Arduino + Python: читаем данные порта на компьютере

Три сезона я записывал показания бака с балкона руками: монитор, глаза, блокнот. Когда весной понадобился график за зиму, в блокноте нашлось сорок строк из примерно сорока тысяч — остальное никто не записал, данные ушли в монитор и растворились. Вечер с Python закрыл вопрос навсегда: порт открылся как файл, строки поехали в CSV, график построился из тех же строк. Урок про эту связку: Arduino печатает данные в порт, скрипт на компьютере их читает, и между ними нет ничего, кроме кабеля и пары правил.

План такой. Поставим pyserial и прочитаем первые строки; договоримся о формате CSV, который плата печатает, а скрипт режет; разберём имена портов — COM-номера Windows против /dev/ttyUSB0 в Linux — и самую частую граблю старта: порт занят монитором Arduino IDE, читатель может быть только один. Python-код урока выполняется на вашем компьютере — в браузерном симуляторе он не запускается, зато Arduino-часть в симе напечатает ровно те строки, которые скрипт получит с платы.

Библиотека зовётся pyserial, ставится командой pip install pyserial — и вот первая грабля: пакет serial в реестре лежит чужой и старый, ставить нужно именно pyserial, хотя импортируется модуль всё равно словом serial. Открытие порта выглядит как открытие файла: port = serial.Serial("COM3", 9600, timeout=1). Скорость обязана совпадать с Serial.begin на плате: при расхождении readline не найдёт перевода строки в чужом потоке байтов, и вы получите ту же кашу, что в мониторе при несовпадении скоростей. Связка чтения — три звена: readline() ждёт байты до перевода строки, decode("utf-8") превращает байты в текст, strip() снимает невидимые хвосты вроде возврата каретки.

Дальше строка режется: stroka.split(",") возвращает список кусков — для строки 512,2.50 это два элемента: «512» и «2.50». Пробел после запятой съел бы второй кусок, поэтому CSV печатается без пробелов. На плате то же самое делают parseInt и parseFloat — мы разбирали числа из монитора в отдельном уроке; Python честнее: float("2.50") не молчит на мусоре, а падает вслух, и для логов это благо.

Про живой график: значения собираются в список, matplotlib рисует линию, plt.pause(0.1) возвращает управление окну — и график оживает. Для лога раз в секунду readline за глаза; если плата печатает быстрее сотни строк в секунду, readline начинает тормозить, и потоки читают пачками через port.read(port.in_waiting) — но это уже другая лига. И следите за очередью: буфер приёма на Uno — 64 байта; если скрипт уснул, а плата печатает, хвост потеряется — та же механика, что в уроке про буфер UART.

Четвёртое звено, которое я долго понимал неправильно, — timeout=1 в открытии порта. Это не период и не пауза, а предел ожидания: readline стоит у порта максимум секунду и отдаёт всё, что успело прийти, а при тишине — пустую строку. Плате с печатью раз в секунду этого хватает с запасом: на 9600 бод строка из двадцати байтов занимает около двадцати миллисекунд, и readline просыпается сразу по переводу строки, а не по таймеру. Ставите timeout больше — скрипт вяло реагирует на выдёргивание кабеля; меньше — на медленном потоке режете строки на середине.

Скелет выше — учебный. Живой скрипт держит ошибки: плата висит на USB с проводом до макетки, я задеваю кабель локтем пару раз за вечер, и без обработки readline поднимает SerialException, а скрипт умирает вместе с недописанным логом. Обвязка простая: цикл чтения внутри try, ловим SerialException и KeyboardInterrupt, в finally — port.close(). Вторая грабля из той же серии: скрипт упал, порт не закрылся, следующий запуск падает с отказом — Windows отпускает порт через пару секунд, Linux держит до завершения процесса. Очередь к порту работает в обе стороны: пока в питоне открыт serial.Serial, монитор IDE не откроется тоже — читатель один, и я закрываю скрипт перед каждым взглядом в монитор.

Лог я пишу сразу в CSV: файл открывается в режиме добавления, split даёт значения, writerow кладёт их строкой в файл. Одна грабля стоила мне вечера данных: Python буферизует запись, и при Ctrl+C хвост остаётся в памяти — последние минуты в файл не доезжают. Лечится flush после каждой записи; при строке раз в секунду цена нулевая. Дальше всё собирается само: try вокруг цикла, внутри — разбор, запись, печать хода; в finally — close у порта и файла. Такой скрипт переживает задетый кабель и Ctrl+C, а поверх файла matplotlib рисует кривую из тех же списков — те самые три строки из предыдущего абзаца.

Сам график в развёрнутом виде: рядом с циклом два пустых списка, каждый проход дополняет их числами из split, после остановки — plt.plot(znach, volty) и plt.show(). Для живой картинки вместо show вызывают plt.pause(0.1) в каждом проходе — окно перерисовывается, и провал питания видно раньше, чем он попадёт в файл. Мой порядок на стыковке обратный: график открываю для глаз, а лог пишу всегда — файл переживёт закрытое окно, окно переживёт не каждый вечер.

Формат я выбрал машинный: значение с потенциометра и вольты — через запятую, без пробелов и подписей: 512,2.50. Пары вида znachenie=512 — язык для глаз и для плоттера; CSV — язык для машины: скрипт режет его по запятым и складывает в таблицу, как в уроке про таблицу данных, только на стороне компьютера. Светодиод в скетче мигает на каждой отправленной строке — пульс потока видно из-за комнаты: лампочка дышит, значит, данные едут.

Имена портов — второй подводный камень после скорости. На Windows плата зовётся COM3 или COM4, и номер плавает: переткнули кабель в другое гнездо — стала COM5, скрипт падает; актуальный номер смотрят в Диспетчере устройств, а в скрипте держат параметром командной строки. На Linux это /dev/ttyUSB0 для плат с мостом CH340 и /dev/ttyACM0 для плат с аппаратным USB вроде Uno R3; права на порт выдаёт группа dialout — мы настраивали её в уроке про Linux и udev. На macOS порт оканчивается на usbmodem, и плат в списке две — tty и cu; берите cu. Таблица ниже — шпаргалка, которую я держу в закладках.

В симуляторе Python-часть не эмулируется — это честное ограничение движка: браузерный журнал показывает Arduino-сторону, а скрипт вы запустите на своём компьютере против настоящей платы. Хорошая новость: строки в журнале — байт в байт те, что прочитает readline(). Ручка потенциометра на макетке гоняет первое число CSV: крутите её и смотрите, как значение ползёт в строках вместе с ручкой — analogRead мы разбирали в разделе про основы. Светодиод мигает на каждой строке: в реальной сессии по нему видно, что поток жив, даже если скрипт ещё молчит.

Покрутите период: команда period 300 убыстрит печать до трёх строк в секунду, period 2000 замедлит; команда odin выпускает одну строку по требованию. Представьте на месте журнала ваш скрипт: readline() получил бы ровно эти строки, split(",") дал бы два куска, и значения уже можно рисовать. Дальше — за вами: закройте монитор, запустите скрипт против настоящей платы, и первый живой CSV-лог уедет в файл за десять строк кода.