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[M10项目] 行空板扩展板冷门项目：异步控制灯带

本帖最后由燃烧吧小宇宙X 于 2024-9-2 17:41 编辑

作为一个长期对开发板感兴趣的非专业玩家（也就用过ESP8266/32、stm32、树莓派），很感谢官方给予的这次试用机会，也终于结束多年潜水，发了这个帖子，对或不对的地方，希望大家指教。这次试用的应该是行空板首个专用扩展板（不用再用micro:bit的扩展板了），官方名称是行空板双路电机驱动I/O扩展板，很漂亮，看官方美图：

   功能和参数见官方产品维库，在这就不浪费篇幅了。

   由于这块扩展板板载有RGB LED和红外收发模块，这次试用得到了尝试灯带和红外控制的机会，同时看到试用群里有讨论单线程的问题，于是决定做个异步控制灯带的小项目，作为这次的试用报告。
   一、板载灯带控制
   扩展板板载有三颗WS2812LED灯珠。WS2812也被称为NeoPixel，是单总线串联控制的LED灯带，每个灯珠有一个唯一地址，可独立控制颜色、亮度，组合起来可实现各种基于色彩变化的动态效果，常用于灯带、灯盘、灯板，一般长这样：

因为一直没想到什么好项目，虽想玩但一直没有下手，这次正好可以试试。根据官网资料，行空板通过pingpong库中的NeoPixel模块对WS2812进行控制，既可同时控制所有灯珠，也可对单个灯珠进行控制。扩展板上的WS2812与行空板引脚P13连接，示意控制代码如下：

from pinpong.board import Board, Pin, NeoPixel
Board().begin()
np = NeoPixel(Pin((Pin.P13)), 3)    # 定义引脚和数量
np.range_color(0, 3, 0xFF0000)     # 控制所有灯珠
np[1] = (0, 255, 0)                         # 控制单个灯珠
np.clear()                                       # 清除所有灯珠
复制代码

据此可实现一些控制灯带的方法，如随机闪烁、呼吸灯、跑马灯等，为方便调用，封装了一个继承自NeoPixel的类：

class NeoPixelCustom(NeoPixel):
    def __init__(self, pin, num):
        super().__init__(pin, num)
        self.num = num
    ...
    # 往复跑马
    def marquee_pingpong(self, sleep_time=.2):
        self.clear()
        color = (random.randint(0, 255), random.randint(0, 255), random.randint(0, 255))
        while True:
            for i in range(self.num):
                self.clear()
                self[i] = color
                time.sleep(sleep_time)
            for i in range(1, self.num-1):
                self.clear()
                self[self.num-1-i] = color
                time.sleep(sleep_time)
    ...
复制代码

可直接调用测试：

from NeoPixelCustomAsyn import NeoPixelCustom
npc = NeoPixelCustom(Pin((Pin.P13)), 3)                      # 定义引脚号和灯珠数量
npc.blink_random()
复制代码

二、异步控制
在完成多个基于时间的灯带效果后，一个自然的想法是通过某种方法切换不同的效果。行空板自带的GUI库可操作板载的两个按键，因此可以用按键对程序进行控制：

from unihiker import GUI
gui = GUI()
...
counter = 0
def change_mode():
    global counter
    if counter % 2 == 0:
        npc.clear()
        npc.range_color(0, 3, 0xFF0000)
    elif counter % 2 == 1:
        npc.clear()
        npc.range_color(0, 3, 0x0000FF)
    counter += 1
gui.on_a_click(change_mode)

def button_quit():
    npc.clear()
    sys.exit(0)
gui.on_b_click(button_quit)

while True:
    time.sleep(0)
复制代码

   上述代码实现了用A键切换WS2812状态，用B键退出程序。
   然而，在将上述程序中切换的功能换为自定义类中基于时间的灯带效果时，就会发现切换功能失效了。
   究其原因是就程序的单线程运行。程序在主循环中监听事件并执行回调函数，但当执行的回调函数中含有无限循环`while True`时（如blink），将无法再跳至主循环执行监听等操作。这时可考虑使用异步程序。
   【这部分整理自网上资料，供参考】异步程序允许程序在等待某些操作完成的同时继续执行其他任务，而不会被阻塞，常用于提高程序性能、提升用户体验、简化程序模型。
   在python中，可使用协程（Coroutines）实现异步程序。协程是一种特殊的程序构造，可以在执行过程中暂停并恢复，而不会丢失当前程序的上下文。协程在单个线程中运行，通过调度机制实现并发，降低了上下文切换的开销，提高了程序的执行效率。协程与多线程/多进程有以下区别：

多线程：线程是操作系统层面的并行执行单位，线程间通信需要锁等同步机制，上下文切换开销大，适合CPU密集型任务。
多进程：进程是独立的执行环境，拥有自己的内存空间，适合I/O密集型任务，但创建和销毁进程开销大。
协程：协程在单线程中通过控制流切换实现并发，没有线程切换开销，但资源占用相对较少，适合I/O等待任务。

协程的实现原理包括以下几个关键点：

异步函数定义：使用`async def`定义的函数可以在函数内部使用`await`关键字来挂起函数的执行，等待异步操作完成。
事件循环：异步编程通常需要一个事件循环来调度协程的执行，Python中的asyncio库提供了事件循环的支持。
协程调度：使用事件循环（Event Loop）来调度协程的执行，使得程序能够在不同的协程之间切换执行，实现异步编程的效果。

Python中可使用标准库asyncio编写异步代码：

import asyncio
async def async_function():
    await asyncio.sleep(1)
    print("Async function executed")
asyncio.run(async_function())
复制代码

