構(gòu)建運(yùn)行BASIC且具有低成本組件的小型物聯(lián)網(wǎng)計(jì)算機(jī)
資料介紹
描述
?
理念
該項(xiàng)目是關(guān)于構(gòu)建一臺(tái)運(yùn)行 BASIC 且具有低成本組件的小型物聯(lián)網(wǎng)計(jì)算機(jī)。市場(chǎng)上有很多強(qiáng)大的硬件可以用于它。正確集成它們可以幾乎不花錢就能獲得大量計(jì)算能力。
這里展示的計(jì)算機(jī)在我家中用作 MQTT 顯示站。它連接到 Wifi,從 MQTT 代理讀取消息,顯示并記錄它們。它具有 PS2 鍵盤接口,可作為獨(dú)立系統(tǒng)使用。或者,可以通過串行或 USB 接口更改其上的程序。
我使用一些非常有趣的組件來構(gòu)建它。配方的關(guān)鍵成分 Wemos D1 R1 板和 SD/DS1307 數(shù)據(jù)記錄器擴(kuò)展板在沒有硬件修改的情況下是不兼容的。
這個(gè)項(xiàng)目的樂趣在于讓沒有為它正確設(shè)計(jì)的兩件事情一起工作。
Wemos D1 R1 板基于 ESP8266,看起來像 Arduino UNO。引腳排列在某種程度上與 UNO 相同,這可能會(huì)產(chǎn)生誤導(dǎo)。一些 ESP8266 引腳具有不同的功能,這使得在 Wemos D1 上使用 UNO 屏蔽層變得困難。Wemos 試圖將他們定位為 Arduino UNO 的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。一段時(shí)間后,他們停止了網(wǎng)站和制造。這些電路板仍然以每塊 6 歐元的價(jià)格從第三方供應(yīng)商處出售。它們提供了大量的處理能力和內(nèi)存。
配方的第二個(gè)成分是數(shù)據(jù)記錄器防護(hù)罩。這些屏蔽是為 UNO 設(shè)計(jì)和制造的,包含一個(gè) DS1307 實(shí)時(shí)時(shí)鐘、一個(gè) SD 卡座和一個(gè)小型原型區(qū)域。許多中國(guó)制造商從 2010 年左右開始遵循和原創(chuàng)設(shè)計(jì)。每件售價(jià) 4 歐元。
這兩個(gè)組件的典型價(jià)格為 10 歐元。
現(xiàn)在,如果您只是將屏蔽板插入電路板并嘗試使其運(yùn)行,您會(huì)感到失望。ESP8266 CPU 甚至無法啟動(dòng)。原因是數(shù)據(jù)記錄屏蔽的設(shè)計(jì)者對(duì) Arduino 規(guī)范的解釋非常狹隘,而 Wemos 板的設(shè)計(jì)者對(duì)它們的解釋非??犊?/font>
所有這些都可以通過一些盾牌改裝來克服。這使項(xiàng)目更先進(jìn)一些。本教程是關(guān)于其中一些組件和所使用技術(shù)的內(nèi)部工作原理。
修復(fù) Shield 上的 SPI
屏蔽使用引腳 10、11、12 和 13 用于 SPI,這是 Arduino UNO 標(biāo)準(zhǔn)。引腳 10 是從機(jī)選擇引腳 SS。為了避免 SPI 從設(shè)備在啟動(dòng)期間被激活,屏蔽用一個(gè)小電阻將引腳 10 拉高。這在使用 SPI 外設(shè)時(shí)并不少見,也是很好的做法。
Wemos 板的設(shè)計(jì)者已將 ESP12 的一個(gè)數(shù)字輸出連接到此引腳。他們將其命名為 D10,甚至在板上將其標(biāo)記為 SS。
不幸的是,他們?yōu)榇耸褂昧?ESP12 的 GPIO15 引腳。
現(xiàn)在,如果在啟動(dòng)過程中將此引腳拉高,ESP8266 板將不會(huì)啟動(dòng)。這意味著幾乎沒有使用 SPI 和(正確)將 SS 拉高到高電平的屏蔽將在 Wemos D1 板上運(yùn)行。電路板設(shè)計(jì)人員本可以使用任何其他 ESP12 GIO,但這會(huì)使他們的生活變得更加復(fù)雜,因?yàn)樗鼤?huì)使電路板布局更加復(fù)雜。
一個(gè)簡(jiǎn)單的解決方案是簡(jiǎn)單地將 D10 引腳向上彎曲或完全移除,如第一張圖片所示。
通過此修改,微控制器將正確啟動(dòng)。
要在屏蔽板上使用 SD 卡,Arduino 的另一個(gè)引腳必須連接到板的引腳。最好的選擇是使用 D8。它靠近引腳 10,在 ESP8266 上沒有特殊功能。它是一個(gè)無中斷引腳,只能用作數(shù)字 I/O。
