基于pencilcode的可視化智能硬件編程平臺的研究

孫小娟

（重慶電子工程職業學院 重慶 401331）

K-12教育即基礎教育，是教育的根本，決定了一個國家國民的基本素質和民族的發展偉業。國內K-12編程教育理念還不夠成熟，沒有引起足夠的重視，只有民間有些許的K-12編程培訓機構，且大多是軟硬件分離的[1]。即使是目前經驗豐富的程序員，軟硬件都擅長的及其少，而軟硬件的結合，才是未來互聯網發展的大趨勢。因此，本文提出并設計了軟硬件結合的面向K-12的可視化編程平臺，使學生在學習軟件編程的同時，可以學習智能硬件，提高其綜合能力。

一、pencilcode簡介

pencilcode一種一種協作式的基于網頁的在線模塊化編程網站[2]，可以畫畫、音樂及創作游戲，小到6歲的孩子都可以使用它。在pencilcode中，完美的實現了塊編程和文本編程之間的轉換，屏幕被分成了兩部分，一部分用于顯示項目的源碼，一部分則輸出代碼的運行結果。用戶點擊設置按鈕，可以在CoffeeScript和JavaScript兩種語言間中進行選擇，從中選擇語言和已經添加的函數庫，窗格語言可以選擇CSS或者HTML。同時，為了便于用戶更好的交流，pencilcode提供了一個在線論壇。

二、pcDuino

pcDuino是一款小巧而強大的高性能、高性價比的迷你PC平臺，它結合了ARM架構的迷你PC和arduino的優勢，實現了開源軟件Linux和開源硬件arduino生態系統的完美結合[3]。類似于樹莓派和arduino的合體，且相比樹莓派配置更高，讀寫速度更快，被稱為“arduino與迷你PC的合體”。pcDuino配備簡單易用的編譯工具，能夠完全運行PC操作系統，如ubuntu和Android ICS等。同時，pcDuino3B自帶了Cloud 9 IDE，用戶可以自己下載pcDuino對應的scratch或ArduBlock源碼到板子上進行可視化編程。pcDuino也是一個服務器，無線路由器，用于3D打印，IP-PBX交換，使用計算機視覺OpenCV等等。

三、系統設計與實現

（一）系統設計

本文的開發是基于在線可視化編程網站pencilcode進行的，系統硬件環境的搭建如圖1所示：

圖1 pcduino環境搭建

本文采用pcDuino3B硬件，它自帶ubuntu 12.04系統，但ubuntu 12.04的版本號比較低，因此將pcDuino的系統升級到ubuntu 14.04。并安裝node.js，然后將pencilcode的源碼移植到pcDuino上。johnny-five是一種JavaScript機器人和IoT的編程框架，對pcDuino不完全兼容。通過johnny-five框架與pcDuino進行通信時，需要同時安裝一個針對pcDuino的適配器，即IO插件。所以，在移植johnny-five源碼的同時，移植了pcduino-io庫。

（二）智能硬件模塊設計與實現

本文所設計的可視化編程平臺通過JavaScript運行環境node.js和Johnny-Five框架控制智能硬件[4]。

硬件可視化編程模塊的實現同軟件可視化編程模塊相似，首先是塊編輯，用拖拽的方式拉取相應的模塊，再利用Droplet編輯器將塊編程程序轉化成文本化代碼。具體實現時，由于pcDuino不支持JavaScript語言，且即使用C語言編寫程序調用其模塊，程序都比較繁瑣。因此，我們通過調用Johnny-Five框架和其針對pcDuino的IO插件pcduino-io，編寫簡單的文本化代碼，實現對pcDuino硬件模塊的調用，具體實現過程如圖2所示。

圖2 智能硬件可視化編程實現過程

“Hello world”程序是無處不在的，它幾乎是每一個程序員敲的第一個程序。軟件界的“Hello world”，一般是通過編程使程序在屏幕打印輸出“Hello world”；相對應地，硬件界的“Hello world”，就是LED燈的閃爍，以測試一個單片機，開啟硬件編程世界。在完成硬件可視化編程模塊后，我們首先測試了“Hello world”程序，即LED燈的閃爍。在編程頁面，選擇智能硬件模塊，在跳轉到的智能硬件編程頁面，拉取相應的可視化模塊，并選擇適當的引腳和參數，本文例子中選擇13號引腳。然后在物理pcDuino開發板上，將LED燈連接到pcDuino的13引腳上，在編程頁面中點擊運行按鈕，觀察pcDuino開發板上LED燈變化，發現LED燈閃爍，則實驗成功，LED燈閃爍文本化程序代碼如圖3所示，LED閃爍如圖4所示。

圖3 LED閃爍代碼

圖4 LED閃爍效果圖

四、結束語

本文采用pencilcode作為軟件可視化編程工具，本pcDuino為硬件開發平臺。在系統功能設計實現方面，本文完成了pcDuino硬件環境的搭建過程，包括ubuntu系統的安裝、node.js的安裝、johnny-five庫和pcduino-io庫源碼移植，及pencilcode源碼的移植。通過Droplet編輯器和johnny-five框架，實現了基于pencilcode編程平臺與pcDuino硬件相結合的智能硬件可視化編程模塊，通過LED閃爍效果進行了測試。