Raspberry Pi 藍牙與 MicroPython 物聯網應用

Raspberry Pi 的板載藍牙功能讓我們能輕鬆與智慧型手機建立連線，進行資料交換和裝置控制。透過簡單的 Python 程式碼，就能夠實作藍牙通訊，並使用 Blue Dot 應用程式操控連線 Raspberry Pi 的家電裝置。更進一步，MicroPython 作為一種輕量級的 Python 語言，非常適合應用於資源有限的微控制器，像是 Pyboard 和 ESP32。透過 MicroPython，可以開發各式各樣的物聯網應用，例如智慧家庭自動化系統，控制燈光、家電、監控環境等。設定 MicroPython 開發環境也相當簡便，只需在 PyCharm 安裝外掛，並設定好裝置路徑即可開始開發。文章中提供的程式碼範例，示範瞭如何使用 MicroPython 控制 LED、OLED 顯示器、按鈕和繼電器等元件，並結合 Blynk 應用程式實作遠端控制。這些技術都能應用於建構智慧家庭自動化系統，提升家居生活的便利性和效率。

配置 Raspberry Pi 3B+ 的板載藍牙

Raspberry Pi 的板載藍牙可以用於向智慧型手機傳送/接收檔案。將藍牙裝置與 Raspberry Pi 配對的過程與智慧型手機或筆記型電腦類似。

步驟 1：啟用藍牙 → 設為可被發現（圖 3.25a）

首先，需要在 Raspberry Pi 上啟用藍牙功能，並將其設為可被發現的狀態。

步驟 2：啟用智慧型手機的藍牙

同時，在智慧型手機上啟用藍牙功能。然後，在 Raspberry Pi 上選擇「新增裝置」（圖 3.25a）。

藍牙通訊的應用

透過藍牙通訊，Raspberry Pi 可以與智慧型手機之間進行資料交換和裝置控制。這種無線通訊方式可以方便地控制 Raspberry Pi 上連線的裝置，例如 LED 燈、電機等。

實作藍牙通訊的程式碼

以下是一個簡單的範例，示範如何使用 Python 程式語言在 Raspberry Pi 上實作藍牙通訊：

import bluetooth

# 設定藍牙地址和埠
addr = "xx:xx:xx:xx:xx:xx"
port = 1

# 建立藍牙 socket
sock = bluetooth.BluetoothSocket(bluetooth.RFCOMM)

# 連線到智慧型手機
sock.connect((addr, port))

# 傳送資料到智慧型手機
sock.send("Hello, Android!")

# 接收資料從智慧型手機
data = sock.recv(1024)

# 關閉 socket
sock.close()

這個範例示範瞭如何使用 Python 的 bluetooth 模組在 Raspberry Pi 上建立藍牙通訊。透過這個模組，可以輕鬆地實作藍牙通訊的功能。

Raspberry Pi 與藍牙裝置的連線

要連線 Raspberry Pi 與藍牙裝置，首先需要選擇「新增裝置」（Add device），然後選擇要連線的藍牙裝置，例如「Samsung M20」。接下來，需要確認配對碼，然後就可以建立連線。

使用 Blue Dot 應用程式控制裝置

要使用 Blue Dot 應用程式控制裝置，需要先下載並安裝 Blue Dot 應用程式到手機上。接下來，需要在 Raspberry Pi 上安裝 dbus 和 bluedot 套件。

sudo apt install python3-dbus
sudo pip3 install bluedot

然後，需要升級 bluedot 到最新版本。

sudo pip3 install bluedot --upgrade

Python 程式控制家電

以下是使用 Blue Dot 應用程式控制家電的 Python 程式。

import os
from bluedot import BlueDot
import RPi.GPIO as GPIO

GPIO.setmode(GPIO.BOARD)
pin = 11  # Physical Pin-11=GPIO 17
GPIO.setup(pin, GPIO.OUT)

bd = BlueDot()
while True:
    bd.wait_for_press()
    GPIO.output(pin, GPIO.HIGH)  # 開啟家電
    bd.wait_for_release()
    GPIO.output(pin, GPIO.LOW)  # 關閉家電

練習

1. 連線 5 個 LED 燈到 Raspberry Pi，配置 Raspberry Pi 在 BCM 模式並控制 LED 燈的亮度。
2. 使用 Blue Dot 應用程式控制多個家電的開關。