為了使屏蔽工作焊接一個(gè)小鏈接,從板上的引腳 8 到引腳 10。現(xiàn)在可以使用SD卡了
修復(fù) I2C 接線
Wemos 開發(fā)板使用左上角復(fù)位按鈕旁邊的引腳用于兩個(gè) I2C 信號(hào) SDA 和 SCL。這些引腳與 SDA 的 GPIO 4 和 SCL 的 GPIO 5 連接。這些是標(biāo)準(zhǔn)的 ESP8266 I2C GPIO。這兩個(gè)引腳也連接到 D3 和 D4。
Arduino UNO 的左上角也有 SDA 和 SCL 引腳。他們還使用電路板另一側(cè)對(duì)角線的 A4 和 A5 引腳。兩組引腳相連。
Wemos D1 電路板設(shè)計(jì)師沒有這樣做。電路板右下角的引腳 A2-A5 未連接。他們也可以將 A4 和 A5 連接到標(biāo)準(zhǔn)的 ESP8266 I2C 引腳,但他們沒有這樣做。
不幸的是,屏蔽在引腳 A4 和 A4 上需要 SDA 和 SCL。沒有額外的 SDA 和 SCL 引腳。
這可以固定在屏蔽上,添加兩條線以連接示意圖中所示的正確引腳。
通過這兩個(gè)修改可以在 Wemos 上使用盾牌。有一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘、一個(gè) SD 卡和一個(gè)適用于所有類型傳感器的工作 I2C 總線。
添加鍵盤插座
要構(gòu)建獨(dú)立計(jì)算機(jī),需要鍵盤。PS2 鍵盤可以輕松連接。PS2 插座也可用于連接其他外圍設(shè)備。
PS2 需要兩個(gè)引腳,一個(gè)用于時(shí)鐘信號(hào),另一個(gè)用于數(shù)據(jù)輸入。時(shí)鐘引腳必須準(zhǔn)備好中斷。帶屏蔽的 Wemos 唯一空閑的中斷就緒引腳是引腳 9。引腳 8 不能用于 ESP8266 上的中斷。這就是為什么針腳 8 用于從機(jī)選擇而針腳 9 在屏蔽改裝中空閑的原因。引腳 2 可用于 PS2 插座的數(shù)據(jù)連接。如圖所示,將引腳連接到 PS2 連接器。時(shí)鐘到引腳 9 和 8 到數(shù)據(jù)。
完整的屏蔽現(xiàn)在頂部有很多電線,可以安裝在 Wemos D1 R1 板上。如果我在實(shí)驗(yàn)室中使用這些部件,我通常將它們放在一小塊膠合板上并添加一塊面包板。
上傳軟件
您需要在您的計(jì)算機(jī)上安裝一個(gè)具有 ESP8266 板定義的 Arduino IDE。http://arduino.esp8266.com/stable/package_esp8266com_index.json。有很多關(guān)于如何將 IDE 與 ESP 一起使用的教程,所以我不會(huì)在這里寫任何關(guān)于它的內(nèi)容。
我在這個(gè)硬件配置上使用我的 IoT BASIC 解釋器。如果你想這樣做,請(qǐng)從我的倉(cāng)庫(kù)https://github.com/slviajero/tinybasic/tree/main/TinybasicArduino 下載軟件。
首先您需要在 TinybasicArduino.ino 中設(shè)置語(yǔ)言設(shè)置。
#define BASICFULL
設(shè)置定義 BASICFULL。這將編譯一個(gè)功能齊全的 BASIC 解釋器。
解釋器是一個(gè)全新的實(shí)現(xiàn)。盡管文件夾名稱為 Arduino Tiny BASIC,但沒有使用任何部分。它實(shí)現(xiàn)了 80 年代強(qiáng)大的 BASIC 解釋器的大部分功能以及更多功能。
您需要編輯文件 hardware-arduino.h 并設(shè)置定義
#define WEMOSSHIELD
代碼開頭的所有其他硬件定義都應(yīng)該是#undef。
這將為此配置設(shè)置所有必要的硬件參數(shù)。如果你想使用 PS2 鍵盤,請(qǐng)從https://github.com/slviajero/PS2Keyboard 下載我修補(bǔ)的 PS2 庫(kù)。未經(jīng)修改的 Arduino 庫(kù)不適用于 ESP8266。您還需要 uRTCLib https://github.com/Naguissa/uRTCLib ,可以在 Arduino IDE 中下載。
編輯文件 wifisettings.h 并輸入您的 WLAN 設(shè)置。
