做一个基于python的树莓派MCU性能-温度监控仪表盘

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：

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_freqcat /sys/class/thermal/thermal_zone0/temptop

命令执行效果如下图所示

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：

    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()))/1000c1=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()))/1000a=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值越大，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。

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i1.0/9是希望将这个数字使用浮点形式表示出来，可以用i1.0，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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