pinpong：让开源硬件的编程更加简单

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　　涉及学科：技术、工程
　　开源硬件的出现，让中小学的编程教育不再限制在虚拟世界，开始与物理世界互动。从Arduino、树莓派和pcDuino到拿铁熊猫，各种品牌的开源硬件不断涌现，推动了我国创客教育和STEM教育的发展。2016年，因为高中信息技术教材选择了Python语言，于是micro：bit、掌控板和虚谷号快速崛起，成为当前中小学创客教育的重要选择之一。
　　开源硬件的快速发展，给中小学教师带来了更多的选择，但同时也带来了新的麻烦。因为不同的开源硬件采用的芯片不同，其支持的编程语言和编程工具也各不相同，甚至连引脚的编号、运行的电压和支持的扩展模块也不同。选择Arduino、micro：bit还是掌控板（如图1）？一些刚刚入门的教师难免会陷入选择恐惧。有没有一种编程语言，用统一的编程规范来控制不同的开源硬件？这道看似无解的难题，随着pinpong库的出现，让我们看到了曙光。
　　pinpong的原理和设计理念
　　pinpong库是一个基于Firmata协议开发的Python硬件控制库。2020年春，当虚谷计划组委会的一线教师们提出相关需求时，上海DFRobot的创客们欣然承担了开发任务。历经三个多月的时间，他们推出了测试版，得到广大教师和专家的好评。目前pinpong的最新版本为0.3。
　　1. pinpong的原理
　　pinpong是如何做到用统一的语言控制不同的硬件？其原理是给开源硬件烧录一个特定的固件，使开源硬件可以通过串口与电脑通信，执行各种命令。这个特定的库也是一个广泛流行的开源通信协议，名字叫做Firmata。pinpong库的名称由“Pin”和“Pong”组成，“Pin”指引脚，“pinpong”为“乒乓球”的谐音，指信号的往复（如下页图2）。
　　目前pinpong库支持Arduino、掌控板、micro：bit等开源硬件，同时支持虚谷号、树莓派和拿铁熊猫等。借助pinpong库，直接用Python代码就能给各种常见的开源硬件编程。
　　2.pinpong的设计理念
　　pinpong库的设计，是为了让开发者在开发过程中不用被繁杂的硬件型号束缚，而将重点转移到软件的实现。哪怕程序编写初期用Arduino开发，部署时改成了掌控板，只要修改一下硬件的参数就能正常运行，实现了“一次编写处处运行”。
　　pinpong的编程规范
　　1.pinpong的安装
　　pingpong库的安装和Python的其他库安装一样，在命令行下用pip命令即可。参考命令：pip install pinpong。
　　2.pinpong的基本用法
　　以Arduino UNO为例，表1中的代码，将点亮Arduino板载的LED灯（D13引脚）。
　　从上述代码可以看出，通过pinpong库控制开源硬件的代码不仅简洁，而且容易理解。初始化硬件只要正确输入硬件的品牌和型号即可。如果端口号省略，pinpong会自动扫描本机可用的所有串口，然后给硬件烧录特定的固件。这样一来，开源硬件的入门门槛降到了最低：只要能辨别开源硬件的型号，并且知道其引脚的正确编号即可。
　　在引脚控制方面，pinpong的语法跟micro：bit和掌控板是一致的，同时又兼容MicroPython的标准语法。例如，电平信号输出处改为“led.value（1）”，代码也能正常运行，非常灵活。而且，一台计算机还能同时连接多块开源硬件，彼此可以互动。
　　pinpong的应用案例
　　1.数据科学应用案例：传感器数据的采集
　　案例背景：在新版的普通高中信息技术教材中，增加了“传感与控制”方面的学习内容。这里的“传感”指通过传感器采集外界环境中的各种信息，如温度、声音、光线等。利用pinpong库，只要在普通电脑上接上一块开源硬件，如Arduino、掌控板，然后再接相应的传感器即可。
　　器材清单：（1）开源硬件：Arduino;（2）扩展模块：溫度传感器。
　　参考代码如图3所示。
　　2.人工智能应用案例：迎宾机器人
　　案例背景：人脸识别是人工智能方面的经典应用，很多教材都会通过各种方式去实现人脸识别。本案例采用了OpenCV，实现了对人脸的识别。只要摄像头检测到人脸，就会说“您好”，并且驱动舵机摆动小手，向客人打招呼。
　　器材清单：（1）开源硬件：Arduino;（2）扩展模块：舵机;（3）电脑配件：摄像头、小音箱。
　　参考代码如下页图4所示。
　　pinpong的优势和价值分析
　　1.支持市场上绝大多数的开源硬件
　　pinpong库支持绝大多数的开源硬件。目前pinpong库已经支持Arduino、虚谷号和掌控板，其他的开源硬件支持已经在规划中，从下页表2可以看出。实际上，开源硬件的品牌虽然很多，但基本上可以分为Arduino（涵盖了拿铁熊猫和虚谷号等）、ESP32（包括ESP8266和掌控板等）、micro：bit和树莓派（涵盖了pcDuino和banana派等）这四个类别。
　　2.信息系统的开发调试和迁移部署非常方便
　　pinpong库是采用串口的形式与开源硬件进行通信，因而不管最终使用什么硬件，信息系统的开发都可以在普通电脑上进行，只要计算机上接一块Arduino或掌控板就行。等到系统调试成功后，将代码迁移到虚谷号、树莓派和拿铁熊猫等开源硬件，或者NUC（Next Unit of Computing，Intel的迷你电脑）、HTPC（Home Theater Personal Computer，即家庭影院电脑）、Mac Mini（苹果的迷你电脑），几乎不用做任何修改即可正常运行。
　　3.让人工智能应用结合硬件更加方便
　　自国务院发布《新一代人工智能发展规划》以来，全国各地涌现出一大批人工智能教材。但对于中小学生来说，没有结合硬件的人工智能应用总不够酷炫有趣，缺乏“生活”气息。
　　目前，Python是当之无愧的人工智能第一编程语言，也是当前绝大多数中小学人工智能教材采用的编程语言。在pinpong库的支持下，很多人工智能应用只要增加几行代码就能够感知外部环境，并且控制各种电机，实现多模态的交互。如本文的案例2本来就是一个经典的人脸识别案例，仅仅多加了一个舵机，人工智能应用就可爱起来。
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