使用 Arduino IDE 的 ESP8266 板菜單中的板設(shè)置 Wemos D1 R1 編譯草圖。最后插入格式化的 SD 卡。上傳軟件后,在連接 Arduino 串行監(jiān)視器時(shí),您應(yīng)該會(huì)看到 BASIC 輸入提示。
Stefan's Basic 1.4a Memory 41000 1014
memory 之后的第一個(gè)數(shù)字是 RAM,第二個(gè)是 EEPROM 大小。
在此處輸入 netstat 命令將顯示 Wifi 和 MQTT 服務(wù)器狀態(tài)。系統(tǒng)會(huì)回答。
> netstat
如果 Wifi 連接成功。
添加顯示器
對(duì)于這個(gè)擴(kuò)展,您需要一個(gè)帶有 I2C 接口的 20x4 LCD 顯示器。較小的顯示器也可以使用,但必須在 BASIC 代碼中更改顯示尺寸。
關(guān)閉系統(tǒng)電源,然后將顯示器連接到 5V 和 GND 電源引腳以及微控制器的 SCL 和 SDA 引腳。重新啟動(dòng)系統(tǒng)。
PRINT &2, "hello world"
應(yīng)該在屏幕上顯示文本。
PUT &2, 12
清除屏幕。12 是換頁(yè)的 ASCII 值。&2 是顯示輸出流。顯示器可以滾動(dòng)并具有用于光標(biāo)控制的 VT52 控制字符子集。
如果您沒有看到任何東西,請(qǐng)檢查顯示屏背面的亮度控制。
從 BASIC 寫入 MQTT 消息
BASIC 命令的概述以及如何使用 IoT BASIC 可以在我的 wiki 上找到。該語(yǔ)言主要是標(biāo)準(zhǔn) BASIC 語(yǔ)言,有一些差異,例如 Apple 1 風(fēng)格的字符串處理和 IoT 輔助函數(shù)。
本教程將主要關(guān)注 BASIC 解釋器的 MQTT 特性。MQTT 作為概念驗(yàn)證代碼內(nèi)置,具有未加密和未經(jīng)身份驗(yàn)證的通信。MQTT代理地址編譯成代碼:
const char* mqtt_server = "test.mosquitto.org";
這是 mosquitto 測(cè)試服務(wù)器。可以使用任何其他開放的 MQTT 代理。
通過首先打開具有主題名稱的 MQTT I/O 流來啟動(dòng)對(duì) MQTT 主題的寫入。
OPEN &9, "iotbasic/data" ,1
&9 是 BASIC 中的 MQTT I/O 流,字符串是主題名稱,1 是打開流進(jìn)行寫入的標(biāo)志。netstat 命令現(xiàn)在應(yīng)該顯示如下輸出
> netstat
輸出主題設(shè)置為指定值。使用 PRINT 命令向該主題發(fā)送消息
PRINT &9, "hello world"
網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)現(xiàn)在應(yīng)該是
> netstat
MQTT 狀態(tài) 0 表示連接處于活動(dòng)狀態(tài)。MQTT 名稱是隨機(jī)設(shè)置的,以使其唯一。如果您在客戶端程序上收聽該主題,您可以看到該消息。我推薦來自https://www.easymqtt.app的 EasyMQTT 應(yīng)用程序。
從 BASIC 讀取 MQTT 消息
可以使用命令打開流以供讀取
OPEN &9, "iotbasic/commands", 0
標(biāo)志 0 打開流進(jìn)行讀取。從像 EasyMQTT 這樣的 MQTT 客戶端向主題發(fā)送消息將導(dǎo)致消息被緩沖,以便通過后臺(tái)任務(wù)在 BASIC 中讀取。BASIC 函數(shù) AVAIL(9) 檢查是否有要讀取的數(shù)據(jù)。如果
PRINT AVAIL(9)
傳遞一個(gè)大于 0 的值,您可以輸入并顯示消息
INPUT &9, A$
BASIC 將通過保持活動(dòng)機(jī)制無限期地保持讀取流打開和活動(dòng)。如果與 MQTT 服務(wù)器的連接失敗,它會(huì)自動(dòng)重新連接。如果未指定讀取主題,則 MQTT 連接會(huì)在一段時(shí)間后關(guān)閉,但在下一次 PRINT 到通道 &9 后重建。所有后臺(tái)任務(wù)和 ESP8266 特定的 yield() 機(jī)制也由 BASIC 解釋器處理。
測(cè)量數(shù)據(jù)并通過 MQTT 發(fā)送數(shù)據(jù)
