4、边缘网关配置：树莓派/ESP32 基础环境搭建、GPIO与串口通信、数据初步采集脚本

好，咱们进入第四章。这一章很关键，说白了就是让硬件“开口说话”。

你想想看，传感器数据再准，如果传不上来，那就是一堆废铁。边缘网关就是那个“翻译官”和“快递员”。我习惯用树莓派和ESP32来干这活，成本低、生态好，踩过的坑也多，正好跟你聊聊。

4.1 树莓派基础环境搭建

树莓派这边，我建议直接用Raspberry Pi OS Lite版，不带桌面，省资源。你如果喜欢图形界面，装Desktop版也行，但生产环境我推荐Lite。

第一步：烧录系统

用Raspberry Pi Imager工具，选好型号、SD卡，写入系统。写入后别急着拔卡，先挂载boot分区，创建一个名为 ssh 的空文件，开启SSH。

我的习惯： 同时创建 wpa_supplicant.conf 文件，写好WiFi信息。这样上电就能远程连，不用接显示器。

第二步：基础配置

SSH进去后，第一件事：

sudo raspi-config

这里要打开几个东西：

  • Interface Options → SPI、I2C、Serial Port 都启用
  • Localisation Options → 设置时区为 Asia/Shanghai

嗯，这里要注意。串口这块有个坑——树莓派的串口默认被蓝牙占用了。我曾经在这上面折腾了一下午，后来发现得改 /boot/config.txt：

dtoverlay=disable-bt
enable_uart=1

改完重启，串口就归你用了。

4.2 ESP32 基础环境搭建

ESP32这边，我推荐用MicroPython。为什么？开发快，调试方便。你如果非要用C++写Arduino也行，但咱们这个课程追求效率，MicroPython更合适。

刷固件步骤：

  1. 下载MicroPython固件（.bin文件）
  2. 用 esptool.py 擦除原固件：esptool.py --port /dev/ttyUSB0 erase_flash
  3. 写入新固件：esptool.py --port /dev/ttyUSB0 write_flash 0x1000 firmware.bin
注意： 刷固件时，GPIO0要拉低（按住BOOT键），再上电或复位。我第一次刷的时候没注意这个，一直报连接失败，后来才发现是没进下载模式。

刷完后，用 screen 或 putty 连上去，波特率115200。看到 >>> 提示符，就成了。

4.3 GPIO 通信实战

GPIO是啥？就是芯片的“手脚”，用来跟外界打交道。树莓派和ESP32都有，但用法略有不同。

树莓派GPIO示例（Python）：

import RPi.GPIO as GPIO
import time

# 设置模式
GPIO.setmode(GPIO.BCM)
GPIO.setwarnings(False)

# 定义引脚
LED_PIN = 18
SENSOR_PIN = 23

# 设置方向
GPIO.setup(LED_PIN, GPIO.OUT)
GPIO.setup(SENSOR_PIN, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_UP)

try:
    while True:
        if GPIO.input(SENSOR_PIN) == GPIO.LOW:
            GPIO.output(LED_PIN, GPIO.HIGH)
            print("检测到信号！")
        else:
            GPIO.output(LED_PIN, GPIO.LOW)
        time.sleep(0.1)
except KeyboardInterrupt:
    GPIO.cleanup()

这段代码我用了很多次。注意那个 pull_up_down 参数，很多新手会忘。不设的话，引脚悬空时电平会乱跳，你想想看，那数据还能准吗？

ESP32 GPIO示例（MicroPython）：

from machine import Pin
import time

led = Pin(2, Pin.OUT)
sensor = Pin(4, Pin.IN, Pin.PULL_UP)

while True:
    if sensor.value() == 0:
        led.value(1)
        print("触发")
    else:
        led.value(0)
    time.sleep_ms(100)

ESP32的GPIO更灵活，但要注意：有些引脚（比如GPIO6-11）是连Flash的，别乱用。我刚开始用ESP32时，就踩过这个坑，焊好板子发现怎么都不工作，查了半天才发现是引脚冲突。

4.4 串口通信实战

串口是工业现场最常用的通信方式。RS232、RS485、TTL串口，本质都一样，只是电平标准不同。

树莓派串口（UART0）：

import serial
import time

ser = serial.Serial(
    port='/dev/ttyAMA0',
    baudrate=9600,
    bytesize=8,
    parity='N',
    stopbits=1,
    timeout=1
)

# 发送查询指令
ser.write(b'\x01\x03\x00\x00\x00\x01\x84\x0A')
time.sleep(0.5)

# 读取响应
response = ser.read(7)
print(response.hex())

这段代码是读一个Modbus设备的。那个 \x01\x03... 是Modbus RTU报文。我建议你先把报文用十六进制写死，调试通了再封装成函数。

避坑指南： 串口通信时，波特率、数据位、校验位必须跟设备一致。我曾经因为校验位设错了，读回来的数据全是乱码，折腾了两天才发现是设备手册上写的是Even校验，我默认设成了None。

