LattePanda 项目之 P2.2 起飞条件检测系统（CLI & GUI）

前言

原创文章，转载引用务必注明链接，水平有限，如有疏漏，欢迎指正。

本文使用Markdown写成，为获得更好的阅读体验和正常的链接、图片显示，请访问我的博客原文：

http://www.cnblogs.com/sjqlwy/p/lattepanda_pyui.html

本文测试环境：LattePanda：Windows 10 x64；Arduino 1.8.2；Python 3.6 + pyFirmata；TeamViewer 12|TightVNC C&S；host：Windows 7 x64

影响飞机飞行的六大气象因素

来自中国天气网：http://www.weather.com.cn/science/qxbk/jt/09/392758.shtml

气压	风
云	能见度
颠簸	结冰

目前，我们可以获取气压、风力、云层、能见度等方面的数据，而四轴飞行器属于低空飞行，并不会受颠簸、结冰影响。为此，我们设计如下：

1. 通过在线天气预报API获取当前天气、风力、气压、能见度等信息；以及次日天气状况并进行判断
2. 获取传感器数据显示当前环境状况（由于缺少专业传感器，未来会连接气象站套件、购置新传感器、连接其他MCU获取气压等数据）
3. 显示结果：

• 终端程序（CLI）：Python Shell|Windows Command Prompt
• 图形界面（GUI）：图形程序或网页界面（Web Interface）
• 物理面板：使用LCD液晶屏、物理按钮、LED灯等指示起飞条件状态

获取天气条件（输入）

天气预报API

最简便且准确的途径就是获取天气预报啦，这里我们可以使用国内外诸多网站提供的服务API，可以在百度API Store查找使用各种免费收费服务。之前用过Yahoo、Weather等的API，这次无意中发现github上网友TonnyL整理的Awesome_APIs 列表，非常棒，感谢TonnyL，有可能的话大家可以去star或者捐赠。

我们选择中央天气预报(非官方) 这个API，首先数据准确，其次使用异常简单。

使用方法讲得很清楚，数据格式为json，如果不进行格式化，输出结果如下：

其中\uXXXX为JS string，虽然有很多小工具如curl、httpie配合json格式化工具可以完成解码，但是为了后续拓展方便，我们使用Python + requests库来实现数据获取与处理。

获取天气状况

测试环境：Python 3.6.1 for Windows；pyFirmata 1.0.3 (pyserial needed)；requests 2.14.2

代码如下：

#!/usr/bin/env python3
#-*utf-8*-

import requests

def get_weather():
    # use api from https://github.com/jokermonn/-Api/blob/master/CenterWeather.md
    weather = requests.get('http://tj.nineton.cn/Heart/index/all',params = 'city=CHJS070000')
    return weather.json()

status = get_weather()['status']
cond = get_weather()['weather'][0]['now']
tomorrow = get_weather()['weather'][0]['future'][1]

if status == 'OK':
	print("********当前天气********")
	print("当前城市：{0}\n当前天气状况: {1}\n温度: {2} ℃\n风向: {3}\n风速: {4} m/s\n风力大小: {5}\n空气湿度: {6}\n能见度: {7} km\n气压: {8} hPa".format(get_weather()['weather'][0]['city_name'], cond['text'], cond['temperature'], cond['wind_direction'], cond['wind_speed'], cond['wind_scale'], cond['humidity'], cond['visibility'], cond['pressure']))
	print("********明日天气********")
	print("明日天气情况：{0}\n风力大小：{1}".format(tomorrow["text"], tomorrow['wind']))
	if '雨' not in tomorrow['text']:
		affordable_wind = ('风力0级', '风力1级', '风力2级', '风力3级', '风力4级')
		if tomorrow['wind'] in affordable_wind:
			# 后续加入字体颜色
			print("明日适宜飞行！")
			# 绿灯亮
	else:
		# 后续加入字体颜色
		print('明日不宜飞行！')
		# 红灯亮
else:
	print('failed to fetch weather condition of XuZhou!')

执行效果如下：

注意：

1. 注意Python2和Python3的语法上稍有区别，建议阅读廖雪峰的Python教程和免费的《A Byte of Python3(中文版)》这本书。
2. requests库简单易用，内置json格式化功能。虽然还有许多其他更轻巧的库或者工具可以使用，但是使用优美的requests库可以降低学习成本，并为后续网络爬虫等的学习打下基础。
3. 请参考该api的json返回示例，注意字典{}和序列[]，《A Byte of Python3(中文版)》有专门的讲解。
4. 这里推荐使用字符串的format()方法进行格式化输出。
5. params = 'city=CHJS070000'以我家徐州为例，具体城市代码参考作者提供的数据库文件
6. 因为计算机都是业余爱好，所以代码质量相当低，欢迎指正提建议。
7. 当服务端 (Server)和客户端 (Viewer)都使用TightVNC时，可以直接进行文字复制黏贴，但是我这里中文会出现乱码，可能是两个文件编码不同也可能是TightVNC内置编码问题，不过使用文件传输功能没乱码。
8. 后续准备增加适宜和不适宜起飞的字体颜色，由于Windows和Linux的实现有所不同，考虑可移植性，暂时不进行功能整合。可以参考Python实现Windows CMD命令行彩色输出和Python 命令行输出的颜色设置 。

