文/山東省招遠(yuǎn)第一中學(xué) 牟曉東

本文發(fā)表于《電腦報(bào)》2021年20期

作為國(guó)內(nèi)開(kāi)源硬件的杰出代表，掌控板是一款非常優(yōu)秀的國(guó)產(chǎn)“創(chuàng)客”微控制器板，支持Python代碼編程以及Mind+、mPython等主流圖形化編程軟件。使用單塊掌控板進(jìn)行編程，可以實(shí)現(xiàn)噪音計(jì)、身高測(cè)量?jī)x、高溫報(bào)警系統(tǒng)和天黑自動(dòng)收衣服系統(tǒng)等案例；如果有兩塊掌控板，就可以借助藍(lán)牙與WiFi雙無(wú)線通訊，遵循MQTT（消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸）協(xié)議在SIoT開(kāi)發(fā)平臺(tái)（如Mind+的SIoT本地物聯(lián)網(wǎng)、DFRobot的Easy IoT）或OneNET（移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放平臺(tái)）等開(kāi)放平臺(tái)上進(jìn)行更為豐富的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用創(chuàng)意項(xiàng)目設(shè)計(jì)，比如實(shí)現(xiàn)諜戰(zhàn)影視片中摩爾斯電碼的發(fā)送與接收。

1.預(yù)備知識(shí)：摩爾斯電碼

摩爾斯電碼（Morse code）是一種通過(guò)不同的排列順序來(lái)表達(dá)相關(guān)字符（比如26個(gè)英文字母）的數(shù)字化通信形式，它的最基本代碼是“滴”和“嗒”，分別對(duì)應(yīng)短促的“一個(gè)點(diǎn)”信號(hào)和“一個(gè)劃”信號(hào)，“一劃”相當(dāng)于“三個(gè)點(diǎn)”的時(shí)長(zhǎng)（如圖1）。在各種故事情節(jié)中最為經(jīng)典的摩爾斯電碼應(yīng)用，便是SOS國(guó)際通用求救信號(hào)的發(fā)送——字母S的摩爾斯電碼是“滴、滴、滴”三個(gè)點(diǎn)，字母O的摩爾斯電碼是“嗒、嗒、嗒”三個(gè)劃，通過(guò)開(kāi)關(guān)手電筒控制電路通斷以光的形式，或是單根手指連續(xù)敲擊桌面以聲的形式，都能夠快速發(fā)送“三點(diǎn)、三劃、三點(diǎn)”的SOS求救摩爾斯電碼。

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2.收發(fā)操作方法規(guī)劃

每個(gè)掌控板都有A和B兩個(gè)按鍵和P、Y、T、H、O、N六個(gè)觸摸鍵供我們選用。在發(fā)報(bào)方掌控板中進(jìn)行編程，將按鍵A和B分別設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)發(fā)送摩爾斯電碼的“滴”和“嗒”信號(hào)，而將觸摸鍵P作為每組摩爾斯電碼（即所表示的某一個(gè)字符）的結(jié)束信號(hào)，因?yàn)檎鎸?shí)的用摩爾斯電碼發(fā)報(bào)字母間隔是一個(gè)“嗒”的時(shí)長(zhǎng)（相當(dāng)于3個(gè)“滴”），單詞間間隔是7個(gè)“滴”，這需要專門(mén)訓(xùn)練才能做好，對(duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō)操作難度較大，而簡(jiǎn)單地“碰”一下觸摸鍵的動(dòng)作則非常方便。另外，為了對(duì)按鍵和觸摸鍵的按下與觸摸操作進(jìn)行即時(shí)反饋，還要添加RGB燈閃爍和蜂鳴器播放音符模擬“滴”“嗒”聲，比如三支RGB燈分別對(duì)應(yīng)按鍵A、B和觸摸鍵P的“動(dòng)作”；同時(shí)，在收?qǐng)?bào)方掌控板中也進(jìn)行同樣的編程控制方式，模擬實(shí)現(xiàn)摩爾斯電碼的發(fā)報(bào)與收?qǐng)?bào)的“聲光”同步響應(yīng)，趣味性更強(qiáng)。

