论文部分内容阅读
● pinpong库的起源
2020年初，笔者受清华大学出版社的委托，组建团队来编写初中的信息技术教材。按照主编樊磊教授的要求，教材中不仅要涉及人工智能、数据科学，还要加入物联网和开源硬件等知识。这时笔者发现，教材中应该使用哪一款开源硬件，已经成为一道难题。
1.开源硬件大盘点
据不完全统计，目前市场上有一百多种开源硬件，其中在中小学市场占有率较高的有Arduino、micro：bit、掌控板等，这些开源硬件支持的编程语言和工具如表1所示。
从表1中会发现，树莓派、虚谷号、拿铁熊猫和pcDuino等开源硬件，因为都采用了性能较好的芯片，能够运行标准的Linux操作系统，所以能够支持Python语言，支持Python idle之类任何一款能够运行Linux的Python IDE。而Arduino、micro：bit和掌控板这三种市场占有率最高的开源硬件，都不支持Python。这些硬件中共同支持的编程工具，只有Arduino IDE。
Arduino的兴起，是因为其采用了标准的编程规范，简化了单片机的开发难度，毕竟创客教育面向的是非专业人群。但是Arduino IDE采用的是C/C ，在开发难度上比Python要高很多。当中小学的主流编程转向Python后，大家不得不重新寻求一种新的解决方案。因而，MicroPython一出现，就很快成为开源硬件编程语言中的热点。micro：bit和掌控板的一夜成名，MU、BXY和mPython等工具的先后面世，并且写入国家教材，正是因为其顺应了中小学编程语言发展的潮流。
2.选择开源硬件难在哪里
不同的开源硬件采用了不同的芯片，其支持的编程语言和编程工具也各自不同，甚至连引脚编号和支持的扩展模块也不同。Arduino的优势在于其外部扩展资源多，掌控板的优势在于它能够便捷联网，虚谷号的优势在于它支持标准的Python，那么究竟是选择Arduino、micro：bit还是选择掌控板、虚谷号呢？
除了Arduino IDE外，有沒有一种编程语言，用统一的编程规范来控制不同的开源硬件？答案肯定是有的，那就是新兴的Mind 、Kittenbot等图形化编程工具。因为类似Scratch、Blockly的图形化代码最终会“转化”为相应的代码，如Arduino代码或者MicroPython代码。这样就降低了编程的门槛，同样的代码规范，在不同的硬件上都通用。
3.开发pinpong库的可行性分析
笔者为什么选择用开发Python库的形式，而不是开发一个全新的编程语言，主要有如下几点理由。
（1）Python已经成为中小学主流编程语言
Python虽然古老，但因为开源而与时俱进。作为一个为非专业用户设计的编程语言，Python类似Shell，让用户不需要过多关注算法之外的细节，淡化了界面设计，成为培养学生计算思维的最好工具之一。可以肯定，接下来从初中开始，主流的编程语言一定是Python。那么用扩展库的方式，让Python又多了一项功能，是最主流也是最合理的一种选择。
（2）用Python控制开源硬件已经有一定的基础
据了解，早在2014年就有创客团队在开发一个名叫pingo的Python库。其初衷也是希望为Raspberry Pi、BeagleBone Black、pcDuino和伽利略等开源硬件的编程提供统一的API，就像Python DBAPI为Python中的数据库编程提供了统一的API一样。只是很可惜，这个项目在四年前停止了开发。除此之外，为Arduino设计的Python库还有多个，如pyfirmata和PyMata，以及虚谷号的xugu库等。
（3）能运行Python的开源硬件将越来越普及
继树莓派之后，越来越多的“派”系列产品被设计出来，如pcDuino、香蕉派和香橙派等，这些开源硬件的价格越来越亲民，因此，与其想方设法用MicroPython的方式去兼容单片机，还不如直接用Python代码去控制开源硬件。这样一来，Python的各种“无所不能”的库都可以用起来。
● pinpong库的规划
如何设计一个Python库？笔者首先确定了这个库的第一目标人群是中小学生，是初学者。其次，考虑到micro：bit和掌控板都支持MicroPython，那这个库要兼容它们的语法。因此，这个库需要具备代码简洁、语法灵活和使用简单三大特点。
1.工作原理
pinpong库选择的方案是使用标准的Python代码来控制开源硬件，这和MicroPython的做法不一样。MicroPython是借用了Python的语法风格，最终会编译为C语言。而Python中大量的库都要经过重新编写才能使用。
