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做一个基于python的树莓派MCU性能-温度监控仪表盘
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做一个基于python的树莓派MCU性能-温度监控仪表盘
树莓派
python
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发布时间: 2020-05-25
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前段时间,需要比较树莓派MCU发热情况,因为没有找到合适工具,故使用python在画一个曲线图,完成图如下: ![图一](https://cf03.ickimg.com/bbsimages/202005/d65f130d5550479da9de2dd424e6aa75.png "图一") 这个图完全由树莓派的Raspbian操作系统自带的python完成,现在我和大家一步步来介绍这个代码如何完成吧。 ### 一、准备工作 #### 1、文本编辑器 文本编辑可以用Raspbian自带的nano,其操作和windows的记事本基本类似,键盘用于代码的输入,快捷键ctrl+s保存,ctrl+x退出。 #### 2、python环境 Raspbian的2019-09-26版本上分别装有Python2.7.16和Python3.7.3,考虑到Python2已经EOL,所以我们选择Python3作为代码执行的工具,python代码不需要编译,可以直接使用命令行“python3 源文件名”执行。 #### 3、MCU负载增加 可以自由选取你希望增加负载的软件,这里我选择的是stress-ng,是一个用来拷机的专业工具,执行过程中会让MCU利用率达到100%。 ### 二、预备知识 #### 1、pillow库 PIL(Python Image Library)是python的第三方图像处理库,支持图像的归档(Archives)、展示(Display)和处理(Processing)功能。其应用非常广泛,在Raspbian自带的Python3中已经安装和配置好了,我们可以直接使用。 #### 2、正则表达式 正则表达式(Regular Expression)可以用于通过匹配字符串的方式来提取文本中符合规则的某个字段,在本文中用到的匹配规则有: \d匹配数字 例如: ``` re.search("\d+\.\d",c2).group() ``` 就是将字符串c2中第一个浮点数取出来,且只保留一位小数。 #### 3、Linux下查看MCU当前频率、温度和利用率的命令 ``` sudo cat /sys/devices/system/cpu/cpu0/cpufreq/cpuinfo_cur_freq cat /sys/class/thermal/thermal_zone0/temp top ``` 命令执行效果如下图所示 ![图二](https://cf03.ickimg.com/bbsimages/202005/3d44092c1d66bf3877df1b6193abce7f.png "图二") 在图中,显示出的频率600000是MCU降频为600MHz,如果工作时应该会自动升为1.5GHz;温度36476是实际值的1000倍,因此可以认为大概是36.5摄氏度;而top命令执行后得到的数据较多,而且会随时间不断发生变化,还需要重新处理,在不少资料中都建议使用命令 ``` top -n1 | awk "/Cpu/{print \$2} ``` 直接获取cpu利用率,但根据实际测试的情况看来,由于执行过程中会出现异常数据污染,其效果并不好。我们使用命令 ``` top -n1 |grep %Cpu\(s\) ``` 得到MCU利用率这一整行的数据后再通过正则表达式处理数据。 ### 三、画图 在Python3中调用pillow库需要先导入: ```python import PIL ``` 或者我们仅导入需要使用的库中命令: ``` from PIL import Image,ImageDraw ``` 上述两种方法在Python中都可以使用,需要注意大小写的区别。 调用pillow库是用来画图的,因此我们新建一张大小为555*220的图片img,并且在图片上建立一个“画图板”draw,对图片的各项操作都在“画图板”上实现。 ``` img=Image.new("RGB",(555,220),(0,0,0)) draw=ImageDraw.Draw(img) ``` 这时,这个图片仅仅在系统内存中存在,我们在“画图板”上写写画画之后,再保存到文件中。 ``` img.save("test.png") ``` 画出坐标系 ``` for i in range(30,90,10): draw.text((24, 275-i*3), str(i),(225,225,225)) draw.line((40,280-i*3,490,280-i*3),(120,120,120)) for i in range(1,5): draw.text((i*30+38,195), str(i*2),(225,225,225)) for i in range(5,16): draw.text((i*30+35,195), str(i*2),(225,225,225)) for i in range(1,16): draw.line((i*30+40,40,i*30+40,190),(120,120,120)) draw.line((40,20,40,190),(225,225,225)) draw.line((40,190,510,190),(225,225,225)) draw.text((503,190), "t(min)",(225,225,225)) draw.text((12,12), "T( C)",(225,225,225)) draw.text((24,7), ".",(225,225,225)) draw.line((490,20,490,190),(225,225,225)) for i in range (5): draw.text((493,35+i*30), "%d%%"%(100-i*20),(225,225,225)) draw.text((493,18), "CPU Usage",(225,225,225)) ``` 需要注意的是,在“画图板”中,左上角的位置是(0,0),右下角的位置是(555,220),而我们通常习惯的坐标系是向右和向上延伸的有所不同。