連接到此類電路板的典型設(shè)備可能是土壤濕度傳感器。每個(gè) Arduino 愛好者都會(huì)在某個(gè)地方放置一個(gè)。或者,也可以使用模擬光傳感器。
將傳感器連接到電源和屏蔽的模擬輸入 A0。
在 BASIC 中,使用 AREAD() 函數(shù)讀取模擬數(shù)據(jù)。通過鍵入檢查傳感器
PRINT AREAD(AZERO)
根據(jù) Arduino 模擬數(shù)據(jù)的約定,輸出應(yīng)該是 0 到 1023 之間的值。
定期測(cè)量土壤濕度并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)?MQTT 代理的小型 BASIC 程序可能如下所示:
10 OPEN &9,"iotbasic/data",1
在控制臺(tái)中輸入后,保存程序
SAVE "hum.bas"
到 SD 卡。然后使用 RUN 啟動(dòng)程序。您應(yīng)該每秒都可以看到 MQTT 消息進(jìn)入您的 EasyMQTT 應(yīng)用程序。通過串行控制臺(tái)發(fā)送 # 字符可以中斷程序,然后返回命令提示符。
如果以名稱保存程序
SAVE "autoexec.bas"
系統(tǒng)重啟后會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)。通過這種方式,您可以斷開微控制器與計(jì)算機(jī)的連接,將其連接到電源或電池,然后開始將其作為獨(dú)立的傳感器系統(tǒng)運(yùn)行。
與交互模式一樣,從控制臺(tái)發(fā)送 # 將停止程序并讓您訪問命令提示符。
激活實(shí)時(shí)時(shí)鐘
實(shí)時(shí)時(shí)鐘必須設(shè)置一次才能運(yùn)行。使用 BASIC 中的特殊數(shù)組 @t() 設(shè)置時(shí)間。可以通過輸入將時(shí)鐘設(shè)置為 2022 年 3 月 6 日星期日 14:10:00
@t(0)=0 : @t(1)=10 : @t(2)=14 : @t(3)=6 : @t(4)=3 : @t(5)=22 : @t(6)=0
在 BASIC 命令提示符之后。時(shí)間元素可以單獨(dú)顯示,也可以使用特殊字符串@t$ 一起顯示。
PRINT @T$
將會(huì)呈現(xiàn)
14:10:02-6/3/22
將數(shù)據(jù)保存到 SD 卡
多輸入幾行來修改上面的程序
50 OPEN &16,"hum.dat",2
保存程序,然后運(yùn)行它。您應(yīng)該會(huì)在 MQTT 通道中看到數(shù)據(jù)。
過了一會(huì)兒,斷開微控制器與計(jì)算機(jī)的連接,取出 SD 卡并查看上面的文件 hum.dat。
它將逐行包含帶有時(shí)間戳和測(cè)量值的數(shù)據(jù)。OPEN 語(yǔ)句打開文件通道 &16,文件名為“hum.dat”,標(biāo)志為 2,表示追加。該文件在每次寫入后關(guān)閉,以確保它正確刷新到磁盤。SD 卡可以取出并重新插入。
接收和顯示 MQTT 消息
輸入 NEW 清除程序存儲(chǔ),然后進(jìn)入一個(gè)小型 MQTT 閱讀器程序。
10 OPEN &9,"iotbasic/commands",0
輸入保存程序
SAVE "display.bas"
并使用 RUN 運(yùn)行它。
當(dāng)程序運(yùn)行時(shí),使用 EasyMQTT 向主題 iotbasic/commands 發(fā)送 MQTT 消息,并在 LCD 屏幕上看到它們顯示在相應(yīng)的時(shí)間戳上。
BASIC 程序中的第 20 行每秒檢查傳入消息并循環(huán)直到到達(dá)消息。請(qǐng)注意,MQTT 消息是由系統(tǒng)異步接收的。真正的 MQTT 客戶端循環(huán)隱藏在 BASIC 解釋器中。它以 32 毫秒的速度運(yùn)行。
連接鍵盤
我們現(xiàn)在準(zhǔn)備連接鍵盤并使計(jì)算機(jī)獨(dú)立。
PS2 不可熱插拔。請(qǐng)斷開微控制器與計(jì)算機(jī)的連接,插入鍵盤,然后重新連接。某些 PS2 鍵盤在開機(jī)時(shí)無法正確初始化。他們需要大量電力,并且為內(nèi)部電容器充電需要的時(shí)間太長(zhǎng)了。如果發(fā)生這種情況,請(qǐng)暫時(shí)斷開系統(tǒng)的電源并重新連接。觀察鍵盤狀態(tài)行。