圖表翻譯

圖 3.26 顯示了 Raspberry Pi 與繼電器的電路圖，用於控制家電。圖 3.27 顯示了使用 Blue Dot 應用程式控制繼電器的流程圖。

內容解密

本章介紹瞭如何使用 Raspberry Pi 和 Blue Dot 應用程式控制家電。首先，需要連線 Raspberry Pi 和藍牙裝置，然後安裝 dbus 和 bluedot 套件。接下來，需要編寫 Python 程式控制家電的開關。最終，需要使用 Blue Dot 應用程式控制家電的開關。

微控制器與物聯網應用

微控制器是物聯網（IoT）應用的核心元件，負責感知和控制物理世界。其中，MicroPython是一種根據Python的程式語言，專門為微控制器設計，能夠在資源有限的嵌入式系統中高效執行。

MicroPython安裝與設定

要使用MicroPython，需要在PyCharm IDE中安裝MicroPython外掛。以下是安裝步驟：

1. 開啟PyCharm IDE，前往「File」>「Settings」>「Plugins」，搜尋「MicroPython」並點選「Install」按鈕。
2. 建立一個新的Python專案，前往「File」>「New Project」，輸入專案名稱（例如「TestIoT」），然後點選「Create」按鈕。
3. 設定專案結構，前往「File」>「Settings」>「Project: TestIoT」>「Project structure」，右鍵點選「.Idea」和「venv」，選擇「Excluded」。
4. 啟用MicroPython支援和路徑選擇，前往「File」>「Settings」>「Languages & Frameworks」>「MicroPython」，選擇裝置型別為「Pyboard」，勾選「Enable Micropython support」和「Auto detect device path」。

MicroPython程式設計

MicroPython是一種簡單易用的程式語言，與Python語法相似。以下是一個簡單的例子，展示如何使用MicroPython控制Pyboard上的LED：

import pyb

pyb.LED(1).on()
pyb.LED(2).on()

這段程式碼將Pyboard上的LED 1和LED 2點亮。

物聯網應用

MicroPython可以用於各種物聯網應用，例如：

• 家居自動化：使用MicroPython控制家居裝置，例如燈光、溫度和安全系統。
• 環境監測：使用MicroPython感知和監測環境引數，例如溫度、濕度和空氣質量。
• 智慧農業：使用MicroPython控制農業裝置，例如灌溉系統和溫室監測系統。

智慧家庭自動化系統

隨著科技的進步，智慧家庭自動化系統已成為現代生活中不可或缺的一部分。這種系統可以讓家庭主人透過網際網路控制和監控家中的各種裝置，例如照明、溫度、安全系統等。

智慧家庭自動化的優點

智慧家庭自動化系統可以提供許多優點，包括：

• 提高安全性：透過遠端監控和控制，家庭主人可以即時發現和應對可能的安全威脅。
• 節能：自動化系統可以根據使用情況和時間表調整能源消耗，從而節省能源和降低成本。
• 方便性：家庭主人可以透過手機或平板電腦遠端控制家中的裝置，無需親自到場。

智慧家庭自動化系統的組成

一套完整的智慧家庭自動化系統通常包括以下元件：

• 感測器：用於檢測和監控家中的各種引數，例如溫度、濕度、光照等。
• 執行器：用於控制和調整家中的裝置，例如燈光、溫度、安全系統等。
• 閘道器：用於連線感測器和執行器，將資料傳送到雲端或手機應用程式。
• 雲端平臺：用於儲存和分析資料，提供使用者介面和遠端控制功能。

實作智慧家庭自動化的方法

實作智慧家庭自動化的方法有很多，包括：

• 使用 Pyboard 或 ESP32 等微控制器，結合 Blynk 等手機應用程式，實作遠端控制和監控。
• 使用 OLED 顯示器，顯示家中的裝置狀態和資料。
• 使用 I2C 通訊協議，連線微控制器和 OLED 顯示器。