获取传感器数据与物理按钮控制

前文LattePanda 之深入学习 Firmata通讯有所介绍，我们这里先用简单的pyFirmata库进行演示模拟、数字传感器读写。最终效果为：读取光敏传感器、温湿度传感器数据进行显示（模拟、数字传感器读取），并且根据天气预报情况判断明日天气条件是否可以起飞，如果可以，则绿色led亮5s，否则红色led亮5s（数字写入）。未来加入物理大黄按钮进行控制（数字读取）。代码如下：

from pyfirmata import Arduino, util
from time import sleep

# 初始化串口
board = Arduino('COM5')

print("********传感器数据********")
it = util.Iterator(board)
it.start()
board.analog[0].enable_reporting()
sleep(1) # 缓冲时间
# 待补充DHT11以及校准光敏传感器
print("环境亮度：{0}\n环境温度：{1}\n环境湿度：{2}\n".format(board.analog[0].read(), "N/A", "N/A"))
board.analog[0].disable_reporting()

# 绿灯亮
board.digital[9].write(1)
sleep(5)
board.digital[9].write(0)

# 红灯亮
board.digital[10].write(1)
sleep(5)
board.digital[10].write(0)

注意：

1. 请填写正确的串口编号
2. 使用第三方StandardFirmataPlus固件是出现问题，led点亮后无法熄灭，重新烧录官方StandardFirmata固件后回复正常，等待重新验证问题。
3. 操作模拟端口时，建议启动一个迭代器线程进行处理，否则开发板会持续向串口发送数据，直到串口溢出。更多例子及使用方法请参考官方tests.py
4. 开启reporting后请延时后读取模拟量，否则可能获取不到传感器数值；另外单次读取完毕请disable，不然也会一直发送数据（Tx白色指示灯常亮）
5. 后续使用pyMata-aio取代pyFirmata库，它支持最新的firmata协议，使用异步，并且可以自动检测Arduino串口。
6. A9、A10分别接绿色、红色LED。

【APRS气象站套件（带风速计、风向仪、雨量器）】

整合两个功能，即可以得到命令行界面版控制界面完整源码：

Graphics User Interface

前面搞定了CLI界面，基本功能实现了，但是此时的我想起来v2ex上一个段子：

原先 PM 将一个用的人少的运维管理页面（ web application ） JAVA web 给我用 Python 做，期待做成小工具。后来我想给客户的东西总不能没有界面吧，就用 bat 撸了一个。

客户：握草，这界面？！还墨绿色？

我：恩，目前是这样

客户：这滚动的怎么像黑客一样？！！

我：。。。

所以我们准备为地面站系统做一个图形界面。用惯了CLI界面，对图形界面设计编程这个新领域学习了一番，收获颇丰，记录如下。

计划中的地面控制站包括网页版用户交互界面（屏幕软件交互）+物理控制面板（按钮LED交互）。

Windows下的桌面软件开发

• 快手 aardio| 国人出品，专注于桌面软件快速开发，功能强大，永久免费，不过存在一些争议，名词也从AAuto改成了aardio。相关文章：快手软件存在哪些优点和不足？ 、桌面程序开发语言选择易语言还是快手aauto 、 AAuto为何更名为aardio？ 。后续有时间准备学学看。
• C#|Windows桌面程序开发非常给力，然而我没学
• electron | Build cross platform desktop apps with JavaScript, HTML, and CSS。我不会网页那些东西
• Qt | 跨平台，文档众多。Linux下的KDE桌面环境就是基于Qt做出来的，还针对嵌入式系统推出了一个Qt Lite。即使有Qt Design，然而学习成本依然高，需要花时间去学习。
• Visual Basic | 也支持Firmata协议。

因为比较熟悉Python，所以后续以它为例。在v2ex.com上搜索了一下：如果 Python 硬要写桌面应用，该如何是好？

已有的Python GUI库方案

• tkinter|难看，接口也难用。适合小玩意
• wxPython | 还阔以
• PyQt | 资料多，依赖复杂
• REMI | Python REMote Interface library. Platform independent. In about 100 Kbytes, perfect for your diet.
• Kivy | Open source Python library for rapid development of applicationsthat make use of innovative user interfaces, such as multi-touch apps.
• Ironpython | IronPython is an open-source implementation of the Python programming language which is tightly integrated with the .NET Framework.
• Gooey | Turn (almost) any Python command line program into a full GUI application with one line

