pinpong：讓開源硬件的編程更加簡(jiǎn)單

謝作如

涉及學(xué)科：技術(shù)、工程

開源硬件的出現(xiàn)，讓中小學(xué)的編程教育不再限制在虛擬世界，開始與物理世界互動(dòng)。從Arduino、樹莓派和pcDuino到拿鐵熊貓，各種品牌的開源硬件不斷涌現(xiàn)，推動(dòng)了我國(guó)創(chuàng)客教育和STEM教育的發(fā)展。2016年，因?yàn)楦咧行畔⒓夹g(shù)教材選擇了Python語(yǔ)言，于是micro：bit、掌控板和虛谷號(hào)快速崛起，成為當(dāng)前中小學(xué)創(chuàng)客教育的重要選擇之一。

開源硬件的快速發(fā)展，給中小學(xué)教師帶來了更多的選擇，但同時(shí)也帶來了新的麻煩。因?yàn)椴煌拈_源硬件采用的芯片不同，其支持的編程語(yǔ)言和編程工具也各不相同，甚至連引腳的編號(hào)、運(yùn)行的電壓和支持的擴(kuò)展模塊也不同。選擇Arduino、micro：bit還是掌控板（如圖1）？一些剛剛?cè)腴T的教師難免會(huì)陷入選擇恐懼。有沒有一種編程語(yǔ)言，用統(tǒng)一的編程規(guī)范來控制不同的開源硬件？這道看似無解的難題，隨著pinpong庫(kù)的出現(xiàn)，讓我們看到了曙光。

pinpong的原理和設(shè)計(jì)理念

pinpong庫(kù)是一個(gè)基于Firmata協(xié)議開發(fā)的Python硬件控制庫(kù)。2020年春，當(dāng)虛谷計(jì)劃組委會(huì)的一線教師們提出相關(guān)需求時(shí)，上海DFRobot的創(chuàng)客們欣然承擔(dān)了開發(fā)任務(wù)。歷經(jīng)三個(gè)多月的時(shí)間，他們推出了測(cè)試版，得到廣大教師和專家的好評(píng)。目前pinpong的最新版本為0.3。

1. pinpong的原理

pinpong是如何做到用統(tǒng)一的語(yǔ)言控制不同的硬件？其原理是給開源硬件燒錄一個(gè)特定的固件，使開源硬件可以通過串口與電腦通信，執(zhí)行各種命令。這個(gè)特定的庫(kù)也是一個(gè)廣泛流行的開源通信協(xié)議，名字叫做Firmata。pinpong庫(kù)的名稱由“Pin”和“Pong”組成，“Pin”指引腳，“pinpong”為“乒乓球”的諧音，指信號(hào)的往復(fù)（如下頁(yè)圖2）。

目前pinpong庫(kù)支持Arduino、掌控板、micro：bit等開源硬件，同時(shí)支持虛谷號(hào)、樹莓派和拿鐵熊貓等。借助pinpong庫(kù)，直接用Python代碼就能給各種常見的開源硬件編程。

2.pinpong的設(shè)計(jì)理念

pinpong庫(kù)的設(shè)計(jì)，是為了讓開發(fā)者在開發(fā)過程中不用被繁雜的硬件型號(hào)束縛，而將重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到軟件的實(shí)現(xiàn)。哪怕程序編寫初期用Arduino開發(fā)，部署時(shí)改成了掌控板，只要修改一下硬件的參數(shù)就能正常運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了“一次編寫處處運(yùn)行”。

pinpong的編程規(guī)范

1.pinpong的安裝

pingpong庫(kù)的安裝和Python的其他庫(kù)安裝一樣，在命令行下用pip命令即可。參考命令：pip install pinpong。

2.pinpong的基本用法

以Arduino UNO為例，表1中的代碼，將點(diǎn)亮Arduino板載的LED燈（D13引腳）。

從上述代碼可以看出，通過pinpong庫(kù)控制開源硬件的代碼不僅簡(jiǎn)潔，而且容易理解。初始化硬件只要正確輸入硬件的品牌和型號(hào)即可。如果端口號(hào)省略，pinpong會(huì)自動(dòng)掃描本機(jī)可用的所有串口，然后給硬件燒錄特定的固件。這樣一來，開源硬件的入門門檻降到了最低：只要能辨別開源硬件的型號(hào)，并且知道其引腳的正確編號(hào)即可。

