣的通訊速率并且不要太大，建議都使用9600，否則容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。

經(jīng)過試驗(yàn)，若上位機(jī)PC、下位機(jī)Arduino均安裝藍(lán)牙，亦可以使用pyserial進(jìn)行無線通訊達(dá)到控制的目的，有興趣的同仁可以自行嘗試。

Python的GUI編程似乎并不容易上手，其內(nèi)建的Tkinter只能進(jìn)行簡(jiǎn)單GUI布局，若要做到VB集成開發(fā)環(huán)境所見即所得的效果，估計(jì)還需要安裝wxPython、Jython之類第三方庫(kù)才能做到。圖4是使用Python的Tkinter構(gòu)建的控制Arduino主控板Led燈GUI界面，相關(guān)程序可聯(lián)系linkall@sina.com取得。