智慧家庭自動化的應用場景

智慧家庭自動化的應用場景包括：

• 照明控制：自動調整照明亮度和色溫，根據時間和使用情況。
• 溫度控制：自動調整溫度，根據時間和使用情況。
• 安全系統：自動監控和報警，當發現可疑情況時。

以下是使用 Pyboard 和 ESP32 實作智慧家庭自動化的範例程式碼：

import pyb
import ssd1306

# 初始化 OLED 顯示器
oled = ssd1306.SSD1306(pyb.I2C(1))

# 定義按鈕和繼電器的連線
button1 = pyb.Pin('X1', pyb.Pin.IN)
relay1 = pyb.Pin('Y1', pyb.Pin.OUT)

# 定義繼電器的狀態
relay_state = False

# 主迴圈
while True:
    # 讀取按鈕的狀態
    button_state = button1.value()

    # 如果按鈕被按下，則切換繼電器的狀態
    if button_state:
        relay_state = not relay_state
        relay1.value(relay_state)

    # 顯示繼電器的狀態
    oled.text('Relay: ' + ('On' if relay_state else 'Off'), 0, 0)
    oled.show()

    # 延遲 100 毫秒
    pyb.delay(100)

這個範例程式碼使用 Pyboard 和 OLED 顯示器，實作了一個簡單的智慧家庭自動化系統。系統可以透過按鈕控制繼電器的狀態，並顯示繼電器的狀態在 OLED 顯示器上。

內容解密：

上述程式碼使用 Pyboard 和 OLED 顯示器，實作了一個簡單的智慧家庭自動化系統。系統可以透過按鈕控制繼電器的狀態，並顯示繼電器的狀態在 OLED 顯示器上。程式碼使用 Pyboard 的 I2C 通訊協議，連線 OLED 顯示器，並使用 Pyboard 的 GPIO 腳位，連線按鈕和繼電器。

圖表翻譯：

以下是使用 Plantuml 語法繪製的智慧家庭自動化系統流程圖： 這個流程圖顯示了智慧家庭自動化系統的工作流程。當按鈕被按下時，系統會切換繼電器的狀態，並顯示繼電器的狀態在 OLED 顯示器上。然後，系統會延遲 100 毫秒，然後回到初始狀態。

家居自動化控制系統

硬體連線設定

根據圖 4.2 的設定，確保所有連線正確無誤。接下來，編寫 main.py 程式碼以控制家居自動化系統。

# 家居自動化控制系統
import time
import ssd1306
import machine
from pyb import Pin

from micropython import const

# 定義 OLED 顯示器的寬度和高度
width = const(128)
height = const(64)

# 初始化 OLED 的 SCL 和 SDA 腳位
ssd1306_scl = Pin('X9', Pin.OUT_PP)
ssd1306_sda = Pin('X10', Pin.OUT_PP)

# 建立 I2C 物件
i2c_ssd1306 = machine.I2C(scl=ssd1306_scl, sda=ssd1306_sda)

# 建立 OLED 物件
oled = ssd1306.SSD1306_I2C(width, height, i2c_ssd1306)

# 清空 OLED 顯示器
oled.fill(0)

# 初始化輸入和輸出腳位
p_in1 = Pin('X1', Pin.IN, Pin.PULL_UP)
p_in2 = Pin('X2', Pin.IN, Pin.PULL_UP)
p_in3 = Pin('X3', Pin.IN, Pin.PULL_UP)
p_in4 = Pin('X4', Pin.IN, Pin.PULL_UP)

p_out1 = Pin('Y1', Pin.OUT, Pin.OUT_PP)
p_out2 = Pin('Y2', Pin.OUT_PP)
p_out3 = Pin('Y3', Pin.OUT_PP)
p_out4 = Pin('Y4', Pin.OUT_PP)

內容解密：

這段程式碼主要用於初始化家居自動化控制系統的硬體設定，包括 OLED 顯示器、輸入和輸出腳位等。首先，定義 OLED 顯示器的寬度和高度，然後初始化 OLED 的 SCL 和 SDA 腳位。接下來，建立 I2C 物件和 OLED 物件，最後初始化輸入和輸出腳位。

圖表翻譯：

這個流程圖描述了家居自動化控制系統的初始化過程，從初始化 OLED 顯示器開始，到建立 I2C 物件和 OLED 物件，最後初始化輸入和輸出腳位，然後控制家居自動化系統。