鍵盤 IO 是通過 BASIC 中的輸入通道 &2 完成的。像這樣的代碼
INPUT &2, A$
讓您從鍵盤輸入數(shù)據(jù)。
如果這可行,您可以使用標(biāo)志重新編譯解釋器
#define STANDALONE
這使它成為一個(gè)獨(dú)立系統(tǒng),默認(rèn)為鍵盤和顯示 I/O。在我的維基https://github.com/slviajero/tinybasic/wiki或章節(jié)https://github.com/slviajero/tinybasic/wiki/Projects:-3.-Rockwell-AIM-65中閱讀有關(guān)此內(nèi)容的更多信息- 相似計(jì)算機(jī)
關(guān)于這個(gè)和那個(gè)的結(jié)束語(yǔ)
邪惡的電子產(chǎn)品
你們中的一些人可能已經(jīng)注意到我們正在做的一些事情中的邪惡部分。ESP8266 是 3.3V 機(jī)器。該芯片未指定用于 5V 操作。然而,我們將 PS2 鍵盤連接到它。它需要 5V,并將更高的電壓施加到 Wemos D1 R1 的輸入引腳上。實(shí)際上,我們的外圍設(shè)備應(yīng)該炸芯片。
當(dāng)它出現(xiàn)在市場(chǎng)上時(shí),有很多討論板是否可以承受 5V。官方和規(guī)范從來都不是。實(shí)際上是這樣,Wemos 的某個(gè)人也在用戶論壇中聲明了這一點(diǎn)。
我在其 I2C 總線上嘗試了各種 5V 組件,它們都工作正常。這就是為什么盡管它的設(shè)計(jì)存在缺陷,但我還是非常喜歡該板。它不是初學(xué)者板,但它有很大的潛力。
為什么選擇 BASIC?
為什么要使用 BASIC 這種最過時(shí)的編程語(yǔ)言來做物聯(lián)網(wǎng)?Lua 和 Python 更適合它。C++ 是大多數(shù)微控制器軟件的實(shí)現(xiàn)語(yǔ)言。為什么使用基于 1977 年語(yǔ)言概念的 BASIC 方言而不是較新的方言?
首先,因?yàn)閺念^開始創(chuàng)建一種編程語(yǔ)言,擁有代碼并根據(jù)自己的需要進(jìn)行修改是很有趣的。
其次,我觀察到我的大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)程序都有一個(gè)非常簡(jiǎn)單的邏輯。它們屬于“讀取傳感器并每 10 秒廣播一次值”的類型。使它們變得復(fù)雜的是硬件集成、傳感器代碼、I2C 和 SPI 協(xié)議以及 MQTT 連接的東西。所有這些復(fù)雜性都封裝在目前大約 200 kB 的 BASIC 解釋器代碼中。簡(jiǎn)單的部分可以在 BASIC 中非常快速地完成。
第三,BASIC 解釋器從非常小的 Arduino UNO 系統(tǒng)擴(kuò)展到 ESP32 和 Raspberry PI。它是一些具有相同特征的語(yǔ)言。小型 BASIC 程序在這些不同的系統(tǒng)之間是完全可移植的。我仍然為 AVR 168 CPU 編譯最小版本的解釋器,以確保它保持緊??湊。它既穩(wěn)定又快速,因?yàn)樗苊饬伺f BASIC 的一些緩慢的東西。它完全標(biāo)記化并非常經(jīng)濟(jì)地處理內(nèi)存。它具有確定性和實(shí)時(shí)性。
更多的東西來
Wifi 和 MQTT 代碼只是概念證明。需要加密和認(rèn)證的 MQTT。LoraWAN 正在準(zhǔn)備中。對(duì)于 Lora,我使用了 Heltech Lora 系統(tǒng),該系統(tǒng)具有許多有趣的功能。
使用的庫(kù)
董事會(huì)鏈接
有關(guān) BASIC 計(jì)算機(jī)的更多信息
還有一些基于此軟件的計(jì)算機(jī)。
如果您需要 80 年代風(fēng)格的家用電腦,您可能想看看這個(gè)教程https://www.instructables.com/Build-a-80s-Style-Home-Computer-From-Scratch-From-/
帶有圖形的較小系統(tǒng)將是https://www.instructables.com/A-Arduino-RP2040-Standalone-IoT-Computer-Running-B/
它們是與 Wemos / 數(shù)據(jù)記錄器系統(tǒng)兼容的軟件。
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