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)

描述

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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)它們的解釋非常慷慨。

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)簡單的解決方案是簡單地將 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)從我的倉庫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。未經(jīng)修改的 Arduino 庫不適用于 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。該語言主要是標(biāo)準(zhǔn) BASIC 語言，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

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)語言。為什么使用基于 1977 年語言概念的 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。簡單的部分可以在 BASIC 中非?？焖俚赝瓿?。

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

• https://github.com/slviajero/tinybasic

• https://github.com/slviajero/PS2Keyboard

• https://github.com/Naguissa/uRTCLib

董事會(huì)鏈接

• http://arduino.esp8266.com/stable/package_esp8266com_index.json

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。