自動控制系統實作

在這個例子中，我們將實作一個簡單的自動控制系統，使用MicroPython控制OLED顯示屏和GPIO引腳。系統將根據兩個輸入訊號（p_in1和p_in2）控制兩個輸出訊號（p_out1和p_out2），並在OLED顯示屏上顯示相應的狀態。

硬體連線

• p_in1和p_in2連線到兩個按鈕或開關，作為輸入訊號。
• p_out1和p_out2連線到兩個繼電器或LED，作為輸出訊號。
• OLED顯示屏連線到MicroPython板的I2C介面。

程式碼

import machine
import ssd1306

# 初始化OLED顯示屏
i2c = machine.I2C(scl=machine.Pin(5), sda=machine.Pin(4))
oled = ssd1306.SSD1306_I2C(128, 64, i2c)

# 初始化輸入和輸出引腳
p_in1 = machine.Pin(0, machine.Pin.IN)
p_in2 = machine.Pin(2, machine.Pin.IN)
p_out1 = machine.Pin(12, machine.Pin.OUT)
p_out2 = machine.Pin(13, machine.Pin.OUT)

while True:
    oled.fill(0)  # 清空OLED顯示屏
    
    if not p_in1.value():  # 如果p_in1為低電平
        p_out1.value(1)  # 將p_out1設為高電平
        oled.text('AC-ON', 0, 0)  # 顯示"AC-ON"
    else:
        p_out1.value(0)  # 將p_out1設為低電平
        oled.text('AC-OFF', 0, 0)  # 顯示"AC-OFF"
    
    oled.show()  # 更新OLED顯示屏
    
    if not p_in2.value():  # 如果p_in2為低電平
        p_out2.value(1)  # 將p_out2設為高電平
        oled.fill(0)  # 清空OLED顯示屏
        oled.text('Fan-ON', 0, 10)  # 顯示"Fan-ON"
    else:
        p_out2.value(0)  # 將p_out2設為低電平
        oled.fill(0)  # 清空OLED顯示屏
        oled.text('Fan-OFF', 0, 10)  # 顯示"Fan-OFF"
    
    oled.show()  # 更新OLED顯示屏

內容解密：

這個程式碼使用MicroPython控制OLED顯示屏和GPIO引腳，實作一個簡單的自動控制系統。系統根據兩個輸入訊號控制兩個輸出訊號，並在OLED顯示屏上顯示相應的狀態。程式碼使用while迴圈不斷更新OLED顯示屏和輸出訊號。

圖表翻譯：

這個流程圖顯示了程式碼的邏輯流程，從讀取輸入訊號到更新OLED顯示屏。

智慧家居自動化系統

根據MicroPython的PyBoard應用

在這個例子中，我們將使用MicroPython的PyBoard開發板來控制家居中的電器。這個系統可以自動控制冰箱和燈的開關。

import machine
import time

# 初始化輸入和輸出引腳
p_in3 = machine.Pin(3, machine.Pin.IN)
p_out3 = machine.Pin(13, machine.Pin.OUT)
p_in4 = machine.Pin(4, machine.Pin.IN)
p_out4 = machine.Pin(14, machine.Pin.OUT)

# 初始化OLED顯示屏
oled = machine.OLED()

while True:
    # 檢查冰箱開關按鈕狀態
    if p_in3.value() == False:
        # 開啟冰箱
        p_out3.high()
        oled.text('Refrigerator-ON', 0, 20)
        oled.show()
    else:
        # 關閉冰箱
        p_out3.low()
        oled.text('Refrigerator-OFF', 0, 20)
        oled.show()

    # 檢查燈開關按鈕狀態
    if p_in4.value() == False:
        # 開啟燈
        p_out4.high()
        oled.text('Light-ON', 0, 30)
        oled.show()
    else:
        # 關閉燈
        p_out4.low()
        oled.text('Light-OFF', 0, 30)
        oled.show()

    # 等待一段時間後再次檢查按鈕狀態
    time.sleep(0.1)

內容解密：

這段程式碼使用MicroPython的PyBoard開發板來控制家居中的電器。它首先初始化輸入和輸出引腳，然後進入一個無限迴圈中，不斷檢查按鈕狀態。如果按鈕被按下，則控制相應的電器開關。同時，OLED顯示屏會顯示電器的狀態。

