La programación embebida ha experimentado un notable avance en los últimos años, permitiendo a los desarrolladores aprovechar el poder y la flexibilidad del lenguaje Python en dispositivos con recursos limitados, como las placas de desarrollo basadas en microprocesadores. En esta entrada, exploraremos cómo Python se ha convertido en una opción popular para la programación de sistemas embebidos y cómo se implementa en placas de desarrollo líderes en el mercado.
¿Qué es la programación embebida?
Programación Embebida: Fundamentos y Significado en la Industria Actual
La programación embebida se refiere al desarrollo de software destinado a ejecutarse en dispositivos embebidos, como microcontroladores y sistemas embebidos. Estos dispositivos están diseñados para realizar tareas específicas y suelen operar en entornos de recursos limitados, como memoria y potencia de procesamiento. A pesar de estas limitaciones, la programación embebida desempeña un papel crucial en la industria actual, ya que impulsa la innovación en una amplia gama de sectores, desde la electrónica de consumo hasta la automoción y la industria médica.
Importancia en la Industria Actual:
1. Automatización y Control: Los sistemas embebidos se utilizan ampliamente en aplicaciones de automatización y control, como en dispositivos domésticos inteligentes, sistemas de seguridad y control industrial. La programación embebida permite la creación de sistemas autónomos capaces de realizar tareas específicas de manera eficiente y confiable.
2. Internet de las Cosas (IoT): Con el auge del Internet de las Cosas, la programación embebida se ha vuelto aún más relevante. Los dispositivos IoT, como sensores y actuadores, dependen de sistemas embebidos para recopilar datos, procesar información y comunicarse con otros dispositivos y servidores en la red.
3. Dispositivos Portátiles y Wearables: Los dispositivos portátiles y wearables, como relojes inteligentes y dispositivos de seguimiento de la salud, también hacen uso intensivo de la programación embebida. Estos dispositivos requieren software eficiente y de bajo consumo de energía para ofrecer funcionalidades avanzadas en un factor de forma compacto.
Características y Desafíos de Trabajar con Sistemas Embebidos:
1. Recursos Limitados: Los sistemas embebidos suelen tener recursos limitados, incluyendo memoria, potencia de procesamiento y capacidad de almacenamiento. Esto requiere que los desarrolladores optimicen cuidadosamente el código para garantizar un rendimiento óptimo y una eficiencia energética.
2. Tiempo Real: Muchos sistemas embebidos deben responder a eventos en tiempo real, lo que significa que el software debe ejecutarse de manera predictiva y rápida. La programación embebida debe tener en cuenta estas restricciones temporales para garantizar un funcionamiento adecuado del sistema.
3. Fiabilidad y Seguridad: En aplicaciones críticas, como la automoción y la industria médica, la fiabilidad y la seguridad son aspectos fundamentales. Los sistemas embebidos deben ser robustos y estar protegidos contra amenazas de seguridad, como ataques cibernéticos y fallos de hardware.
Microcontroladores Destacados:
1. RP2040: El RP2040 es un microcontrolador de bajo costo desarrollado por Raspberry Pi Foundation. Destaca por su potente núcleo ARM Cortex-M0+ y su amplia gama de periféricos integrados, lo que lo hace ideal para una variedad de aplicaciones embebidas.
2. ESP8266 y ESP32: Los microcontroladores ESP8266 y ESP32, desarrollados por Espressif Systems, son ampliamente utilizados en aplicaciones IoT debido a su conectividad Wi-Fi y Bluetooth integrada, así como su amplio soporte de software y bajo consumo de energía.
3. AtMega: Los microcontroladores AtMega, fabricados por Microchip Technology, son conocidos por su robustez y versatilidad. Se utilizan en una variedad de aplicaciones embebidas, desde sistemas de control hasta dispositivos electrónicos de consumo.
La programación embebida desempeña un papel crucial en la industria actual al impulsar la innovación en una variedad de aplicaciones, desde la automatización y el control hasta el IoT y los dispositivos portátiles. Si bien trabajar con sistemas embebidos presenta desafíos únicos, como recursos limitados y requisitos de tiempo real, el uso de microcontroladores como el RP2040, ESP8266, ESP32 y AtMega ofrece soluciones potentes y flexibles para desarrolladores y fabricantes.
Ventajas de usar Python en sistemas embebidos:
- Facilidad de aprendizaje y sintaxis limpia.
- Amplio ecosistema de bibliotecas y herramientas.
- Flexibilidad y rapidez en el desarrollo de prototipos.