考虑到树莓派MCU可能具有的温度范围,我们选择从30~80℃,cpu利用率为0~100%,分别在纵轴标准,横轴为时间线,我们考虑测试时间为半小时,即30分钟。 在python循环中可以通过in命令实现循环,循环体通过缩进决定的,因此文本格式非常重要。 接下来我们根据时间获取数据并开始正式画曲线图。 使用代码: ``` MaxTemp=a1=(int(os.popen('cat /sys/class/thermal/thermal_zone0/temp').read()))/1000 c1=os.popen('top -n1 |grep %Cpu\(s\)').read() m1=re.search(pattern,c1).group() ``` 其中a1是温度值,m1是MCU利用率。调用系统命令的方法是 ``` os.popen('命令行').read() ``` 使用前同样需要导入os库 ``` import os ``` 由于认为树莓派上MCU的温度和MCU是否有使用和其利用率是密切相关的,因此我们在同一坐标系内分别画出这两根曲线。另外,我们主要关注的是MCU温度的高低,因此在颜色上可以用渐变的彩色表示,而MCU的利用率高或者低我们仅作为参考,使用青色和蓝色表示(树莓派运行的时候有时候会自动降频,我们使用蓝色表示全速主频,青色表示主频降低为600MHz的)。我们不断获取上述数值,并根据其值来画曲线,例如: ``` for i in range(900): a2=(int(os.popen('cat /sys/class/thermal/thermal_zone0/temp').read()))/1000 a=int((a1+a2-75)*4) draw.line((i*0.5+40,280-a1*3,i*0.5+40.5,280-a2*3),(a,255-a,0)) a1=a2 ``` 其中,a是用来表示温度的颜色参量,a值约大,越偏红色,反之则偏近绿色。同时规范a值门限,高于255就让a=255,低于0就让a=0。 同时,我们还希望画图循环过程中,不断有提示告诉我们程序执行的进度,因此在命令中给出打印: ``` for i in range(900): if i%15==0: print("Process:[{}->{}]{:.2f}%\r".format('*'*(i//15),'-'*(60-i//15),i*1.0/9)) ``` 表示在进度每行进1/60(在这段代码中是30秒),都会给出进度提示。 之前提到,我们希望在某个时刻增加MCU的负载,因此使用 ``` for i in range(900): if i==59: os.popen('nohup stress-ng -c 4 -t 1200 >> tmp.log 2>&1 &') ``` 其中nohup表示让stress-ng在后台运行,-t 1200是命令stress-ng的参数,表示这个负载运行20分钟。 循环体中,我们无论是获取树莓派MCU温度还是画图都不是一个连续的过程,每执行一次都需要等待一段时间,我们使用: ``` time.sl<ickey>eep(1.4) ``` 让循环过程中,每次执行一次后等待1.4秒,与之前相同,使用time库需提前导入。 编写完整代码,执行完成后,会打印出本次测试过程中的最高温度。 ![图三](https://cf03.ickimg.com/bbsimages/202005/58be985cd90d46275ef2174c32ba839a.png "图三") ### 四、关于这个画图程序的几个说明 #### 1、循环等待时间间隔是怎么确定的? 我们希望在2秒实现一次循环(30分钟共循环900次),我们知道python的效率不太高的,而且执行Linux的命令例如: ``` top -n1 ``` 命令读取需要较多时间,至于等待1.4秒,是根据多次尝试实验出来的,在树莓派3b上大约等待1.2秒。 #### 2、为什么运行负载的起始点定在i=59? i=59表示运行到第60个点,也就是120秒之后开始增加负载。 #### 3、在画图时候,横坐标只有450,但我们取样了900个时间点的数据,合适吗? 因为在画图时,坐标必须是整数,我们之所以取900个测试点,是因为发现读取硬件数据并不稳定,因此,在2秒取一个点,相对精度较高,画图后显示会比较吻合实际。至于取点数量为坐标宽度值的两倍,画图时将在同一个时间坐标画出两个点,这并不影响实际画图效果。 #### 4、 ``` print("Process:[{}->{}]{:.2f}%\r".format('*'*(i//15),'-'*(60-i//15),i*1.0/9)) ``` #### 中双斜线表示什么意思?为什么需要i*1.0/9,而不是直接用i/9? 双斜线“//”表示整除,在这里,因为i已经是15的倍数了,所以可以认为i//15=i/15。 使用i*1.0/9是希望将这个数字使用浮点形式表示出来,可以用i*1.0,将整形数i变成浮点数。如果直接使用i/9,那么当i=15时,打印出来的不会是1.67,而直接是1.00了,当然也可以用i/9.0实现采用浮点数表示结果。
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