基于树莓派的积木化编程解决方案

前言

此前在一辆树莓派可编程小车的问题一文中论述了构建一个服务于编程教学的树莓派小车,将遭遇的问题。

本文基于我们在codelab-adapter、IoT和积木化编程这几方面的探索,继续前行,试图构建一个服务于编程教育的解决方案,它是开放的!我们将展示一个原型,欢迎社区开发者加入进来继续完善它。目前已有两家公司愿意与我们一起探索树莓派生态。

我们在CodeLab ❤️ IoT承诺说:

本周,我会给出一个具体例子: 在树莓派中使用extension_iot.py,定制出extension_iot_rpi.py, 而后者是可以实际服务于硬件教学的插件。 在这个例子中我们将展示,如何在几天内快速构建一个教学产品,可以直接推向最终用户,它甚至包括了管理功能(如远程故障处理和升级)!

CodeLab关注:

  • 开放性
  • 简单易用
  • 可扩展

为何选择MQTT

尽管使用EIM插件也能构建出完整解决方案,诸如我们此前演示的

但本文试图使用mqtt来做。使用mqtt的一个好处是,可以提供远程故障处理和升级!

即便在内网中,codelab-adapter也提供了MQTT Broker插件,使用mqtt,可以轻松地远程维护和管理设备。

已有工作

CodeLab在mqtt(IoT)这块的工作,CodeLab ❤️ IoT一文做了梳理。

简而言之,我们做了如下工作:

  • Scratch IoT Extension: 构建了与mqtt通信的通用Scratch3积木(类似EIM)
  • codelab-adapter extension_iot: 构建了可用于订阅和发布mqtt消息的codelab-adapter通用插件(类似extension_eim)
  • IoT server: iot.codelab.club: 构建了运行在公网上的mqtt server(MQTT Messaging Broker)(支持用户身份)

继续前行

有了以上工作,要完成我们的目标,只有一件事需要做了,就是基于extension_iot去处理订阅地消息即可!

无论是教学产品的具体功能,还是管理这个教学产品,通过消息都可以完成这些任务。想想EIM的含义(也是它的理念): Everything Is Message。

我们暂时还是将教学产品设想为一辆树莓派小车,正如我们在一辆树莓派可编程小车的问题所做的假设。一旦你理解原理,构建任何项目都是ok的。

为了简化这个问题,我就不去实际淘宝一辆小车配件了。为了展示原理,我们将构建类似def move_forward(distance): print("move_forward:{}".format(distance))的函数,用以说明问题。实际中,无非在这些函数里写上具体功能罢了。

动起手来!

这儿将展示Scratch中的积木如何让小车运动起来。

源码参考extension_iot_rpi

只需要关注如何处理消息部分即可(想想我们以前在EIM中做的讨论,思路完全一样!)

其中与树莓派小车功能相关的代码,放到一个类中:

class RpiCar:
    def __init__(self, logger, name="myRpiCar"):
        self.name = name
        self.logger = logger

    def move_forward(self, distance):
        # todo 采用gpiozero去驱动舵机实现
        self.logger.info("move_forward:{}".format(distance))

    def move_backward(self, distance):
        self.logger.info("move_backward:{}".format(distance))

运行起来试试效果!

完美运行!

上述示例插件中,只提供picar(picar 是RpiCar的实例)、gpiozero供外部调用。如果你希望给出更多的自由,可以参考extension_python_kernel

一旦建立了连接,至于怎么处理消息,社区里有大量案例可以学习:

远程管理

除了要用积木控制小车(这是我们的核心任务)。我们前边还承诺要构建管理功能(如远程故障处理和升级)。解决方案同样基于消息。

管理功能可能会涉及硬件的批量升级之类的功能。 安全问题需要做些考虑,建议使用独立的mqtt用户来做(概念上,这个用户是管理员)。权限相关的问题可以基于用户模型来做,这个话题涉及基于角色的访问控制(Role-Based Access Control,RBAC)的讨论,linux操作系统也是这样做的,有兴趣,可以看我之前的文章:理解权限系统

我建议将远程管理作为独立的codelab-adapter extension。而不要混杂在extension_iot_rpi,否则,一不小心容易有安全隐患。 限于篇幅,安全这块不过多讨论。做好权限控制,一般就不会有大问题。

这里给出一个演示例子,试图给出概念上的说明: 怎么基于消息来做远程设备管理。和前边一样,同样通过消息安装系统依赖只需发送消息myRpiManager.install_system_pkg("git"), 相关源码是:

import subprocess
import socket

class RpiManager:
    def __init__(self, name="myRpiManager"):
        self.name = name

    def run_shell_cmd(self,cmd):
        subprocess.Popen(cmd , shell = True) # 是否需要运行结果

    def pip3_install(self, pkg_name):
        cmd = "pip3 install {}".format(pkg_name)
        self.run_shell_cmd(cmd)

    def install_system_pkg(pkg_name):
        cmd = "sudo apt install {}".format(pkg_name)
        self.run_shell_cmd(cmd)

    def restart(self):
        # 使用sudo 需要用超级用户运行codelab-adapter
        cmd = "sudo restart"
        self.run_shell_cmd(cmd)

    def get_hostname(self):
        return socket.gethostname()

    def exec(self, cmd):
        exec(cmd) # python exec

如果你要使用sudo(如安装系统软件), 那么你就需要使用sudo来运行codelab-adapter

一些注意事项

为了实现开箱可用,我们做了不少工作。

codelab-adapter的命令行模式

codelab-adapter目前支持命令行运行:./codelab-adapter --mode cli

开机自启

使用supervisor管理./codelab-adapter --mode cli就能实现开机自启。

参考supervisor

默认加载插件

通过配置user_settings, 允许自定义默认启动的extension。

新建~/codelab_adapter/user_settings.py, 添加:

cli_load_extension_threads = ["extension_iot_rpi"]

网络问题

注意网络问题,确认网络通畅后,才启动插件,因为MQTT需要联网。这块可以在插件内部写, 联网之后再启动插件主体。

import socket
def is_network_alive():
    try:
        # connect to the host
        url = "www.baidu.com"
        socket.create_connection(("www.baidu.com", 80))
        return True
    except:
        pass
    return False

在插件的下个版本,我会内置这些特性,先放出思路,心急的开发者一起来改进它。

接下来

工具链

我们会继续打造好用的工具链,用于支持开发者生态, 诸如设备和数据统计的页面。正如我们之前提到的:

CodeLab之后除了对外提供基础工具,也希望能对外提供基础服务。

定制积木

与EIM一样 我们目前提供的MQTT积木也是一组通用积木, 对于每个教育硬件(如树莓派小车),可能需要定制出相应积木。思路与我们之前在EIM所做的讨论完全相同。

欢迎交流讨论:)

参考




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