圖表翻譯：

@startuml
skinparam backgroundColor #FEFEFE
skinparam componentStyle rectangle

title Raspberry Pi 藍牙與 MicroPython 物聯網應用

package "物聯網架構" {
    package "感知層" {
        component [感測器] as sensor
        component [執行器] as actuator
        component [嵌入式裝置] as device
    }

    package "網路層" {
        component [閘道器] as gateway
        component [MQTT Broker] as mqtt
        component [邊緣運算] as edge
    }

    package "平台層" {
        cloud "IoT Platform" as platform
        database [時序資料庫] as tsdb
        component [規則引擎] as rules
    }

    package "應用層" {
        component [監控儀表板] as dashboard
        component [告警系統] as alert
        component [數據分析] as analytics
    }
}

sensor --> device : 資料採集
device --> gateway : 資料傳輸
gateway --> mqtt : MQTT 協議
mqtt --> edge : 邊緣處理
edge --> platform : 雲端上傳
platform --> tsdb : 資料儲存
platform --> rules : 規則處理
rules --> alert : 觸發告警
tsdb --> analytics : 資料分析
analytics --> dashboard : 視覺化

@enduml

這個流程圖顯示了程式碼的執行流程。它首先檢查冰箱開關按鈕狀態，然後根據按鈕狀態控制冰箱的開關。接著，檢查燈開關按鈕狀態，根據按鈕狀態控制燈的開關。最後，顯示電器的狀態，並等待一段時間後再次檢查按鈕狀態。

智慧家庭自動化系統的設計與實作

簡介

智慧家庭自動化系統是一種利用物聯網技術和嵌入式系統來控制和監測家庭中的各種電器和設施的系統。這種系統可以讓使用者透過手機或平板電腦遠端控制家中的電器，同時也可以根據使用者的習慣和偏好進行智慧化控制。

硬體架構

本系統使用ESP32作為核心控制器，透過Wi-Fi連線到網際網路，實作遠端控制和監測。系統還包括了一個OLED顯示屏，用於顯示系統的狀態和資訊。

軟體架構

系統使用MicroPython作為開發語言，透過Thonny IDE進行程式設計和除錯。Blynk app作為使用者介面，提供了一個圖形化的介面讓使用者可以輕松控制和監測家中的電器。

實作步驟

1. 安裝MicroPython韌體：透過Thonny IDE安裝MicroPython韌體到ESP32中。
2. 安裝Blynk app：下載和安裝Blynk app，建立一個新的專案和使用者帳戶。
3. 配置Blynk app：配置Blynk app的設定，包括建立按鈕和選擇PIN。
4. 編寫程式碼：編寫ESP32的程式碼，包括控制電器和與Blynk app進行通訊的程式碼。
5. 除錯和測試：除錯和測試系統，確保系統可以正常工作。

程式碼實作

import machine
import time
import blynklib

# 初始化ESP32的PIN
pin1 = machine.Pin(19, machine.Pin.OUT)
pin2 = machine.Pin(18, machine.Pin.OUT)
pin3 = machine.Pin(5, machine.Pin.OUT)
pin4 = machine.Pin(23, machine.Pin.OUT)

# 初始化Blynk app
blynk = blynklib.Blynk('您的授權碼')

# 定義按鈕的處理函式
def button_handler(pin):
    if pin == 19:
        # 控制電器1
        pin1.value(1)
    elif pin == 18:
        # 控制電器2
        pin2.value(1)
    elif pin == 5:
        # 控制電器3
        pin3.value(1)
    elif pin == 23:
        # 控制電器4
        pin4.value(1)

# 註冊按鈕的處理函式
blynk.add_handler(button_handler)

# 啟動Blynk app
blynk.run()

智慧家居自動化系統與智慧垃圾桶

智慧家居自動化系統

智慧家居自動化系統是一種利用物聯網（IoT）技術和其他相關技術，來控制和監控家居內的各種裝置和系統的技術。這種系統可以讓使用者透過手機或其他移動裝置，遠端控制家居內的燈光、溫度、安全系統等。