3.掌控板發(fā)報(bào)方的mPython編程

將一塊掌控板通過(guò)數(shù)據(jù)線連接至聯(lián)網(wǎng)電腦的USB接口，然后運(yùn)行mPython進(jìn)行程序的編寫(xiě)。

（1）通過(guò)Wi-Fi模塊將掌控板聯(lián)網(wǎng)

兩個(gè)掌控板之間能夠正常進(jìn)行信號(hào)的發(fā)送與接收的“對(duì)話”前提條件是暢通的網(wǎng)絡(luò)連接，因此程序的最開(kāi)始必須是進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)設(shè)置。從左側(cè)的“Wi-Fi”中選擇第一項(xiàng)“連接Wi-Fi名稱……密碼……”模塊語(yǔ)句，然后補(bǔ)充完整所使用的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)名稱及密碼信息（明文顯示）。

（2）進(jìn)行“連接MQTT”設(shè)置

在mPython的“擴(kuò)展”-“MQTT”中提供了若干種MQTT模塊，以其中的“MQTT-Easy?IoT”為例（其它的用法基本類似），這是由DFRobot提供的物聯(lián)網(wǎng)MQTT服務(wù)，需要從瀏覽器訪問(wèn)網(wǎng)站（https://iot.dfrobot.com.cn/）先進(jìn)行免費(fèi)注冊(cè)，然后登錄進(jìn)入自己賬號(hào)的“工作間”；左側(cè)有兩處關(guān)鍵信息，一是“Iot_id(user)”（即用戶名），將其值“XNbxt3rMR”復(fù)制粘貼至mPython編程中“MQTT-Easy?IoT”模塊語(yǔ)句中的第三項(xiàng)“Iot_id”中；二是“Iot_pwd(password)”（即密碼），可點(diǎn)擊“小眼睛”圖標(biāo)進(jìn)行顯示，將其值“uHxxpqrGRz”復(fù)制粘貼至第四項(xiàng)“Iot_pwd”中（前兩項(xiàng)“服務(wù)器”和“Client?ID”均保持默認(rèn)值）。在“工作間”中執(zhí)行三次“添加新的設(shè)備”操作，分別重命名為“mPython_1”、“mPython_2”和“mPython_3”，對(duì)應(yīng)三個(gè)Topic“主題”的數(shù)值，可分別復(fù)制并粘貼至記事本中保存，這些信息在收?qǐng)?bào)方掌控板中也要用到（如圖2）。

再次返回mPython編程界面，從“MQTT”中選擇“連接MQTT”模塊語(yǔ)句，添加至“MQTT-Easy?IoT”模塊語(yǔ)句后面，作用是根據(jù)之前的設(shè)置進(jìn)行MQTT連接。

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（3）設(shè)置OLED顯示屏的顯示提示信息

先從左側(cè)的“顯示”中選擇“OLED顯示‘清空’”模塊語(yǔ)句；再使用兩次“OLED第‘’行顯示‘’模式‘普通’‘不換行’”，控制OLED顯示屏的第1行、第2行分別顯示“連接MQTT-Easy IoT !”和“長(zhǎng)江長(zhǎng)江，我是黃河！”提示信息；最后要添加“OLED顯示生效”模塊語(yǔ)句（如圖3）。

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（4）定義字典變量my_dict并進(jìn)行數(shù)據(jù)的初始化

為了進(jìn)行摩爾斯電碼的分解與重組，可以將二進(jìn)制代碼“0”和“1”與摩爾斯電碼的“滴”和“嗒”一一映射進(jìn)行組合編碼。比如：字母“A”的摩爾斯電碼是“滴、嗒”，在字典中為它設(shè)置“鍵”（Key）為“01”，“值”（Value）為“A”；再比如：字母“B”是“嗒、滴、滴、滴”，在字典中的“鍵”就是“1000”。對(duì)應(yīng)摩爾斯電碼的編碼規(guī)則，對(duì)字典變量my_dict進(jìn)行定義和初始化，完成26個(gè)大寫(xiě)英文字母的“0”“1”編碼映射（如圖4）。