那么，如何通过pinpong来控制开源硬件呢？笔者借助了一个通用的串口通信协议Firmata。开源硬件会输入一个特定的固件，计算机发送命令给开源硬件，开源硬件执行命令后再反馈信息给计算机，这个过程的速度很快，如同直接控制开源硬件一样。
2.支持硬件
pinpong库将支持市场上绝大多数的开源硬件。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所束缚，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”。
从表1可以看出，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。笔者给这些开源硬件分别起了一个“别名”，即board_name，如下页表2所示。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。
3.基本用法
如何让代码更加简洁，并且容易理解？以Arduino UNO为例，下页表3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，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：只需要能辨别开源硬件的型号，并且知道其引脚的正确编号。
4.基础对象
pinpong的基础对象分为四种，分别为Board、Pin、Servo和I2C，具体说明如表4。
控制I/O引脚，是开源硬件的最核心的功能。pinpong库中将引脚模式分为四种，分别为Pin.IN（输?模式）、Pin.OUT（输出模式）、Pin.ANALOG（模拟输入模式）和Pin.PWM（模拟输出模式）。不同的引脚模式，对应不同的读写方法，具体如表5所示。
● 结束语
笔者很幸运地遇上了一个非常专业的创客团队，因而在短短的时间内，pinpong库成形并开始测试。笔者在0.3版上通过基本的功能测试，体验非常好。就在启动pinpong项目的这段时间内，笔者了解到更多人的需求，也越来越体会到开发pinpong库的价值。
也许pinpong库还有很多不完善之处，但是笔者相信，有这么多一线教师和专业研发团队的支持，pinpong库一定会越来越好用，会助力我国乃至全球的信息技术教育的发展，让更多的孩子爱上编程，爱上开源硬件。
2020年初，笔者受清华大学出版社的委托，组建团队来编写初中的信息技术教材。按照主编樊磊教授的要求，教材中不仅要涉及人工智能、数据科学，还要加入物联网和开源硬件等知识。这时笔者发现，教材中应该使用哪一款开源硬件，已经成为一道难题。
1.开源硬件大盘点
据不完全统计，目前市场上有一百多种开源硬件，其中在中小学市场占有率较高的有Arduino、micro：bit、掌控板等，这些开源硬件支持的编程语言和工具如表1所示。
从表1中会发现，树莓派、虚谷号、拿铁熊猫和pcDuino等开源硬件，因为都采用了性能较好的芯片，能够运行标准的Linux操作系统，所以能够支持Python语言，支持Python idle之类任何一款能够运行Linux的Python IDE。而Arduino、micro：bit和掌控板这三种市场占有率最高的开源硬件，都不支持Python。这些硬件中共同支持的编程工具，只有Arduino IDE。
Arduino的兴起，是因为其采用了标准的编程规范，简化了单片机的开发难度，毕竟创客教育面向的是非专业人群。但是Arduino IDE采用的是C/C ，在开发难度上比Python要高很多。当中小学的主流编程转向Python后，大家不得不重新寻求一种新的解决方案。因而，MicroPython一出现，就很快成为开源硬件编程语言中的热点。micro：bit和掌控板的一夜成名，MU、BXY和mPython等工具的先后面世，并且写入国家教材，正是因为其顺应了中小学编程语言发展的潮流。
2.选择开源硬件难在哪里
不同的开源硬件采用了不同的芯片，其支持的编程语言和编程工具也各自不同，甚至连引脚编号和支持的扩展模块也不同。Arduino的优势在于其外部扩展资源多，掌控板的优势在于它能够便捷联网，虚谷号的优势在于它支持标准的Python，那么究竟是选择Arduino、micro：bit还是选择掌控板、虚谷号呢？
除了Arduino IDE外，有沒有一种编程语言，用统一的编程规范来控制不同的开源硬件？答案肯定是有的，那就是新兴的Mind 、Kittenbot等图形化编程工具。因为类似Scratch、Blockly的图形化代码最终会“转化”为相应的代码，如Arduino代码或者MicroPython代码。这样就降低了编程的门槛，同样的代码规范，在不同的硬件上都通用。
