time.ticks_ms() в MicroPython: как не блокировать код и выполнять задачи конкурентно на ESP

Очень часто в программировании микроконтроллеров используются блокирующие задержки: delay() для Arduino, time.sleep() для MicroPython. Эти функции просты и понятны, но у них есть фундаментальный недостаток: они останавливают выполнение программы на заданное время, делая систему нечувствительной к внешним событиям. В этот промежуток времени процессор не выполняет никакой код, не проверяет таймеры, не обрабатывает события и не реагирует на прерывания. Это как повар в ресторане, который ставит суп на плиту и говорит: «Я ничего не буду делать 10 минут, пока он варится». За это время мимо проходят голодные посетители, другие кастрюли перекипают, а он просто сидит и смотрит на таймер.

В системах реального времени нам нужно управлять датчиками и сетевыми интерфейсами одновременно, без простоев.

В MicroPython есть, на мой взгляд, элегантное решение — time.ticks_ms(). Это способ заставить микроконтроллер ESP делать несколько дел одновременно — без прерываний, без Timer, без asyncio и сложных планировщиков. Достаточно просто… посмотреть на часы.

Это как повар, который включает плиту, смотрит на настенные часы, запоминает время и идёт готовить салат. Каждые пару минут он поглядывает на часы: «Прошло 5 минут — помешаю суп. Прошло 30 минут — выключу огонь». Он успевает управлять десятью кастрюлями одновременно, потому что у него есть часы на стене и система проверок.

В этой статье мы рассмотрим,

как с помощью функции time.ticks_ms() создать систему неблокирующих таймеров. Она позволит управлять реле, опрашивать датчики и отправлять SMS одновременно, без остановки основного цикла;

как устроен аппаратный счётчик времени внутри ESP, почему его переполнение через 49 дней не страшно при использовании ticks_diff();

как безопасно вычислять интервалы с помощью ticks_diff() и как построить на этом простую и надёжную архитектуру для ваших проектов.

В качестве практического примера создадим небольшой проект мониторинга воды, в котором реле включается при срабатывании датчика и работает 30 минут, датчик опрашивается каждые 3 минуты, а SMS уходит мгновенно — и все это без остановки кода.

Природа времени в микроконтроллерах ESP или «Настенные часы»

Чтобы управлять временем, нужно понять, как оно течет внутри микроконтроллера. У ESP есть встроенный RTC (часы реального времени), но на большинстве плат нет отдельной батарейки для его питания. Поэтому при отключении питания календарное время сбрасывается. Однако аппаратный счётчик, о котором мы говорим, работает независимо от RTC и начинает отсчёт с момента включения. С момента включения питания он начинает безостановочно щелкать: 1, 2, 3… миллион, два миллиона. Вместо 12 цифр на циферблате у него 32 разряда (бита). Он считает до 4 294 967 296 миллисекунд. Если перевести это в дни, получится примерно 49.7 дней непрерывной работы. Как только счетчик добирается до этого максимума, он не ломается и не вызывает ошибку. Он просто обнуляется и начинает отсчет заново, как одометр в старой машине, который перевалил за 999 999 км. Это называется переполнением.

time.ticks_ms() — это не переменная, а функция. Каждый раз, когда вы её вызываете, она возвращает новое значение, которое показывает, сколько миллисекунд прошло с момента включения микроконтроллера ESP. Чтобы это понять выполните следующий код:

# Этот код просто показывает, как растет current_timeimport timewhile True:    current_time = time.ticks_ms() # Каждый раз здесь будет новое, большее число    print(current_time) # Вы увидите: 0, 1, 2, 3, 5, 8, 12... (растет)    time.sleep_ms(1) # МИКРО-ПАУЗА — программа "отдыхает" 0.001 секунды, почти незаметно. Она НЕ КРИТИЧНА для логики неблокирующего кода, потому что очень короткая 

time.ticks_ms() как аппаратный секундомер, который не останавливается и не сбрасывается. Переменная current_time — это просто взгляд на этот секундомер в данный момент. Мы не дергаем стрелки, не останавливаем механизм — мы просто фиксируем показания в переменную current_time. Это занимает настолько мало времени, что процессор даже не замечает этого действия. Внутри микроконтроллера ESP есть специальный электронный узел — аппаратный таймер. Он представляет собой счетчик, который непрерывно тикает, увеличивая свое значение, пока на плату подается питание. Когда вы вызываете функцию time.ticks_ms(), процессор просто «смотрит» на текущее значение этого счетчика, пересчитывает его в миллисекунды и отдает вам в виде числа.

Что происходит при переполнении (обнулении)?