- Posibilidad de integrar módulos externos y APIs.
Implementación de Python en placas de desarrollo:
- MicroPython: Descripción de MicroPython, una implementación de Python optimizada para microcontroladores y sistemas embebidos. Se destacan características clave y ejemplos de uso en placas como ESP32 y STM32.
- CircuitPython: Introducción a CircuitPython, una versión simplificada de Python diseñada para la educación y la creación de proyectos en placas de desarrollo de Adafruit y otros fabricantes.
- Implementaciones personalizadas: Breve mención de cómo los desarrolladores pueden crear implementaciones personalizadas de Python para placas de desarrollo específicas, adaptando el lenguaje a las necesidades del proyecto.
Ejemplo práctico:
Termómetro Digital con ESP32 y Python
Descripción del Proyecto: En este proyecto, utilizaremos un sensor de temperatura DS18B20 y una placa de desarrollo ESP32 para crear un termómetro digital que mida la temperatura ambiente y la muestre en la consola serie. Usaremos MicroPython, una implementación de Python para microcontroladores, para programar la placa ESP32 y leer los datos del sensor de temperatura.
Materiales Necesarios:
- Placa de desarrollo ESP32
- Sensor de temperatura DS18B20 (Es sumergible en agua)
- Resistencia de 4.7kΩ (para el DS18B20)
- Protoboard y cables de conexión
Instrucciones paso a paso:
1. Configuración del Hardware:
- Conecta el sensor de temperatura DS18B20 a la placa ESP32 según el siguiente esquemático:
- Pin de datos del sensor DS18B20 –> Pin GPIO (por ejemplo, GPIO 4) del ESP32
- Pin de VCC del sensor DS18B20 –> 3.3V del ESP32
- Pin de GND del sensor DS18B20 –> GND del ESP32
- Asegúrate de utilizar una resistencia de 4.7kΩ entre el pin de datos y el pin de VCC del sensor DS18B20.
2. Programación con MicroPython:
- Conecta tu placa ESP32 a tu computadora y abre tu editor de código preferido, te recomiendo Thony o VSCode si tienes más experiencia.
- Crea un nuevo archivo Python y escribe el siguiente código:
import machine
import onewire
import ds18x20
import time
# Configura el bus OneWire en el pin GPIO 4
ow = onewire.OneWire(machine.Pin(4))
# Crea un objeto DS18X20 para manejar el sensor de temperatura
temp_sensor = ds18x20.DS18X20(ow)
# Escanea los dispositivos conectados al bus OneWire
devices = temp_sensor.scan()
# Si se detecta al menos un sensor de temperatura
if devices:
# Bucle principal
while True:
# Inicia una conversión de temperatura
temp_sensor.convert_temp()
# Espera 750ms para que se complete la conversión
time.sleep_ms(750)
# Lee la temperatura del sensor
temperature = temp_sensor.read_temp(devices[0])
# Muestra la temperatura en la consola serie
print("Temperatura: {:.2f}°C".format(temperature))
# Espera 1 segundo antes de tomar la siguiente lectura
time.sleep(1)
3. Ejecución del Proyecto:
- Guarda el archivo Python en la placa ESP32 con el nombre «main.py».
- Desconecta la placa ESP32 de tu computadora y alimenta la placa.
- Abre la consola serie en tu entorno de desarrollo (por ejemplo, Thonny, PuTTY, etc.) para ver la temperatura medida por el termómetro digital.
Con este pequeño proyecto, has creado un termómetro digital utilizando una placa de desarrollo ESP32 y Python. Este proyecto es un ejemplo práctico de cómo utilizar Python en sistemas embebidos para realizar tareas específicas, como la lectura de sensores y la visualización de datos. La implementación de Python en placas de desarrollo basadas en microprocesadores ofrece una solución versátil y eficiente para una amplia gama de aplicaciones embebidas. Su sintaxis clara, su amplio soporte de hardware y su robusto ecosistema de herramientas hacen que Python sea una opción atractiva para los desarrolladores que buscan crear sistemas embebidos poderosos y flexibles.
Referencias y Recursos Adicionales:
Espressif Systems. (s/f). ESP32 Datasheet (p. [24-51]). Recuperado de https://www.espressif.com/sites/default/files/documentation/esp32_datasheet_en.pdf
DALLAS. (s/f). DS18B20 Datasheet. Recuperado de https://pdf1.alldatasheet.es/datasheet-pdf/download/230838/DALLAS/DS18B20.html