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用Python写一个基于Web的物联网应用程序

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本帖最后由 木子呢 于 2021-6-1 17:55 编辑

用Python写一个基于Web的物联网应用程序

浙江省温州中学 谢作如

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寒假期间,忙里偷闲设计了一个名叫“sfarm”的开源智慧农场方案。sfarm采用了应用最广泛的MQTT协议,多节点设备汇集到一个服务器上,不仅能自动灌溉,还实现了远程控制,定时采集各种数据。方案中涉及的开源硬件、传感器、电磁阀和其他灌溉设备,在淘宝上都能买到,因而得到了很多朋友的关注。其中福州连江五中的卢老师就在学校的大花坛上部署了一套,运行效果很好。

虽然系统运行正常,但很快就产生了新的需求:当有嘉宾或者学生来参观智慧农场系统的时候,如何快速展示这一系统的“物联”功能?毕竟打开SIoT(MQTT服务器)的Web管理页面,再进行演示总不够便捷,也难以体现个性化。这就需要写一个物联网应用程序,对接入的各个节点设备进行直观的管理。当然,我们期望这个物联网应用程序的开发难度不能太高,最好学生也能够开发。这样,智慧农场就和学生的物联网学习、编程学习密切结合起来了。

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用Web方式开发物联网应用程序的优势分析

物联网应用程序的开发有很多种方式可以选择,比较常见的是用VB、C#之类的语言来编写,但是开发的应用程序要运行在电脑上,无论是演示还是平时管理都不够灵活。用App inventor编写一个手机App也是不错的选择,技术门槛也低,中学生大都能参与编写。但美中不足的是,这个App要事先安装,而且只能运行在安卓手机上,不够灵活且不具备普适性。

用类Scratch的软件来编写应用程序,也是可行的一种选择,如Mind+(一款图形化编程软件)内置了MQTT模块,可以编写物联网应用程序。Mind+的门槛很低,小学生也能够编写出一个非常个性化的物联网应用。但遗憾的是,Mind+的代码不能脱离Mind+环境运行,也不能编译为一款独立的软件。

毫无疑问,最灵活的方式肯定是采用B/S架构,编写一个单独的管理网页,即WebApp。在服务器上运行该程序,任何手机的浏览器都能打开这个特定的网页,看到各种采集的数据,还可以通过网页按钮来控制“浇水”。这样的应用场景显然很“智能”很“贴心”,但遗憾的是,编写WebApp一般需要掌握一定的网页前端开发技术,而目前学生普遍缺少这方面的编程基础。


用Python开发WebApp

能不能用Python来编写WebApp?现在的中学信息技术教材几乎都采用Python语言了,如果能够用Python来编写网页,学生就不需要学习HTML、JS和CSS等网页开发技术。当然,答案是肯定的,一个名叫“Remi”的Python库,就是用来开发WebApp的。

1.Remi库简介

Remi是一个用于Python应用程序的GUI库,它将应用程序的界面转换为HTML,以便在Web浏览器中呈现。严格地说,我们不能用Remi库来编写传统的网站,而只将他当成Web形式的Tkinter库(Python最经典的图形界面库)来使用。如果要做网站,还是要老老实实学点前端知识,然后结合Python的Flask框架来开发。

2.Remi库的安装

Remi可以采用pip命令安装,具体如下:
pip install remi

3.Remi库的代码示例(如下图)

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运行这段代码后,浏览器会自动打开一个本地的网址,出现如下图所示的界面。将“127.0.0.1”换成IP地址,就能通过其他电脑、手机的浏览器来访问了。

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点击“请点击这里”按钮,界面会发生变化,如下图所示。不用写复杂的JS代码,在Remi的支持下,网页交互就变得这么简单。

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如果需要了解更多关于Remi库的资源,可以访问github或者官方文档。
github地址:https://github.com/dddomodossola/remi文档地址:https://remi.readthedocs.io/en/latest/


基于Remi编写基于Web的物联网应用程序

既然是编写物联网应用程序,那么肯定还需要安装siot库。这也是“虚谷物联”团队开发的Python库,因为MQTT的官方Python库(paho-mqtt)编写出来的代码冗长,不好理解,于是委托上海蘑菇云团队在paho-mqtt的基础上进行了新的封装。siot库可以通过pip命令来安装,命令如下:
pip install siot

1.物联网应用的工作流程

因为“sfarm”每一个节点都有采集土壤、光线信息的功能,都具备单独的电磁阀,用物联网消息来控制。那么,这个应用程序既需要显示消息,又要能够发送消息(控制指令),工作流程如下图所示。其实,绝大多数的物联网应用程序,都需要同时具备订阅和发送消息功能。

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2.核心代码1:物联网消息的订阅

因为要同时订阅多个主题的消息,代码中采用了“定点存放定时处理”的方式,即先将接收到的消息放在一个字典(topic_msg_map)中,然后定时在字典中查找是否有新消息,读取新消息后就删除这一消息,避免重复读取。参考代码如下图所示。

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3.核心代码2:物联网消息的显示

显示消息需要不断刷新网页组件中的文字,这需要启动一个新的进程来处理,然后在这个进程中不断循环读取字典(topic_msg_map)中的消息。参考代码如下图所示。

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4.核心代码3:物联网消息的发送
消息发送通过“浇水”按钮来实现。参考代码如下图所示。


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5.核心代码4:物联网设备的切换sfarm是一个多节点工作的物联网系统,因而需要加上设备切换功能,比较简单的做法是用一个列表(project_list)记录需要呈现的设备名称,然后在切换时修改全局变量(id)。参考代码如下图所示。

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运行效果和反馈Python的神奇,就在于其拥有无穷无尽的“库”,能够用来快速解决问题。从找到Remi库到写出代码,我仅仅花了一个晚上的时间,这种编程的感觉特别好。最终的代码运行效果如下图所示。

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福州连江五中的卢老师将代码运行在sfarm系统的物联网服务器上,然后将访问地址做成二维码,用手机扫码(手机要能够访问服务器)的方式来打开这个网页,效果很不错,如下图所示。从难度上看,只要有Python编程基础,就能编出类似的程序。他正在将这方面的内容开发成一个物联网课程,让学生真正参与到sfarm的开发和维护中。

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完成了这个物联网应用后,最大的收获并不是解决了sfarm系统的演示问题,而在于找到了一种设计Python程序界面的新方法。例如,可以用Remi库写一个基于Web的校园气象站、摄像头远程控制程序等。相对来说,用Remi库开发WebApp,比Flask(一个Python开发的Web框架)要简单得多,后者需要了解大量的HTML、JS和CSS之类的知识,对中学生来说门槛略高了一些。


文章节选于《中国信息技术教育》2021年第9期

来源:公众号 中国信息技术教育

晨硕  见习技师

发表于 2021-6-2 12:19:10

牛皮
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