最终我们选择REMI库来开发图形界面版程序。主要看中依赖少、身材小巧、上手容易、跨平台能力强等。

Python2 与 Python3 :

因为Python2即将结束支持。使用Python的原因是因为简单方便，库多不用重复造轮子，跨平台，功能强大。运行效率其实已经不是最优先的考虑要求啦，毕竟不是嵌入式设备。之前也学过Visual Basic、C、Linux Shell，但是用上Python之后立即爱上了，此外也有现成优秀的库支持Firmata协议。

REMI

既然有了那么多优秀的GUI库，为什么还要创建一个呢，作者是这样回答的：

• Why another GUI lib?
  
  Kivy, PyQT and PyGObject all require native code for the host operating system, which means installing or compiling large dependencies. Remi needs only a web browser to show your GUI.

  Kivy，PyQT，PyGobject都需要安装编译大量依赖才能在宿主机上原生运行，而Remi仅需要网页浏览器就可以显示GUI界面了。

• Do I need to know HTML?
  
  NO, It is not required, you have to code only in Python.

  仅需要会使用Python编程，而不用学习了解HTML（超文本标记语言，网页开发语言）就可以进行开发。

私以为其他优点包括扩拓展性强，方便外网访问等。我们可以看到REMI目前可实现的控件演示：

包括按钮、文本框、标签、输入对话框、列表、图片、表格、滑动条、颜色选择器、日期、文件选择对话框、菜单栏、菜单选项、视频播放等控件。具体用法可以参考doc 和examples文件夹里的内容。

最后推荐一个好用的Python IDE——PyCharm：

安装与hello_DFROBOT!

REMI项目主页：https://github.com/dddomodossola/remi

安装方法很简单，如上文所述：Win+R——cmd——python -m pip install remi，也可以pip install remi，注意需要管理员身份运行。另外新建的文件名不要和待加载的模块名相同（比如remi.py），否则会提示ModuleNotFoundError: No module named remi之类的错误（别问我怎么知道的。。。）。我们新建一个文件如remi_demo.py，代码如下：

import remi.gui as gui
from remi import start, App

class Hello_DFRobot(App):
    def __init__(self, *args):
        super(Hello_DFRobot, self).__init__(*args)

    def main(self):
        container = gui.VBox(width = 120, height = 100)
        self.lbl = gui.Label('DFROBOT')
        self.bt = gui.Button('Press me!')

        # setting the listener for the onclick event of the button
        self.bt.set_on_click_listener(self.on_button_pressed)

        # appending a widget to another, the first argument is a string key
        container.append(self.lbl)
        container.append(self.bt)

        # returning the root widget
        return container

    # listener function
    def on_button_pressed(self, widget):
        self.lbl.set_text('Drive the Future!')
        self.bt.set_text('Button pressed!')

# starts the webserver
start(Hello_DFRobot)

效果如图所示：

运行后会自动打开一个网页，点击按钮，按钮和标签文字都会改变。这里简单讲解一下，详细的可以看官方doc文档和examples示例。

我们下面将会结合

• requests库获取天气

• pyFirmata库与Arduino交互

• remi库作为图形显示

REMI editor

相信很多人都用过Visual Basic、Qt Designer这种可视化的用户界面设计工具，而REMI也有类似的，而且是使用remi本身实现的，就在editor文件夹里，具体使用说明参考其下的README.md文件，说明比较简略，这里详述如下：

安装好相关依赖库之后，运行editor.py (我这里是用的PyCharm IDE打开运行的)。

注意：

• 某个控件的响应可以在左下角signal connections里面设置。
• 虽然Web界面具有极大的跨平台优势，但是由于存在诸多浏览器、平台、屏幕大小分辨率，仍有可能设计出的界面在其他上面显示不全，所以仍要了解一些基本HTML常识
• ☆网页制作的层绝对定位和相对定位：一般选中主widget，右下角最后设置position为absolute绝对定位(相对于浏览器左上角)，其他widget中的控件设置为relative相对定位，然后在Geometry里设置坐标。
• 菜单栏Project Config可以设置项目的一些基本属性（支持中文项目名称），设计完毕后，点击File->Save YourApp->Save As即可保存界面代码，并在随后的程序中使用。

GUI 来了！

然后GUI又走了！表示这太丑了，自己也看不下去。。。遂弃用。决定回头仔细看看文档再重新来过。