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（5）a_func、b_func和p_func三個(gè)函數(shù)的編寫(xiě)

為了使主程序結(jié)構(gòu)更加條理清晰，編寫(xiě)a_func、b_func和p_func三個(gè)函數(shù)來(lái)分別實(shí)現(xiàn)當(dāng)按下按鍵A、B和觸摸P時(shí)所觸發(fā)的“動(dòng)作”：聲音提醒、RGB燈閃爍提醒等。注意我們建立message、my_string和morse三個(gè)變量的作用。變量message的作用是用來(lái)生成“0”或“1”，這個(gè)值取決于操作者按下的是A鍵還是B鍵：A鍵對(duì)應(yīng)“0”，B鍵對(duì)應(yīng)“1”；變量my_string相當(dāng)于Python中的“列表”，它的作用是將變量message依次生成的“0”或“1”單個(gè)值通過(guò)“追加文本”的方式不斷有序的“補(bǔ)充”組合；當(dāng)生成的最終組合值在字典my_dict中進(jìn)行“鍵”的搜索時(shí)，如果有對(duì)應(yīng)的“鍵”，則將變量morse的值設(shè)定為字典中該“鍵”所對(duì)應(yīng)的“值”，即某一個(gè)英文字母（如圖5）。

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比如：先按一次B鍵、再按一次B鍵、再按一次A鍵、最后按一次P鍵的操作，變量message中就會(huì)依次存儲(chǔ)“1”、“1”和“0”；當(dāng)這三個(gè)數(shù)據(jù)按生成的先后次序追加至變量my_string中時(shí)，組合值就是“110”；將“110”與字典my_dict中的26個(gè)“鍵”去查找“配對(duì)”，找到對(duì)應(yīng)的“值”是字母“G”，接下來(lái)就將字母“G”保存至變量morse中，表示發(fā)送的摩爾斯電碼是字母“G”。在p_func函數(shù)中又一次控制OLED顯示屏進(jìn)行顯示輸出，其中變量i的作用是控制多個(gè)連續(xù)發(fā)送的摩爾斯電碼能夠依次顯示（通過(guò)后面的“將變量i的值增加10”的語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)），對(duì)應(yīng)的是OLED顯示屏橫坐標(biāo)x的數(shù)值（如圖6）。

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注意：在主程序中要將變量message、my_string和morse先進(jìn)行文本型數(shù)據(jù)的“空值”設(shè)定，變量i的初值則設(shè)置為整型數(shù)據(jù)10；而在a_func、b_func和p_func三個(gè)函數(shù)中，每次獲取對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)后還要根據(jù)情況進(jìn)行變量值的“清空”或是“自增”操作。

（6）設(shè)置三個(gè)“發(fā)送”主題的循環(huán)

建立一個(gè)“一直重復(fù)執(zhí)行”的循環(huán)結(jié)構(gòu)，注意在循環(huán)體最后要添加一條“等待0.01秒”的模塊語(yǔ)句（防止程序運(yùn)行過(guò)快而消耗過(guò)多的系統(tǒng)資源）；循環(huán)內(nèi)是一個(gè)三分支的選擇結(jié)構(gòu)，當(dāng)檢測(cè)到A鍵被按下時(shí)，調(diào)用執(zhí)行a_func函數(shù)并且發(fā)布值為“ON”數(shù)據(jù)至第一個(gè)主題“Mqj-t39Gg”；當(dāng)檢測(cè)到B鍵被按下時(shí)，則調(diào)用執(zhí)行b_func函數(shù)并且也發(fā)布值為“ON”的數(shù)據(jù)，但對(duì)應(yīng)的是第二個(gè)主題“qagfpq9Gg”；當(dāng)檢測(cè)到P被觸摸時(shí)，調(diào)用執(zhí)行的是p_func函數(shù)，發(fā)布值為“ON”的數(shù)據(jù)至第三個(gè)主題“wP_Q-69GR”；注意此處需要添加內(nèi)層選擇結(jié)構(gòu)，對(duì)字典變量my_dict中的“鍵”是否與變量my_string的值進(jìn)行匹配檢測(cè)（如圖7）。