Когда счетчик time.ticks_ms() достигает максимального значения (4.29 миллиарда миллисекунд), происходит переполнение. Но, это может произойти если ваш микроконтроллер работал без выключения 50 дней и это НЕ критично, если вы используете time.ticks_diff()

Функция ticks_diff() специально создана для работы с переполнениями. Она «умная» — она понимает, что значение ticks может обернуться, и корректно вычисляет разницу, даже если одно число большое, а другое маленькое.

Именно поэтому разработчики MicroPython дали нам не просто счетчик, а умный калькулятор — функцию time.ticks_diff(). Она знает про «круглый циферблат» и правильно вычисляет разницу, даже если часы перевелись через ноль. Поэтому не надо вычислять на прямую: elapsed = current – last, а всегда использовать ticks_diff()  elapsed = time.ticks_diff(current, last)

ticks_diff() работает корректно только если между двумя проверками прошло меньше половины максимального значения (т.е. меньше ~24.8 дней). Если вы попытаетесь измерить интервал более 24.8 дней, функция может дать неверный результат. Это ограничение связано с тем, что ticks_diff() использует знаковую арифметику: старший бит 32-битного числа отводится под знак. Поэтому корректно вычислять разницу можно только для интервалов, не превышающих половину периода — примерно 24.8 дня. Для большинства задач (опрос датчиков, управление реле) это неактуально.

Но чтобы не достигать переполнения, автоматическая еженедельная или месячная перезагрузка микроконтроллера — отличное правило! Счетчик начинает считать заново с 0, проблема переполнения откладывается еще на 49 дней.

Будильники и якоря времени

Теперь, когда мы разобрались, как устроены «настенные часы» (ticks_ms()), давайте поговорим о самом важном — как их правильно использовать, чтобы делать несколько дел одновременно.

В неблокирующем коде есть два типа переменных:

Текущее время (current_time) — это как «взгляд на часы» current_time = time.ticks_ms(). Вы смотрите на циферблат в начале каждой итерации цикла, чтобы знать, «который час сейчас». Эта переменная обновляется постоянно. Чаще всего ее используют внутри цикла.

Время последнего события (last_action_time) — это как будильник. Вы заводите его на определённое время и не трогаете, пока он не зазвонит. Если смотреть на время математически, то можно это представить как «временную» прямую, которая начинается с 0 мс (момент включения микроконтроллера) и идёт бесконечно вперёд. На этой прямой мы отмечаем важные события и фиксируем эти координаты в переменной last_action_time. Чтобы узнать, сколько времени прошло с последней проверки, мы вычисляем разницу координат time.ticks_diff(now, last_action).

last_action = 0  # Завели будильник. interval = 5000 # Интервал, через который будет срабатывать будильникwhile True:    current_time = time.ticks_ms()        # Проверяем: будильник прозвенел?    if time.ticks_diff(current_time, last_action) >= interval:        print("Действие!")  # Сработает ровно через 5 секунд        last_action = current_time  #  Перезаводим будильник!

Золотое правило: last_action обновляется ТОЛЬКО когда действие выполнено. Никогда не обновляйте его в каждой итерации цикла!

Давайте вернёмся к нашему повару. У него на плите 10 кастрюль. Как он успевает всё контролировать?

Он не держит в голове всё время, а использует записную книжку-будильник, в которой фиксирует интервалы времени от последнего события,

Повар смотрит на часы (current_time), сверяется с записной книжкой и, если время совпало, выполняет действие. После этого он вычёркивает запись и пишет новую.

# Записная книжка повараsoup_start = 0    # Когда последний раз проверили супmeat_start = 0    # Когда последний раз проверили мясоporridge_start = 0 # Когда последний раз включили кашуwhile True:    current_time = time.ticks_ms()        #  Будильник №1: Проверка супа (каждые 5 минут)    if time.ticks_diff(current_time, soup_start) >= 300000:        stir_soup() # Действие        soup_start = current_time # Перевели будильник на следующую проверку        #  Будильник №2: Проверка мяса (каждые 15 минут)    if time.ticks_diff(current_time, meat_start) >= 900000:        flip_meat() # Действие        meat_start = current_time        #  Будильник №3: Выключение каши (через 30 минут)    if time.ticks_diff(current_time, porridge_start) >= 1800000:        turn_off_porridge() # Действие        porridge_start = 0  # Будильник больше не нужен

Практический пример — система мониторинга воды

Теперь, когда мы разобрались с теорией, давайте применим знания на практике. Создадим систему, которая решает реальную задачу.

Представьте: у вас есть колодец и вам, при поднятии воды до определённого уровня, необходимо ее откачать. Нужно:

Обнаружить воду — герконовый датчик замыкается при появлении воды

Включить насос — при обнаружении воды включается реле (3.3V)

Оповестить по SMS — через телефон-шлюз (MacroDroid)

Автоматически выключить насос — через 30 минут

Сообщить о завершении — когда насос отработал и воды нет

Давайте разберём код по частям. Весь код построен так, чтобы вы видели, как именно работает неблокирующий подход. В данном коде я не буду подробно рассматривать функции по отправке оповещения (эти вопросы рассмотрим в следующей статье).

