使用Python的pySerial模組進行序列通訊：連接電腦與Arduino和MicroPython

連接ESP8266控制板和電腦的方式有兩種：

• Wi-Fi無線網路：把ESP8266當作感測器網路前端設備，傳送資料到網站伺服器；或者當作網站伺服器，提供API讓前端網頁取得感測數據。
• 序列通訊埠：透過USB序列埠跟電腦或者手機連線。

使用Wi-Fi連線顯然比較符合ESP8266的天性，但是對於沒有內建Wi-Fi的MicroPython控制板或者Arduino板，USB是最普遍的選擇。本文將介紹使用Python程式與Arduino和MicroPython（ESP8266板）進行序列通訊的方法。

使用pySerial進行序列通訊

Python的序列埠通訊套件叫做pySerial，請在終端機透過pip進行安裝：

pySerial提供初始化序列埠、傳送和接收序列數據的指令，像read(), readline()和write()基本指令名稱和語法，跟MicroPython的UART模組一樣。一開始，我們先從Arduino傳送序列資料給Python接收，來認識pySerial模組的用法。

底下是每隔一秒傳送“hello!”訊息的Arduino程式：

unsigned long previousMillis = 0;
const long interval = 1000;    // 設定間隔時間，1000ms
char chr;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  unsigned long currentMillis = millis();

  if (currentMillis - previousMillis >= interval) {
    previousMillis = currentMillis;
    Serial.println("hello!");
  }
}

底下是採用pySerial模組接收序列資料的Python程式碼，它將不停地接收與顯示收到的序列資料，直到你按下Ctrl和C鍵為止。筆者假設Arduino所在的序列埠名稱是COM6，請自行修改。macOS系統的通訊埠名稱類似這樣：/dev/tty.usbmodem231。

import serial  # 引用pySerial模組

COM_PORT = 'COM6'    # 指定通訊埠名稱
BAUD_RATES = 9600    # 設定傳輸速率
ser = serial.Serial(COM_PORT, BAUD_RATES)   # 初始化序列通訊埠

try:
    while True:
        while ser.in_waiting:          # 若收到序列資料…
            data_raw = ser.readline()  # 讀取一行
            data = data_raw.decode()   # 用預設的UTF-8解碼
            print('接收到的原始資料：', data_raw)
            print('接收到的資料：', data)

except KeyboardInterrupt:
    ser.close()    # 清除序列通訊物件
    print('再見！')

連接Arduino，再執行上面的Python程式，將能收到來自Arduino的訊息。原始資料是byte格式：

使用Python序列程式控制Arduino或MicroPython板的LED

本單元的Python程式將在終端機顯示：「按1開燈、按2關燈、按e關閉程式」；若用戶按下1，Python將透過序列埠傳遞代表開燈的b’LED_ON\n’訊息；若按下2，則送出代表開燈的b’LED_OFF\n’訊息，這兩個訊息都是筆者自訂的，訊息內容必須是byte格式。

電腦端的Python序列通訊程式碼如下：

import serial
from time import sleep
import sys

COM_PORT = 'COM8'  # 請自行修改序列埠名稱
BAUD_RATES = 9600
ser = serial.Serial(COM_PORT, BAUD_RATES)

try:
    while True:
        # 接收用戶的輸入值並轉成小寫
        choice = input('按1開燈、按2關燈、按e關閉程式  ').lower()

        if choice == '1':
            print('傳送開燈指令')
            ser.write(b'LED_ON\n')  # 訊息必須是位元組類型
            sleep(0.5)              # 暫停0.5秒，再執行底下接收回應訊息的迴圈
        elif choice == '2':
            print('傳送關燈指令')
            ser.write(b'LED_OFF\n')
            sleep(0.5)
        elif choice == 'e':
            ser.close()
            print('再見！')
            sys.exit()
        else:
            print('指令錯誤…')

        while ser.in_waiting:
            mcu_feedback = ser.readline().decode()  # 接收回應訊息並解碼
            print('控制板回應：', mcu_feedback)
            
except KeyboardInterrupt:
    ser.close()
    print('再見！')

使用Arduino Uno進行序列通訊

接收來自電腦Python的序列訊息，開、關第13腳的LED的Arduino程式碼如下：

#define LED 13
String str;

void setup() {
  pinMode(LED, OUTPUT);
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  if (Serial.available()) {
    // 讀取傳入的字串直到"\n"結尾
    str = Serial.readStringUntil('\n');

    if (str == "LED_ON") {           // 若字串值是 "LED_ON" 開燈
        digitalWrite(LED, HIGH);     // 開燈
        Serial.println("LED is ON"); // 回應訊息給電腦
    } else if (str == "LED_OFF") {
        digitalWrite(LED, LOW);
        Serial.println("LED is OFF");
    }
  }
}

使用MicroPython（Wemos D1 mini板）進行序列通訊

底下是在ESP8266控制板（D1 mini）執行microPython，接收序列訊息的程式：

from machine import Pin
from machine import UART

com = UART(0, 9600)
com.init(9600)

led = Pin(2, Pin.OUT, value=1)

print('MicroPython Ready...')

while True:
    choice = com.readline()
    
    if choice == b'LED_ON\n':
        led.value(0)
        com.write(b'LED is ON!\n')  # 回應訊息給電腦端的Python
    elif choice == b'LED_OFF\n':
        led.value(1)
        com.write(b'LED is OFF!\n')

筆者將此程式命名成ser_test.py檔，再使用ampy工具上傳到D1 mini板。上傳完畢後，請先按一下D1 mini板的Reset（重置）鍵。

接著使用WebREPL連線到D1 mini板，透過import ser_test執行序列通訊測試程式，相關操作說明請參閱《超圖解 Python 物聯網實作入門》第七章「序列埠通信」7-21頁。

執行此Python序列通訊程式的操作畫面如下：