上述代码中，使用`async`关键字定义异步函数，`await`关键字暂停异步函数的执行，等待另一个异步任务完成。
在了解了使用协程编写异步程序的方法后，将按键控制功能切换的代码改成了异步版本，【以下代码基于个人理解，仅供参考】：

import asyncio
...
loop = asyncio.get_event_loop()
current_task = None

def change_mode():
    global counter, current_task
    if current_task:
        current_task.cancel()
    counter += 1
    if counter  == 1:
        current_task = loop.create_task(npc.blink_random())
    ...
    elif counter == 5:
        current_task = loop.create_task(npc.hue_change())
        counter = 0
gui.on_a_click(change_mode)
复制代码

在上述代码中，在A键按下后，功能函数以异步方式执行，通过`await`接受事件循环的调度，从而可以回到主循环进行事件监听完成效果的切换。
实现的效果如下：
行空板扩展板冷门项目：异步控制灯带图1

几处需要注意的是：
1. 自定义类中相应的功能函数需添加`async`、`await`关键字，使异步函数得以暂停恢复。
2. 一般使用`asyncio.run(main_asyn()) `和`asyncio.create_task()`进行异步程序的运行和协程的创建。但是在这个项目中这样写灯带效果不能同步切换，报运行时错误`no running event loop`，判断和行空板CPU+MCU的架构有关，在调试时shell处于不同的线程，因此做如下更改：

loop = asyncio.get_event_loop()                # 1. 获取当前的事件循环
loop.run_until_complete(main_asyn())       # 2. 用该事件循环调度异步程序
asyncio.events._set_running_loop(loop)    # 3. 手工设置当前的事件循环
复制代码

三、红外遥控
由于扩展板板载了红外收发，手上也正好有个使用NEC协议的红外遥控器，因此无需额外的接收器就可将上述代码微调为红外遥控板本，根据官方文档，板载红外接收模板与行空板引脚14连接，红外信号数据中的按键代码可测试得到，主要代码如下：

<blockquote>from pinpong.board import Board, Pin, IRRecv
复制代码

红外遥控版本的灯带控制效果如下：
行空板扩展板冷门项目：异步控制灯带图2

四、手势控制
   行空板比起其他MCU的主要优势是拥有完整的Python生态，同时USB-A口方便摄像头的接入给基于视觉的智能项目带来方便。因此项目进行到这里，决定再往前一步，尝试用摄像头捕捉手势进行控制。
   这里也要提一下扩展板，虽然CV项目行空板+摄像头就OK了，但5V的供电总感觉不太稳定，至少我在调试时多次出现SSH意外断开或是死机的情况，接上扩展板的DC供电后没再出过问题了。
   手势识别直接使用了HandTrackingModule库，需安装MediaPipe和cvzone，MediaPipe是Google开源的多媒体机器学习模型应用框架，CVZone则提供了丰富的深度学习功能。多说一句MediaPipe支持pip安装的最低版本是Python3.8，我这块行空板的版本是3.7.3，只能手工安装whl包。程序主要代码如下：

<blockquote>import cv2
复制代码

上述代码中用数字1-5代表1-5的手势，调用对应用灯带效果。握拳用0表示，用于熄灭所有灯珠。
这样就完成了一个简单的基于摄像头手势控制的项目（智能部分写得很不智能，请见谅）。

行空板扩展板冷门项目：异步控制灯带图3

   这是我提交的关于行空板双路电机驱动I/O扩展板的试用报告（虽然没来及测试双路电机控制），也借这次试用交流一下关于异步编程的个人理解（主要是最近太忙了，怕来不及交作业。后面有空的话，会争取写写小车机械臂的文章，但是小车的文会很多不是吗）。
   总结这次试用，加上用了阵行空板，有几点感受：
   1. 行空板带触屏、有按键，可方便也通过Home菜单切换想运行的程序，很是方便。
   2. 行空板使用完整python生态，忽略性能，啥都能干。
   3. 板载元件带来方便，尤其是红外收发，给无线控制带来方便。
   4. 扩展板带来更强的供电，且可边接着USB调试，同时DC口取电，不用担心共地问题。另外WS2812需要5V电压，电机往往需要更高的电压，有扩展板就不用额外考虑供电问题了。
   5. 两路带调速的电机控制和3.3V的PWM舵机控制，一般够用。好像听说是软件PWM？效果怎样待测。
   6. 做工不说了，棒棒的！
   几个小建议（可能不对）：
   1. 关于倾斜设计。这是一个很新颖且在不同场景下见仁见智的设计，有版友表示倾斜的安装给行空板屏幕带来更好的可视角度，但是缺点呢就是在拼搭的时候占更大的地方，另外比起立式或是卧式总觉得会不牢会折断，拿起放下都是小心翼翼，希望只是感觉上。。。
   2. 关于固定孔位。基于近期的兴趣，能否考虑一些兼容乐高的固定孔位。
   3. 关于python版本。我当前的版本是3.7.3，当前大多数人工智能相关的库都要3.10，甚至3.12以上，而手工升级或安装多个python对于新手又不是件轻松事，行空板作为一个（也）面向初学者，又以智能化为重要方向的开发板，建议升级出厂默认python版本。
   4. 关于物理开关。调试时行空板当然可以通过`shutdown`关闭系统，但单独使用中就只能粗暴断电了，使用扩展板时有个物理开关感受上就好了很多，当然也就是感受上。。。
   5. 另外，不知道这块扩展板能不能反过来给micro:bit用呢，引脚电气部分应该也是可以的吧，希望谁能告知我。

   开发板的乐趣就在于对各种技术的组合和折腾，希望大家折腾得开心~
   最后，再次感谢官方的这次试用机会，也希望未来参与到更多有趣的实践和讨论中。

行空板, 扩展板