תכנות ב-Python וספריית gpiozero

22.1 התקנת המערכת וחיבור מרחוק (Setup and SSH)

בסעיף 1.2 השווינו בין הלוחות וראינו ש-Pi הוא מחשב ולא בקר. מותקנת עליו מערכת הפעלה, Raspberry Pi OS, והתוכנית שלנו היא אחת מעשרות תוכנות שרצות בו יחד. ההתקנה נעשית פעם אחת:

1. מתקינים במחשב שלנו את התוכנה Raspberry Pi Imager מן האתר הרשמי, ובוחרים בה את דגם הלוח, את מערכת ההפעלה ואת כרטיס ה-microSD.
2. לפני הכתיבה ממלאים את הגדרות ההתאמה האישית: שם המכשיר, משתמש וסיסמה, רשת WiFi והפעלת SSH. שמות המסכים עשויים להשתנות בין גרסאות.
3. מכניסים את הכרטיס ל-Pi ומדליקים אותו, ממתינים לסיום האתחול הראשון, ואז מתחברים מן המחשב שלנו לשורת הפקודה:

ssh student@mypi.local
sudo apt update
sudo apt full-upgrade
python --version
sudo shutdown -h now

את פקודות המערכת שבפרק הזה איננו מריצים בזמן בניית הספר, כי הן דורשות Pi אמיתי. אבל התוכניות של gpiozero שיש מתחתיהן מסך פלט אכן הורצו.

22.2 סביבה וירטואלית (Virtual Environment)

בבקר היינו מעתיקים את הספרייה ללוח וזהו. ב-Pi המערכת עצמה נשענת על פייתון, ואם נשנה ספרייה שהיא משתמשת בה, דבר אחר עלול להתקלקל. לכן Raspberry Pi OS אוסרת, מאז הגרסה Bookworm, להתקין ספריות בעזרת pip ישירות בפייתון של המערכת:

$ pip install smbus2
error: externally-managed-environment

sudo apt install python3-gpiozero
mkdir ~/project
cd ~/project
python -m venv --system-site-packages env
source env/bin/activate
pip install smbus2
python blink.py
deactivate

האפשרות --system-site-packages גורמת לסביבה לראות גם את ספריות המערכת, ובהן gpiozero שהתקנו בעזרת apt. אחרי ההפעלה מופיע (env) בתחילת השורה, ומאותו רגע pip כותב רק בתוך התיקייה env. בקובץ pi_i2c.py מפרק 6 השתמשנו ב-smbus2, וזה המקום הנכון להתקין אותה.

22.3 מספור הדקים ומתח (BCM Numbering)

לכל הדק ב-Pi יש שני מספרים. המספר הפיזי הוא מקומו על המחבר, מ-1 עד 40, ומספר BCM הוא מספרו בשבב. הספרייה gpiozero משתמשת במספר BCM, ולכן הפקודה LED(17) פירושה GPIO17, שהוא ההדק הפיזי 11.

22.4 נורית ולחצן (LED, Button)

הספרייה gpiozero אינה מתחילה מההדק כמו machine, אלא מההתקן: אומרים "נורית על 17" והיא דואגת לשאר. כל פלט במסכים הבאים בא מהרצת הספרייה האמיתית על הדקים מדומים, ולכן הוא אידיאלי ואינו מתיימר להיות מדידה בלוח.

from gpiozero import LED
import time

led = LED(17)

for i in range(3):
    led.on()
    print("on,  is_lit =", led.is_lit)
    time.sleep(0.5)
    led.off()
    print("off, is_lit =", led.is_lit)
    time.sleep(0.5)

on,  is_lit = True
off, is_lit = False
on,  is_lit = True
off, is_lit = False
on,  is_lit = True
off, is_lit = False

עכשיו ללחצן. המחלקה Button מפעילה בעצמה את נגד המשיכה הפנימי, ואחר כך מתרגמת בשבילנו את המשמעות: is_pressed נותנת True בלחיצה, אף על פי שההדק יורד אז ל-0. אין צורך להפוך את הערך כפי שעשינו בפרק 3.

from gpiozero import LED, Button
import time

led = LED(17)
button = Button(2)

for step in range(5):
    pressed = button.is_pressed
    led.value = pressed
    print("t=%.1f pressed=%s lit=%s" % (step * 0.5, pressed, led.is_lit))
    time.sleep(0.5)

t=0.0 pressed=False lit=False
t=0.5 pressed=True lit=True
t=1.0 pressed=True lit=True
t=1.5 pressed=False lit=False
t=2.0 pressed=False lit=False

22.5 אירועים והמתנה (Events, pause)

לולאת בדיקה עובדת, אבל לחיצה קצרה עלולה לחמוק בין שתי קריאות. החלופה היא אירוע: נותנים לספרייה פונקציה, והיא קוראת לה בעת הלחיצה.

from gpiozero import LED, Button
import time

led = LED(17)
button = Button(2)
count = 0


def pressed():
    global count
    count += 1
    led.toggle()
    print("press %d, lit=%s" % (count, led.is_lit))


button.when_pressed = pressed

for second in range(4):
    time.sleep(1)
print("done, %d presses" % count)

press 1, lit=True
press 2, lit=False
done, 2 presses

הרעיון דומה לפסיקה בפרק 5, אבל ההבדל גדול: הפונקציה כאן אינה פסיקה אמיתית, אלא רצה בתהליכון (thread) רקע של פייתון. לכן מותר בה מה שנמנענו ממנו בפסיקה, כמו הדפסה ויצירת רשימות. המחיר הוא שזמן התגובה פחות יציב.