Блок 1: Импорт библиотек

import timeimport machinefrom machine import Pin

Что мы импортируем:

Time —  для работы с ticks_ms() и ticks_diff(),

Machine — для управления пинами и перезагрузки,

Pin — для настройки входов/выходов.

Это минимальный набор для демонстрации неблокирующей логики. Сеть и SMS мы рассмотрим  позже.

Блок 2: Конфигурация и константы

# ПиныRELAY_PIN = 4            # Реле (3.3V)WATER_SENSOR_PIN = 5     # Герконовый датчик# Тайминги – интервалы (в миллисекундах)WATER_CHECK_INTERVAL = 3 * 60 * 1000      # 3 минутыRELAY_DURATION = 30 * 60 * 1000           # 30 минутWEEKLY_RESET_INTERVAL = 7 * 24 * 60 * 60 * 1000  # 7 дней

Что мы настраиваем:

RELAY_PIN 4 — пин, к которому подключено реле,

WATER_SENSOR_PIN      5 — пин герконового датчика,

WATER_CHECK_INTERVAL      180 000 мс (3 мин) — интервал опроса датчика,

RELAY_DURATION          1 800 000 мс (30 мин) — время работы насоса,

WEEKLY_RESET_INTERVAL     604 800 000 мс (7 дней) — интервал перезагрузки,

Почему в миллисекундах? Функция ticks_ms() возвращает миллисекунды, поэтому все интервалы мы задаём в миллисекундах для удобства сравнения.

Блок 3: Инициализация пинов

# Реле — выходrelay = Pin(RELAY_PIN, Pin.OUT)relay.value(0)  # Насос выключен по умолчанию# Датчик воды — вход с подтяжкой к питаниюwater_sensor = Pin(WATER_SENSOR_PIN, Pin.IN, Pin.PULL_UP)

Настраиваем реле как выход, чтобы управлять насосом.

Выключаем реле при старте, чтобы было безопасное начальное состояние.

Настраиваем датчик как вход с подтяжкой, чтобы герконовый датчик работал как выключатель

Подтяжка к питанию (PULL_UP): При разомкнутом герконе (воды нет) пин «подтянут» к 3.3V через внутренний резистор. Мы читаем 1 (HIGH). При замыкании (вода есть) пин соединяется с землёй, и мы читаем 0 (LOW).

Блок 4: Переменные состояния (будильники).

# Будильники (якоря времени)last_water_check = 0        # Когда последний раз проверяли датчикrelay_start_time = 0        # Когда включили насосsystem_start_time = 0       # Когда запустилась система# Флаги состоянияwater_present = False       # Есть ли вода сейчас?relay_on = False            # Включён ли насос?

last_water_check — хранит время в  мс последней проверки датчика,  

relay_start_time — хранит время в мс включения насоса,

system_start_time – время в мс запуска системы, один раз при старте, для еженедельной перезагрузки,

water_present — хранит булевые значения, есть ли вода сейчас,          

relay_on — хранит булевые значения, включён ли насос.

Блок 5: Вспомогательные функции

def read_water_sensor():    """    Читает герконовый датчик с антидребезгом    Возвращает: True (вода есть), False (воды нет)    """    # Первое чтение    first_value = water_sensor.value()        # Повторные проверки для подавления дребезга    for i in range(2):  # Проверяем 3 раза с интервалом 50 мс        time.sleep_ms(50)        if water_sensor.value() != first_value:            # Значение изменилось — перезапускаем проверку            return read_water_sensor()        # Все проверки прошли успешно    # Замкнут (0) = вода есть, разомкнут (1) = воды нет    return first_value == 0def send_sms(signal_type):    """    Отправляет SMS через MacroDroid на телефоне    signal_type: '1' — вода появилась, '2' — насос выключен    """    #  Реализация будет в следующей статье Здесь мы просто обозначаем действие    print(f" Отправка SMS: сигнал {signal_type}")    return True

read_water_sensor() — читает датчик с антидребезгом, предотвращает ложные срабатывания,

send_sms() — отправляет SMS (заглушка), здесь мы только обозначаем действие.

