用Python写一个基于Web的物联网应用程序

谢作如

寒假期间，忙里偷闲设计了一个名叫“sfarm”的开源智慧农场方案。sfarm采用了应用最广泛的MQTT协议，多节点设备汇集到一个服务器上，不仅能自动灌溉，还实现了远程控制，定時采集各种数据。方案中涉及的开源硬件、传感器、电磁阀和其他灌溉设备，在淘宝上都能买到，因而得到了很多朋友的关注。其中福州连江五中的卢老师就在学校的大花坛上部署了一套，运行效果很好。

虽然系统运行正常，但很快就产生了新的需求：当有嘉宾或者学生来参观智慧农场系统的时候，如何快速展示这一系统的“物联”功能？毕竟打开SIoT（MQTT服务器）的Web管理页面，再进行演示总不够便捷，也难以体现个性化。这就需要写一个物联网应用程序，对接入的各个节点设备进行直观的管理。当然，我们期望这个物联网应用程序的开发难度不能太高，最好学生也能够开发。这样，智慧农场就和学生的物联网学习、编程学习密切结合起来了。

● 用Web方式开发物联网应用程序的优势分析

物联网应用程序的开发有很多种方式可以选择，比较常见的是用VB、C#之类的语言来编写，但是开发的应用程序要运行在电脑上，无论是演示还是平时管理都不够灵活。用App inventor编写一个手机App也是不错的选择，技术门槛也低，中学生大都能参与编写。但美中不足的是，这个App要事先安装，而且只能运行在安卓手机上，不够灵活且不具备普适性。

用类Scratch的软件来编写应用程序，也是可行的一种选择，如Mind+（一款图形化编程软件）内置了MQTT模块，可以编写物联网应用程序。Mind+的门槛很低，小学生也能够编写出一个非常个性化的物联网应用。但遗憾的是，Mind+的代码不能脱离Mind+环境运行，也不能编译为一款独立的软件。

毫无疑问，最灵活的方式肯定是采用B/S架构，编写一个单独的管理网页，即WebApp。在服务器上运行该程序，任何手机的浏览器都能打开这个特定的网页，看到各种采集的数据，还可以通过网页按钮来控制“浇水”。这样的应用场景显然很“智能”很“贴心”，但遗憾的是，编写WebApp一般需要掌握一定的网页前端开发技术，而目前学生普遍缺少这方面的编程基础。

● 用Python开发WebApp

能不能用Python来编写WebApp？现在的中学信息技术教材几乎都采用Python语言了，如果能够用Python来编写网页，学生就不需要学习HTML、JS和CSS等网页开发技术。当然，答案是肯定的，一个名叫“Remi”的Python库，就是用来开发WebApp的。

1.Remi库简介

Remi是一个用于Python应用程序的GUI库，它将应用程序的界面转换为HTML，以便在Web浏览器中呈现。严格地说，我们不能用Remi库来编写传统的网站，而只将他当成Web形式的Tkinter库（Python最经典的图形界面库）来使用。如果要做网站，还是要老老实实学点前端知识，然后结合Python的Flask框架来开发。

2.Remi库的安装

Remi可以采用pip命令安装，具体如下：

pip install remi

3.Remi库的代码示例（如图1）

运行这段代码后，浏览器会自动打开一个本地的网址，出现如图2所示的界面。将“127.0.0.1”换成IP地址，就能通过其他电脑、手机的浏览器来访问了。

点击“请点击这里”按钮，界面会发生变化，如图3所示。不用写复杂的JS代码，在Remi的支持下，网页交互就变得这么简单。

如果需要了解更多关于Remi库的资源，可以访问github或者官方文档。

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

文档地址：https：//remi.readthedocs.io/en/latest/

● 基于Remi编写基于Web的物联网应用程序

既然是编写物联网应用程序，那么肯定还需要安装siot库。这也是“虚谷物联”团队开发的Python库，因为MQTT的官方Python库（paho-mqtt）编写出来的代码冗长，不好理解，于是委托上海蘑菇云团队在paho-mqtt的基础上进行了新的封装。siot库可以通过pip命令来安装，命令如下：

pip install siot

1.物联网应用的工作流程

因为“sfarm”每一个节点都有采集土壤、光线信息的功能，都具备单独的电磁阀，用物联网消息来控制。那么，这个应用程序既需要显示消息，又要能够发送消息（控制指令），工作流程如图4所示。其实，绝大多数的物联网应用程序，都需要同时具备订阅和发送消息功能。

2.核心代码1：物联网消息的订阅

因为要同时订阅多个主题的消息，代码中采用了“定点存放定时处理”的方式，即先将接收到的消息放在一个字典（topic_msg_map）中，然后定时在字典中查找是否有新消息，读取新消息后就删除这一消息，避免重复读取。参考代码如下页图5所示。

3.核心代码2：物联网消息的显示

显示消息需要不断刷新网页组件中的文字，这需要启动一个新的进程来处理，然后在这个进程中不断循环读取字典（topic_msg_map）中的消息。参考代码如图6所示。

4.核心代码3：物联网消息的发送

消息发送通过“浇水”按钮来实现。参考代码如图7所示。

5.核心代码4：物联网设备的切换

sfarm是一个多节点工作的物联网系统，因而需要加上设备切换功能，比较简单的做法是用一个列表（project_list）记录需要呈现的设备名称，然后在切换时修改全局变量（id）。参考代码如下页图8所示。

● 运行效果和反馈

Python的神奇，就在于其拥有无穷无尽的“库”，能够用来快速解决问题。从找到Remi库到写出代码，我仅仅花了一个晚上的时间，这种编程的感觉特别好。最终的代码运行效果如下页图9所示。

福州连江五中的卢老师将代码运行在sfarm系统的物联网服务器上，然后将访问地址做成二维码，用手机扫码（手机要能够访问服务器）的方式来打开这个网页，效果很不错，如下页图10所示。从难度上看，只要有Python编程基础，就能编出类似的程序。他正在将这方面的内容开发成一个物联网课程，让学生真正参与到sfarm的开发和维护中。

完成了这个物联网应用后，最大的收获并不是解决了sfarm系统的演示问题，而在于找到了一种设计Python程序界面的新方法。例如，可以用Remi库写一个基于Web的校园气象站、摄像头远程控制程序等。相对来说，用Remi库开发WebApp，比Flask（一个Python开发的Web框架）要简单得多，后者需要了解大量的HTML、JS和CSS之类的知识，对中学生来说门槛略高了一些。