實作智慧家居自動化系統

要實作智慧家居自動化系統，需要以下幾個步驟：

1. 選擇 WiFi 網路：首先，需要選擇一個可靠的 WiFi 網路，來連線家居內的各種裝置。例如，使用 ssid_ = "samsung" 和 wp2_pass = "qwerty123" 來連線 WiFi 網路。
2. 連線 WiFi 網路：使用 network 模組來連線 WiFi 網路。例如，使用 sta_if = network.WLAN(network.STA_IF) 來啟動 WiFi 網路。
3. 啟動 Blynk 服務：使用 BlynkLibESP32 模組來啟動 Blynk 服務。例如，使用 blynk = BlynkLib.Blynk("6GKWghlS8rPx07pQBVox63EcNif6klBA") 來啟動 Blynk 服務。
4. 執行 Blynk 程式：使用 blynk.run() 來執行 Blynk 程式。

智慧家居自動化系統的優點

智慧家居自動化系統有以下幾個優點：

• 方便: 可以透過手機或其他移動裝置，遠端控制家居內的各種裝置和系統。
• 節能: 可以自動控制家居內的燈光和溫度，來節能和減少浪費。
• 安全: 可以自動控制家居內的安全系統，來保護家居和家人。

智慧垃圾桶

智慧垃圾桶是一種利用物聯網（IoT）技術和其他相關技術，來監控和管理垃圾桶的技術。這種技術可以讓使用者透過手機或其他移動裝置，遠端監控垃圾桶的狀態和位置。

智慧垃圾桶的優點

智慧垃圾桶有以下幾個優點：

• 實時監控: 可以實時監控垃圾桶的狀態和位置。
• 自動通知: 可以自動通知使用者當垃圾桶需要清空或維護時。
• 節能: 可以自動控制垃圾桶的清空和維護，來節能和減少浪費。

實作智慧垃圾桶

要實作智慧垃圾桶，需要以下幾個步驟：

1. 選擇感測器: 首先，需要選擇適合的感測器，來監控垃圾桶的狀態和位置。
2. 連線感測器: 使用 machine 模組來連線感測器。例如，使用 Pin 來連線感測器。
3. 執行感測器: 使用 time 模組來執行感測器。例如，使用 sleep 來執行感測器。
4. 傳送資料: 使用 network 模組來傳送感測器的資料。例如，使用 BlynkLib 來傳送資料。

智慧垃圾桶的應用

智慧垃圾桶可以應用在以下幾個領域：

• 城市管理: 可以用於城市管理，來監控和管理垃圾桶的狀態和位置。
• 環境保護: 可以用於環境保護，來減少浪費和汙染。
• 公共衛生: 可以用於公共衛生，來保護公眾的健康和安全。

從技術整合與部署的視角來看，本文介紹的根據 MicroPython 和 ESP32 的智慧家居與物聯網應用方案，展現了軟硬體結合的巨大潛力。透過整合藍牙、Wi-Fi 等無線通訊技術，結合感測器、執行器和顯示模組，實作了從簡單的家電控制到複雜的自動化系統的構建。然而，系統的安全性、穩定性和擴充套件性仍是需要持續關注的挑戰。例如，藍牙配對過程的安全性，Wi-Fi 連線的穩定性，以及系統如何應對更多裝置和複雜場景的需求。

深入分析程式碼可以發現，目前的控制邏輯相對簡單，主要根據單一裝置的開關控制。未來可以探索更精細的控制策略，例如根據時間、環境條件或使用者習慣的自動化控制。此外，整合雲端服務和機器學習技術，可以進一步提升系統的智慧化程度，例如預測性維護和個性化控制。

展望未來，隨著邊緣運算和 AI 技術的發展，智慧家居自動化系統將朝向更自主、更個性化、更整合的方向演進。預計未來系統將能自主學習使用者行為模式，提供更精準的預測和控制，同時更無縫地整合各種智慧家電和服務，形成完整的智慧家居生態系統。對於開發者而言，掌握 MicroPython、物聯網通訊協議和雲端服務整合技術將至關重要。

玄貓認為，根據 MicroPython 的智慧家居方案，兼具易用性和靈活性，非常適合入門學習和原型開發。但要構建真正穩定可靠的商業級系統，仍需深入研究底層技術，並關注安全性和擴充套件性等關鍵問題。建議開發者積極探索新技術，並關注開源社群的最新發展，才能在快速變化的物聯網時代保持競爭力。