Блок 6: Основной цикл (ядро неблокирующего кода)

def main():    global water_present, relay_on, relay_start_time    global last_water_check, system_start_time        # Запоминаем время запуска, реальное время, а не 0 по умолчанию    system_start_time = time.ticks_ms()    last_water_check = time.ticks_ms()        # Первое чтение датчика    water_present = read_water_sensor()                while True:        try:            # Смотрим на часы в начале каждой итерации            now = time.ticks_ms()                        # === ЗАДАЧА 1: ЕЖЕНЕДЕЛЬНАЯ ПЕРЕЗАГРУЗКА ===            # Проверяем, не прошло ли 7 дней с момента запуска            if time.ticks_diff(now, system_start_time) >= WEEKLY_RESET_INTERVAL:                machine.reset()  # Перезагружаем ESP32                        # === ЗАДАЧА 2: ПРОВЕРКА ДАТЧИКА (каждые 3 минуты) ===            if time.ticks_diff(now, last_water_check) >= WATER_CHECK_INTERVAL:                new_water_state = read_water_sensor()                                # Если состояние воды изменилось                if new_water_state != water_present:                    water_present = new_water_state                                        # Если вода появилась И реле выключено → включаем насос                    if water_present and not relay_on:                        relay.value(1)                        relay_on = True                        relay_start_time = now                        send_sms('1')  # "вода появилась, насос включен"                                # Обновляем время последней проверки                last_water_check = now                        # === ЗАДАЧА 3: УПРАВЛЕНИЕ НАСОСОМ ===            if relay_on:                elapsed = time.ticks_diff(now, relay_start_time)                if elapsed >= RELAY_DURATION:                    relay.value(0)                    relay_on = False                                        # Если воды нет → отправляем SMS                    if not water_present:                        send_sms('2')  # "насос выключен, воды нет"                        # === ПАУЗА ДЛЯ СНИЖЕНИЯ НАГРУЗКИ ===            time.sleep_ms(10)                    except Exception as e:            # Обработка ошибок обязательна!print(f" Ошибка в основном цикле: {e}")            time.sleep_ms(5)

Ключевые моменты:

 Используем time.ticks_diff() для проверки интервалов

 Проверяем время в каждой итерации     

 Каждая задача имеет свой «будильник» 

 Используем паузу 10 мс только для снижения нагрузки

Как это условно работает на практике:

Итерация 1: now = 0

  → Проверка датчика: 0 — 0 = 0 < 180000 → пропускаем

  → Проверка реле: relay_on = False → пропускаем

  → Пауза 10 мс

Итерация 2: now = 10

  → Проверка датчика: 10 — 0 = 10 < 180000 → пропускаем

  → Проверка реле: relay_on = False → пропускаем

  → Пауза 10 мс

… (180 000 итераций за 3 минуты)

Итерация 180 000: now = 180 000

  → Проверка датчика: 180 000 — 0 = 180 000 >= 180 000 → ДА!

  → Читаем датчик

  → Если вода есть → включаем реле

  → last_water_check = 180 000

  → Пауза 10 мс

Итерация 180 001: now = 180 010

  → Проверка датчика: 180 010 — 180 000 = 10 < 180 000 → пропускаем

  → Проверка реле: relay_on = True

  → elapsed = 180 010 — 180 000 = 10 < 1 800 000 → пропускаем

  → Пауза 10 мс

Что происходит при разных сценариях:

Вода появилась — включается насос, отправляется SMS

Вода есть, насос работает — повторно не включаем

Вода исчезла, насос работает — насос продолжает работать до 30 минут

Прошло 30 минут, воды нет — насос выключается, отправляется SMS.

Когда использовать time.ticks_ms()?

Его стоит использовать, когда:

— Вам нужно управлять несколькими задачами в одном цикле. Опрос датчика, мигание светодиодом, проверка кнопки, отправка данных — всё это легко умещается в один while True с проверкой времени через ticks_diff().

— Там, где вы сами контролируете логику и время выполнения. Код получается линейным, понятным и детерминированным.

— Если хотите экономить память. ticks_ms() потребляет ~100 байт RAM, тогда как asyncio требует 5-10 КБ.

— Интервалы не критичны к микросекундной точности. Задержка в пару миллисекунд из-за выполнения других задач в цикле обычно не играет роли.

Но выбор, что использовать всегда остаётся за вами.

На просторах интернета попалась вот такая сравнительная таблица.

Надеюсь, что прочитав эту статью до конца, вы научились простой вещи: как смотреть на часы.

Время не нужно ждать. Им нужно управлять. Это можно представить следующей аналогией:

time.sleep() — это попытка остановить время. time.ticks_ms() — это умение с ним работать. Разница между ними — как между тем, чтобы сидеть у кастрюли и ждать, и тем, чтобы готовить десять блюд одновременно.

ticks_ms() — это инструмент управления временем, который решает одну конкретную задачу: измерение интервалов времени без блокировки кода и он не панацея, а один из инструментов в арсенале разработчика.

P.S. В следующей статье я опишу систему отправки SMS и двустороннюю связь с телефоном при полном отсутствии интернета.