用Python寫一個基于Web的物聯網應用程序

謝作如

寒假期間，忙里偷閑設計了一個名叫“sfarm”的開源智慧農場方案。sfarm采用了應用最廣泛的MQTT協議，多節點設備匯集到一個服務器上，不僅能自動灌溉，還實現了遠程控制，定時采集各種數據。方案中涉及的開源硬件、傳感器、電磁閥和其他灌溉設備，在淘寶上都能買到，因而得到了很多朋友的關注。其中福州連江五中的盧老師就在學校的大花壇上部署了一套，運行效果很好。

雖然系統運行正常，但很快就產生了新的需求：當有嘉賓或者學生來參觀智慧農場系統的時候，如何快速展示這一系統的“物聯”功能？畢竟打開SIoT（MQTT服務器）的Web管理頁面，再進行演示總不夠便捷，也難以體現個性化。這就需要寫一個物聯網應用程序，對接入的各個節點設備進行直觀的管理。當然，我們期望這個物聯網應用程序的開發難度不能太高，最好學生也能夠開發。這樣，智慧農場就和學生的物聯網學習、編程學習密切結合起來了。

● 用Web方式開發物聯網應用程序的優勢分析

物聯網應用程序的開發有很多種方式可以選擇，比較常見的是用VB、C#之類的語言來編寫，但是開發的應用程序要運行在電腦上，無論是演示還是平時管理都不夠靈活。用App inventor編寫一個手機App也是不錯的選擇，技術門檻也低，中學生大都能參與編寫。但美中不足的是，這個App要事先安裝，而且只能運行在安卓手機上，不夠靈活且不具備普適性。

用類Scratch的軟件來編寫應用程序，也是可行的一種選擇，如Mind+（一款圖形化編程軟件）內置了MQTT模塊，可以編寫物聯網應用程序。Mind+的門檻很低，小學生也能夠編寫出一個非常個性化的物聯網應用。但遺憾的是，Mind+的代碼不能脫離Mind+環境運行，也不能編譯為一款獨立的軟件。

毫無疑問，最靈活的方式肯定是采用B/S架構，編寫一個單獨的管理網頁，即WebApp。在服務器上運行該程序，任何手機的瀏覽器都能打開這個特定的網頁，看到各種采集的數據，還可以通過網頁按鈕來控制“澆水”。這樣的應用場景顯然很“智能”很“貼心”，但遺憾的是，編寫WebApp一般需要掌握一定的網頁前端開發技術，而目前學生普遍缺少這方面的編程基礎。

● 用Python開發WebApp

能不能用Python來編寫WebApp？現在的中學信息技術教材幾乎都采用Python語言了，如果能夠用Python來編寫網頁，學生就不需要學習HTML、JS和CSS等網頁開發技術。當然，答案是肯定的，一個名叫“Remi”的Python庫，就是用來開發WebApp的。

1.Remi庫簡介

Remi是一個用于Python應用程序的GUI庫，它將應用程序的界面轉換為HTML，以便在Web瀏覽器中呈現。嚴格地說，我們不能用Remi庫來編寫傳統的網站，而只將他當成Web形式的Tkinter庫（Python最經典的圖形界面庫）來使用。如果要做網站，還是要老老實實學點前端知識，然后結合Python的Flask框架來開發。

2.Remi庫的安裝

Remi可以采用pip命令安裝，具體如下：

pip install remi

3.Remi庫的代碼示例（如圖1）

運行這段代碼后，瀏覽器會自動打開一個本地的網址，出現如圖2所示的界面。將“127.0.0.1”換成IP地址，就能通過其他電腦、手機的瀏覽器來訪問了。

點擊“請點擊這里”按鈕，界面會發生變化，如圖3所示。不用寫復雜的JS代碼，在Remi的支持下，網頁交互就變得這么簡單。

如果需要了解更多關于Remi庫的資源，可以訪問github或者官方文檔。

github地址：https：//github.com/dddomodossola/remi

文檔地址：https：//remi.readthedocs.io/en/latest/

● 基于Remi編寫基于Web的物聯網應用程序

既然是編寫物聯網應用程序，那么肯定還需要安裝siot庫。這也是“虛谷物聯”團隊開發的Python庫，因為MQTT的官方Python庫（paho-mqtt）編寫出來的代碼冗長，不好理解，于是委托上海蘑菇云團隊在paho-mqtt的基礎上進行了新的封裝。siot庫可以通過pip命令來安裝，命令如下：

pip install siot

1.物聯網應用的工作流程

因為“sfarm”每一個節點都有采集土壤、光線信息的功能，都具備單獨的電磁閥，用物聯網消息來控制。那么，這個應用程序既需要顯示消息，又要能夠發送消息（控制指令），工作流程如圖4所示。其實，絕大多數的物聯網應用程序，都需要同時具備訂閱和發送消息功能。

2.核心代碼1：物聯網消息的訂閱

因為要同時訂閱多個主題的消息，代碼中采用了“定點存放定時處理”的方式，即先將接收到的消息放在一個字典（topic_msg_map）中，然后定時在字典中查找是否有新消息，讀取新消息后就刪除這一消息，避免重復讀取。參考代碼如下頁圖5所示。

3.核心代碼2：物聯網消息的顯示

顯示消息需要不斷刷新網頁組件中的文字，這需要啟動一個新的進程來處理，然后在這個進程中不斷循環讀取字典（topic_msg_map）中的消息。參考代碼如圖6所示。

4.核心代碼3：物聯網消息的發送

消息發送通過“澆水”按鈕來實現。參考代碼如圖7所示。

5.核心代碼4：物聯網設備的切換

sfarm是一個多節點工作的物聯網系統，因而需要加上設備切換功能，比較簡單的做法是用一個列表（project_list）記錄需要呈現的設備名稱，然后在切換時修改全局變量（id）。參考代碼如下頁圖8所示。

● 運行效果和反饋

Python的神奇，就在于其擁有無窮無盡的“庫”，能夠用來快速解決問題。從找到Remi庫到寫出代碼，我僅僅花了一個晚上的時間，這種編程的感覺特別好。最終的代碼運行效果如下頁圖9所示。

福州連江五中的盧老師將代碼運行在sfarm系統的物聯網服務器上，然后將訪問地址做成二維碼，用手機掃碼（手機要能夠訪問服務器）的方式來打開這個網頁，效果很不錯，如下頁圖10所示。從難度上看，只要有Python編程基礎，就能編出類似的程序。他正在將這方面的內容開發成一個物聯網課程，讓學生真正參與到sfarm的開發和維護中。

完成了這個物聯網應用后，最大的收獲并不是解決了sfarm系統的演示問題，而在于找到了一種設計Python程序界面的新方法。例如，可以用Remi庫寫一個基于Web的校園氣象站、攝像頭遠程控制程序等。相對來說，用Remi庫開發WebApp，比Flask（一個Python開發的Web框架）要簡單得多，后者需要了解大量的HTML、JS和CSS之類的知識，對中學生來說門檻略高了一些。