ESP32串口（UART1）：

from machine import UART, Pin
import time

uart = UART(1, baudrate=9600, tx=17, rx=16)
uart.init(bits=8, parity=None, stop=1)

# 发送指令
uart.write(b'\x01\x03\x00\x00\x00\x01\x84\x0A')
time.sleep_ms(500)

# 读取数据
if uart.any():
    data = uart.read()
    print(data)

ESP32的UART1默认引脚是GPIO9和GPIO10，但这两个引脚通常被占用。所以我习惯手动指定tx和rx引脚，用GPIO17和GPIO16，稳得很。

4.5 数据初步采集脚本

好了，前面都是热身。现在咱们写一个完整的采集脚本，把传感器数据读上来，存成CSV文件。

树莓派版：

#!/usr/bin/env python3
import serial
import time
import csv
from datetime import datetime

# 串口配置
ser = serial.Serial('/dev/ttyAMA0', 9600, timeout=1)

# CSV文件
csv_file = open('sensor_data.csv', 'a', newline='')
writer = csv.writer(csv_file)

# 写表头
writer.writerow(['时间', '温度', '湿度', '状态'])

def read_sensor():
    """读取传感器数据"""
    # 发送读取指令（假设是Modbus协议）
    cmd = b'\x01\x03\x00\x00\x00\x02\xC4\x0B'
    ser.write(cmd)
    time.sleep(0.3)
    
    if ser.in_waiting >= 7:
        resp = ser.read(7)
        # 解析数据（简化处理）
        temp = resp[3] * 256 + resp[4]
        humi = resp[5] * 256 + resp[6]
        return temp / 10.0, humi / 10.0, "正常"
    return None, None, "读取失败"

try:
    while True:
        now = datetime.now().strftime('%Y-%m-%d %H:%M:%S')
        temp, humi, status = read_sensor()
        
        if temp is not None:
            print(f"{now} | 温度: {temp}°C | 湿度: {humi}% | {status}")
            writer.writerow([now, temp, humi, status])
            csv_file.flush()  # 立即写入磁盘
        else:
            print(f"{now} | 读取失败，重试中...")
        
        time.sleep(5)  # 5秒采集一次

except KeyboardInterrupt:
    print("采集结束")
    ser.close()
    csv_file.close()

这个脚本我用了很久，核心就三点：

  • 定时采集：用 time.sleep() 控制间隔，工业现场一般5-30秒一次
  • 数据落盘：每采集一次就写CSV，防止断电丢数据
  • 异常处理：读取失败不崩溃，继续重试
我的经验： 生产环境中，我会加一个看门狗定时器。如果脚本挂了，系统自动重启。树莓派上可以用 watchdog 服务，ESP32可以用硬件看门狗。

ESP32版（MicroPython）：

from machine import UART, Pin, Timer
import time
import json

uart = UART(1, baudrate=9600, tx=17, rx=16)
led = Pin(2, Pin.OUT)

def read_sensor():
    """读取传感器"""
    uart.write(b'\x01\x03\x00\x00\x00\x02\xC4\x0B')
    time.sleep_ms(300)
    
    if uart.any() >= 7:
        data = uart.read(7)
        temp = (data[3] << 8 | data[4]) / 10.0
        humi = (data[5] << 8 | data[6]) / 10.0
        return {"temp": temp, "humi": humi}
    return None

def collect_data(timer):
    """定时采集回调"""
    data = read_sensor()
    if data:
        # 这里可以发到MQTT或存到本地
        print(json.dumps(data))
        led.value(1)
        time.sleep_ms(100)
        led.value(0)

# 定时器，每5秒采集一次
tim = Timer(0)
tim.init(period=5000, mode=Timer.PERIODIC, callback=collect_data)

print("采集启动...")

ESP32这边，我用了定时器中断，不阻塞主循环。这样你还可以在 while True 里做别的事，比如处理网络请求。

4.6 本章小结

这一章内容不少，但都是实打实的干货。咱们做了三件事：

  1. 搭好了树莓派和ESP32的基础环境
  2. 学会了GPIO和串口通信
  3. 写了一个能跑的数据采集脚本

你想想看，现在你的边缘网关已经能“听”到传感器的声音了。下一章，咱们就让这些数据“飞”上云端。

嗯，最后提醒一句：调试时别怕出错。我每次搭新环境，至少会碰到三五个问题。慢慢排查，每个坑都是经验。加油！

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