לולאת for בתוכנית שלמעלה קיימת לצורך ההצגה בלבד: היא מחזיקה את התוכנית בחיים כמה שניות ואז התוכנית מסתיימת, וכך אנחנו רואים את הפלט. בפרויקט אמיתי שמים במקומה pause(), שממתינה לנצח. לכן את התוכנית הבאה לא הרצנו בבניית הספר, כי היא אינה מסתיימת:

from gpiozero import LED, Button
from signal import pause

led = LED(17)
button = Button(2, bounce_time=0.05)
button.when_pressed = led.toggle

pause()

22.6 בהירות, סרוו ומרחק (PWMLED, Servo, DistanceSensor)

תוכנית הבהירות רצה כאן על הדקים מדומים ששומרים רק את ערך ה-PWM, ולכן אין אור ואין פולסים. DistanceSensor, לעומת זאת, דורש מדידת זמן אמיתית, ולכן תוכנית החניה לא הורצה בבניית הספר: היא עברה הידור בלבד, ואין מתחתיה מסך.

from gpiozero import PWMLED
import time

led = PWMLED(18, frequency=1000)

for percent in (0, 25, 50, 75, 100):
    led.value = percent / 100
    print("duty %3d%%  value %.2f" % (percent, led.value))
    time.sleep(1)

duty   0%  value 0.00
duty  25%  value 0.25
duty  50%  value 0.50
duty  75%  value 0.75
duty 100%  value 1.00

from gpiozero import Servo, DistanceSensor
import time

servo = Servo(18)
sensor = DistanceSensor(echo=24, trigger=23, max_distance=1)

while True:
    metres = sensor.distance
    print("%.2f m" % metres)
    if metres < 0.2:
        servo.max()
    else:
        servo.min()
    time.sleep(0.5)

מחברים את הזנת הסרוו למקור 5 V נפרד, עם אדמה משותפת, ומן ההדק לוקחים את האות בלבד. Servo מייצר את הפולסים בתוכנה, ולכן הסרוו עלול לרעוד מעט, כי לינוקס עשויה לעכב את התוכנית.

אין ב-Pi ממיר אנלוגי לספרתי. כדי לקרוא פוטנציומטר או נגד תלוי אור משתמשים בממיר החיצוני ADS1115 דרך I2C, כפי שעשינו בפרק 6.

22.7 ההבדלים ממיקרו-פייתון

השורה שלפני האחרונה מסבירה את חלוקת התפקידים בפרק הבא: התזמון המדויק והקרבה לחיישן שייכים לבקר, והאחסון, הרשת ודפי האינטרנט שייכים ל-Pi.

22.8 הרצה אוטומטית (systemd)

בבקר main.py מתחיל מעצמו כשמזינים חשמל. ב-Pi שום דבר מזה לא קורה: אם נסגור חלון SSH, התוכנית תיעצר, ואחרי אתחול מחדש היא לא תרוץ. הפתרון הוא שירות: קובץ שמתאר למנהל המערכת systemd איך להריץ את התוכנית שלנו. נשמור את תוכנית pause() מסעיף 22.5 בשם button_led.py ונכתוב:

[Unit]
Description=Button and LED
After=multi-user.target

[Service]
User=student
WorkingDirectory=/home/student/project
ExecStart=/home/student/project/env/bin/python -u button_led.py
Restart=on-failure

[Install]
WantedBy=multi-user.target

sudo nano /etc/systemd/system/button-led.service
sudo systemctl daemon-reload
sudo systemctl enable --now button-led
systemctl status button-led
journalctl -u button-led -f
sudo systemctl stop button-led

• ExecStart: מצביע ישירות על הפייתון שבתוך הסביבה, ולכן אין צורך ב-activate.
• User: שם המשתמש שבחרנו בהתאמה האישית. השם pi כבר אינו מובטח.
• Restart=on-failure: מפעיל מחדש אם התוכנית קורסת.
• -u: מונע השהיה של print, כדי שנראה את הפלט מיד ב-journalctl.

עיקרי הפרק:

• ה-Pi הוא מחשב עם לינוקס: מכבים אותו בפקודה, ולא מנתקים את החשמל שלו.
• כל פרויקט בסביבה וירטואלית, והאפשרות --system-site-packages נותנת לו לראות את gpiozero.
• gpiozero משתמשת במספור BCM, ועובדת ב-Pi 4 וב-Pi 5. הספרייה RPi.GPIO אינה עובדת ב-Pi 5.
• כל הדק עובד על 3.3 V בלבד, ואין ב-Pi ממיר אנלוגי.
• אירועים רצים בתהליכון רקע, ו-pause() משאירה את התוכנית בחיים.
• שירות systemd הוא המקבילה של main.py ב-Pi.

מילון מונחים:

שאלות לתרגול:

from gpiozero import LED, Button
from signal import pause

led = LED(17)
button = Button(2)
button.when_pressed = led.on
button.when_released = led.off
pause()