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這三個(gè)不同的主題所存儲(chǔ)的“ON”消息值，是第二塊掌控板（收?qǐng)?bào)方）的響應(yīng)動(dòng)作觸發(fā)條件，要在收?qǐng)?bào)方掌控板中進(jìn)行對(duì)應(yīng)主題消息的“訂閱”等一系列操作后才會(huì)起效。

4.掌控板收?qǐng)?bào)方的mPython編程

將第二塊掌控板通過(guò)數(shù)據(jù)線連接至第二臺(tái)聯(lián)網(wǎng)電腦的USB接口，運(yùn)行mPython進(jìn)行程序的編寫(xiě)。

與發(fā)報(bào)方掌控板的程序基本一致，包括Wi-Fi聯(lián)網(wǎng)和MQTT設(shè)置（其中的Client?ID須改動(dòng)至少一位數(shù)字），OLED顯示屏的顯示提示信息稍作改動(dòng)——“黃河黃河，我是長(zhǎng)江！”；字典變量my_dict的定義與數(shù)據(jù)初始化，a_func、b_func和p_func三個(gè)函數(shù)的編寫(xiě)，以及變量message、my_string和morse、i等的初始賦值等均完全一致（如圖8）。

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最大的區(qū)別是取消了三個(gè)主題發(fā)送的循環(huán)結(jié)構(gòu)，但同樣是新建了一個(gè)極為類似的循環(huán)結(jié)構(gòu)。先從左側(cè)“循環(huán)”和“擴(kuò)展”-“MQTT”中分別選擇“一直重復(fù)執(zhí)行”和“等待主題消息以‘阻塞’模式”模塊語(yǔ)句，接著進(jìn)行三個(gè)主題的同步“監(jiān)聽(tīng)”，其中的主題名與發(fā)報(bào)方的三個(gè)主題是一一對(duì)應(yīng)的，這就相當(dāng)于進(jìn)行主題的訂閱：當(dāng)收到對(duì)應(yīng)主題有“ON”消息值到達(dá)時(shí)，分別調(diào)用執(zhí)行對(duì)應(yīng)的a_func、b_func和p_func函數(shù)，與發(fā)報(bào)方進(jìn)行摩爾斯電碼發(fā)報(bào)時(shí)的響應(yīng)完全相同（如圖9）。

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5.測(cè)試摩爾斯電碼的發(fā)報(bào)與接收

程序編寫(xiě)完畢后進(jìn)行保存，接著分別在發(fā)報(bào)方和收?qǐng)?bào)方的mPython編程界面點(diǎn)擊上方的“刷入”按鈕，右下角的“控制臺(tái)”區(qū)會(huì)有“代碼刷入36%”、“刷入成功”和“Connection?Wi-Fi”等提示信息。很快，兩塊掌控板的OLED顯示屏第一行都會(huì)顯示“連接MQTT-Easy IoT!”提示信息，第二行則是表明自己身份的信息（“黃河”與“長(zhǎng)江”）。

在發(fā)報(bào)方掌控板上進(jìn)行SOS國(guó)際通用求救信號(hào)的發(fā)送操作：先連續(xù)按三次A鍵、碰一下觸摸鍵P，顯示出字母“S”，同時(shí)在收?qǐng)?bào)方掌控板上也同樣會(huì)有字母“S”出現(xiàn)，而且都會(huì)有“滴”聲響起和RGB燈閃爍；接著再連續(xù)按三次B鍵、碰一下觸摸鍵P，又顯示出字母“O”；然后重復(fù)第一次的操作，字母“S”再次出現(xiàn)，在收?qǐng)?bào)方掌控板的OLED顯示屏上也是正常顯示出了完整的“SOS”信息（如圖10）。