3.开发pinpong库的可行性分析
笔者为什么选择用开发Python库的形式，而不是开发一个全新的编程语言，主要有如下几点理由。
（1）Python已经成为中小学主流编程语言
Python虽然古老，但因为开源而与时俱进。作为一个为非专业用户设计的编程语言，Python类似Shell，让用户不需要过多关注算法之外的细节，淡化了界面设计，成为培养学生计算思维的最好工具之一。可以肯定，接下来从初中开始，主流的编程语言一定是Python。那么用扩展库的方式，让Python又多了一项功能，是最主流也是最合理的一种选择。
（2）用Python控制开源硬件已经有一定的基础
据了解，早在2014年就有创客团队在开发一个名叫pingo的Python库。其初衷也是希望为Raspberry Pi、BeagleBone Black、pcDuino和伽利略等开源硬件的编程提供统一的API，就像Python DBAPI为Python中的数据库编程提供了统一的API一样。只是很可惜，这个项目在四年前停止了开发。除此之外，为Arduino设计的Python库还有多个，如pyfirmata和PyMata，以及虚谷号的xugu库等。
（3）能运行Python的开源硬件将越来越普及
继树莓派之后，越来越多的“派”系列产品被设计出来，如pcDuino、香蕉派和香橙派等，这些开源硬件的价格越来越亲民，因此，与其想方设法用MicroPython的方式去兼容单片机，还不如直接用Python代码去控制开源硬件。这样一来，Python的各种“无所不能”的库都可以用起来。
● pinpong库的规划
如何设计一个Python库？笔者首先确定了这个库的第一目标人群是中小学生，是初学者。其次，考虑到micro：bit和掌控板都支持MicroPython，那这个库要兼容它们的语法。因此，这个库需要具备代码简洁、语法灵活和使用简单三大特点。
1.工作原理
pinpong库选择的方案是使用标准的Python代码来控制开源硬件，这和MicroPython的做法不一样。MicroPython是借用了Python的语法风格，最终会编译为C语言。而Python中大量的库都要经过重新编写才能使用。
那么，如何通过pinpong来控制开源硬件呢？笔者借助了一个通用的串口通信协议Firmata。开源硬件会输入一个特定的固件，计算机发送命令给开源硬件，开源硬件执行命令后再反馈信息给计算机，这个过程的速度很快，如同直接控制开源硬件一样。
2.支持硬件
pinpong库将支持市场上绝大多数的开源硬件。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所束缚，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”。
从表1可以看出，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。笔者给这些开源硬件分别起了一个“别名”，即board_name，如下页表2所示。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。
3.基本用法
如何让代码更加简洁，并且容易理解？以Arduino UNO为例，下页表3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，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：只需要能辨别开源硬件的型号，并且知道其引脚的正确编号。
4.基础对象
pinpong的基础对象分为四种，分别为Board、Pin、Servo和I2C，具体说明如表4。
控制I/O引脚，是开源硬件的最核心的功能。pinpong库中将引脚模式分为四种，分别为Pin.IN（输?模式）、Pin.OUT（输出模式）、Pin.ANALOG（模拟输入模式）和Pin.PWM（模拟输出模式）。不同的引脚模式，对应不同的读写方法，具体如表5所示。
● 结束语
笔者很幸运地遇上了一个非常专业的创客团队，因而在短短的时间内，pinpong库成形并开始测试。笔者在0.3版上通过基本的功能测试，体验非常好。就在启动pinpong项目的这段时间内，笔者了解到更多人的需求，也越来越体会到开发pinpong库的价值。
也许pinpong库还有很多不完善之处，但是笔者相信，有这么多一线教师和专业研发团队的支持，pinpong库一定会越来越好用，会助力我国乃至全球的信息技术教育的发展，让更多的孩子爱上编程，爱上开源硬件。