在引腳控制方面，pinpong的語(yǔ)法跟micro：bit和掌控板是一致的，同時(shí)又兼容MicroPython的標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)法。例如，電平信號(hào)輸出處改為“l(fā)ed.value（1）”，代碼也能正常運(yùn)行，非常靈活。而且，一臺(tái)計(jì)算機(jī)還能同時(shí)連接多塊開源硬件，彼此可以互動(dòng)。

pinpong的應(yīng)用案例

1.數(shù)據(jù)科學(xué)應(yīng)用案例：傳感器數(shù)據(jù)的采集

案例背景：在新版的普通高中信息技術(shù)教材中，增加了“傳感與控制”方面的學(xué)習(xí)內(nèi)容。這里的“傳感”指通過傳感器采集外界環(huán)境中的各種信息，如溫度、聲音、光線等。利用pinpong庫(kù)，只要在普通電腦上接上一塊開源硬件，如Arduino、掌控板，然后再接相應(yīng)的傳感器即可。

器材清單：（1）開源硬件：Arduino;（2）擴(kuò)展模塊：溫度傳感器。

參考代碼如圖3所示。

2.人工智能應(yīng)用案例：迎賓機(jī)器人

案例背景：人臉識(shí)別是人工智能方面的經(jīng)典應(yīng)用，很多教材都會(huì)通過各種方式去實(shí)現(xiàn)人臉識(shí)別。本案例采用了OpenCV，實(shí)現(xiàn)了對(duì)人臉的識(shí)別。只要攝像頭檢測(cè)到人臉，就會(huì)說“您好”，并且驅(qū)動(dòng)舵機(jī)擺動(dòng)小手，向客人打招呼。

器材清單：（1）開源硬件：Arduino;（2）擴(kuò)展模塊：舵機(jī);（3）電腦配件：攝像頭、小音箱。

參考代碼如下頁(yè)圖4所示。

pinpong的優(yōu)勢(shì)和價(jià)值分析

1.支持市場(chǎng)上絕大多數(shù)的開源硬件

pinpong庫(kù)支持絕大多數(shù)的開源硬件。目前pinpong庫(kù)已經(jīng)支持Arduino、虛谷號(hào)和掌控板，其他的開源硬件支持已經(jīng)在規(guī)劃中，從下頁(yè)表2可以看出。實(shí)際上，開源硬件的品牌雖然很多，但基本上可以分為Arduino（涵蓋了拿鐵熊貓和虛谷號(hào)等）、ESP32（包括ESP8266和掌控板等）、micro：bit和樹莓派（涵蓋了pcDuino和banana派等）這四個(gè)類別。

2.信息系統(tǒng)的開發(fā)調(diào)試和遷移部署非常方便

pinpong庫(kù)是采用串口的形式與開源硬件進(jìn)行通信，因而不管最終使用什么硬件，信息系統(tǒng)的開發(fā)都可以在普通電腦上進(jìn)行，只要計(jì)算機(jī)上接一塊Arduino或掌控板就行。等到系統(tǒng)調(diào)試成功后，將代碼遷移到虛谷號(hào)、樹莓派和拿鐵熊貓等開源硬件，或者NUC（Next Unit of Computing，Intel的迷你電腦）、HTPC（Home Theater Personal Computer，即家庭影院電腦）、Mac Mini（蘋果的迷你電腦），幾乎不用做任何修改即可正常運(yùn)行。

3.讓人工智能應(yīng)用結(jié)合硬件更加方便

自國(guó)務(wù)院發(fā)布《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》以來，全國(guó)各地涌現(xiàn)出一大批人工智能教材。但對(duì)于中小學(xué)生來說，沒有結(jié)合硬件的人工智能應(yīng)用總不夠酷炫有趣，缺乏“生活”氣息。

目前，Python是當(dāng)之無愧的人工智能第一編程語(yǔ)言，也是當(dāng)前絕大多數(shù)中小學(xué)人工智能教材采用的編程語(yǔ)言。在pinpong庫(kù)的支持下，很多人工智能應(yīng)用只要增加幾行代碼就能夠感知外部環(huán)境，并且控制各種電機(jī)，實(shí)現(xiàn)多模態(tài)的交互。如本文的案例2本來就是一個(gè)經(jīng)典的人臉識(shí)別案例，僅僅多加了一個(gè)舵機(jī)，人工智能應(yīng)用就可愛起來。