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同樣，如果再進(jìn)行其它字母的發(fā)送與接收測(cè)試，比如最簡(jiǎn)單的字母“E”和“T”，分別是“滴”和“嗒”，對(duì)應(yīng)的操作是按A再碰P、按B再碰P，測(cè)試均正常，完成雙掌控板mPython編程“隔空”收發(fā)摩爾斯電碼實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)。

6.對(duì)本實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)與升級(jí)設(shè)想

在編程和測(cè)試結(jié)束之后，感覺(jué)并不完美，仍有若干處需要改進(jìn)和升級(jí)的地方：

（1）發(fā)報(bào)方與收?qǐng)?bào)方是進(jìn)行“單向”通信的，收?qǐng)?bào)方掌控板在收到“SOS”求救信號(hào)后并不能對(duì)發(fā)報(bào)方掌控板做出回應(yīng)，比如再發(fā)送回“OK”。將雙方的程序各自進(jìn)行對(duì)應(yīng)功能模塊的添加，發(fā)報(bào)方需要添加主題訂閱，收?qǐng)?bào)方需要添加主題發(fā)送。另外，在“雙向”響應(yīng)的基礎(chǔ)之上還可以考慮進(jìn)行“一對(duì)多”、“多對(duì)一”甚至是“多對(duì)多”的升級(jí)，也就是將多塊掌控板組成一個(gè)彼此獨(dú)立但又能相互進(jìn)行摩爾斯電碼的發(fā)報(bào)與接收。

（2）程序中的字典my_dict只包含了26個(gè)英文大寫(xiě)字母，可以根據(jù)國(guó)際摩爾斯電碼將10個(gè)阿拉伯?dāng)?shù)字、斜杠和括號(hào)等標(biāo)點(diǎn)符號(hào)也進(jìn)行添加，可以傳輸表達(dá)更多的信息。除了這些通用的國(guó)際摩爾斯電碼之外，我們還可以考慮對(duì)字典進(jìn)行自定義式擴(kuò)充，比如若干使用頻率極高的漢字，只要各掌控板程序中使用的字典是相同的，并且均進(jìn)行了“鍵”、“值”的惟一對(duì)應(yīng)編碼，就可以直接進(jìn)行漢字的摩爾斯電碼發(fā)報(bào)與接收。

（3）在進(jìn)行摩爾斯電碼的發(fā)報(bào)和接收時(shí)均為“明文”，保密性幾乎為零。其實(shí)可以添加各種加密算法來(lái)嘗試摩爾斯密碼的發(fā)報(bào)與接收，比如凱撒加密，相當(dāng)于對(duì)字典文件中的“鍵”、“值”進(jìn)行不確定量的偏移計(jì)算，解密的過(guò)程就是將該運(yùn)算進(jìn)行反向即可。

（4）實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中是將掌控板的觸摸鍵P作為每個(gè)摩爾斯電碼的結(jié)束標(biāo)志，如果按照標(biāo)準(zhǔn)的摩爾斯電碼發(fā)報(bào)操作，也就是只有對(duì)應(yīng)“滴”和“嗒”的兩種操作，正好分別分配給按鍵A和B。只不過(guò)相鄰兩個(gè)信號(hào)的間隔必須要控制好，比如點(diǎn)與劃之間的停頓、單詞間的停頓，還有句子間的長(zhǎng)停頓，具體可查閱摩爾斯電碼的標(biāo)準(zhǔn)操作規(guī)范。此時(shí)的程序就簡(jiǎn)單了很多，比如省略掉一個(gè)主題、精簡(jiǎn)p_func函數(shù)，變量的使用也簡(jiǎn)單不少，只不過(guò)對(duì)操作者的發(fā)報(bào)操作方法要求比較高，但會(huì)更酷一些，大家不妨一試。