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Node-RED 主力物联网开发

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发表于 2017-9-13 19:45:48 | 显示全部楼层 |阅读模式
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本帖最后由 true 于 2017-9-13 19:46 编辑

Node-RED 是构建物联网(IOT, Internet of Things)应用程序的一个强大工具,其重点是简化代码块的“连接”以执行任务。它使用可视化编程方法,允许开发人员将预定义的代码块(称为“节点”,Node)连接起来执行任务。连接的节点,通常是输入节点、处理节点和输出节点的组合,当它们连接在一起时,构成一个“流”(Flows)。

Node-RED最初是IBM在2013年末开发的一个开源项目,以满足他们快速连接硬件和设备到Web服务和其他软件的需求——作为物联网的一种粘合剂,它很快发展成为一种通用的物联网编程工具。重要的是,Node-RED已经迅速形成一个重要的、不断增长的用户基础和一个活跃的开发人员社区,他们正在开发新的节点,同时允许程序员复用Node-RED代码来完成各种各样的任务。

虽然Node-RED 最初是用来处理物联网的应用,也就是说,它与现实世界交互和控制设备,随着它的发展,它已经成为一个较为开放的物联网开发工具。本章内容将介绍一些Node-RED的示例,既可以了解其功能,也可以介绍基本概念。同时还将讨论Node-RED的历史及其起源,以便让您了解Node-RED是什么样的,哪些类型的任务最好留给传统的编程环境。

到本章节结束时,希望你会对Node-RED,编程模型和一些简单的预构建节点有一个初步的认识,同时能深入了解Node-RED的起源和最佳用法。


认识Node-RED
从几个简单的例子入手,看看可以用Node-RED来做的事情。目的不是告诉如何用Node-RED编程(后续会持续更新),而是通过一些基础的例子对它的能力有所了解。如果想直接学习,你可以跳到第2章(或者等待第2章的更新),在那里将详细地描述如何创建和运行你的第一"流"(Flow)的步骤。

第一个例子是运用收到包含推特标签的反馈信息,用来打开和关闭树莓派(Raspberry Pi)的LED。在这个例子中,采用了在在树莓派的运行Node-red,当然后面也补充了基于Windows的Node-RED做的一个简化的模型。


示例1.1 使用Twitter控制树莓派
Node-RED的流检查推特信息,当一个带有# LED推特信息的标签被检测到,则打开连接到树莓派的LED。具体的编程流如图1.1所示。正如你所看到的,这很简单;它由3个节点连接在一起,其中左边为推特节点,中间为触发节点和最右边为树莓派的节点(GPIO node,GPIO,General Purpose Input/Outpu,即通用输入/输出,集成在树莓派硬件上节点)。通常Node-RED的图标都由其方框中左边的图标来表示节点的类型,例如第一个节点中的Twitter 鸟图标。方框中右边的部分则可以由程序开发者自行编辑。
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图1.1 使用Twitter标签触发树莓派LED3节点流
这三个节点中的每一个都被构建到Node-RED可视化编程工具中,并可以从一个节点编辑栏拖到主工作区。然后将输出选项卡连接到下一个节点的输入选项卡,节点框右边或左边的小灰斑连接,进而实现流的通路,下一个章节将详细讨论,但现在让我们把重点放在使用逻辑上。

Twitter节点是Node-RED的内置节点,简化了使用Twitter API的复杂性,在功能上它可以配置用户帐户的凭据和各种搜索字符串。在这个应用中,用到只是寻找# LED标签。当Twitter节点在对用户的推文或公共推送的反馈中看到标签时,它会创建一条新消息,其中包含推送的细节,该消息转发到流(Flow)中的下一个节点。在示例中,由于Twitter节点的输出被连接到触发节点的输入,所以触发节点能接收消息中的详细信息。触发器节点是Node-RED色中的另一个内置节点,其默认行为是等待其输入的任何消息。当它收到一条消息时,它就会触发,输出值“1”,以消息体发送消息。然后等待1秒,然后在消息正文中发送值为“0”,作为第二条消息。

由于触发节点连接到树莓派的通用输入/输出接口(GPIO Node),控制输入/输出或树莓派的其他引脚,它得到的这两条消息。在Node-RED的通用输入/输出口(未详细地介绍树莓派的IO引脚具体信息),当获得一个“1”值的消息时,它将IO引脚电压升高,当它接收到一个带有“0”的消息时,它将引脚的电压拉低。在这个例子中,该通用输入/输出口配置控制引脚数为12,这个节点信息也显示在节点图标上。如果你有你的树莓派,并且有线与LED连接到引脚12,该通用输入/输出口的电压高1秒钟然后低,这就会使LED闪烁1秒。

如果你想了解在这里发生了什么,这实际上是一个有意思的Node-RED和物联网的例子。它是连接Twitter和树莓派的通用输入/输出口,抽象的理解可认为是搜集网络信息,并像信息传递到实际的硬件上。实现这样的应用不需要编程,所有的任务都是通过预先在Node-RED配置的节点上进行,因此只需要配置就可以完成。同时,只需要一个简单的树莓派,或其他支持Node-RED的硬件,就可以完成这一功能。

Node-RED是一种基于流的编程工具,它有一个可视化编辑器,允许将节点连接在一起创建流。在上述的案例中,3个节点创建了一条流。这也是很有现实意义的应用,将标签#LED转换为信息,这些信息在传达到真实的载体上,其中“流”的形态可以理解为节点之间线。节点在其输入中处理消息,将输出的消息发送到流中的下一个节点。在这个简单的例子中,寻找一个Twitter上# LED标签并用它来触发消息到Raspberry Pi的节点,最终导致输出引脚12到高1秒的拉升,最终可看到LED闪烁1秒。

这个例子以及本章的其他部分,主要是向大家展示我们可以用Node-RED来做的事情。如果想玩这个例子,第2章节中会有介绍,会详细地阐述如何开始。 具体的这个程序,请在公众号中留言。

考虑到国内的用户无法便捷的连接到Twitter,以及没有树莓派。做了一个最简单的流,基于window端的Node-RED。会在Debug界面中,呈现的跳变的结果。


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图1.2 使用一个触发信息修改输出值简化3节点流
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图1.3 在debug视图下查看的调试结果

示例1.2 当你在锻炼计划落后时,用Node-RED提醒你
第二个例显示Node-RED不同用法。而不是控制设备底层的硬件设备,这个流结合气象信息和你的Fitbit的应用,通过分析数据情况,向你的电子邮件发送警报。在天气好的时候,检查你的锻炼计划是否完成。流程有点复杂,使用6个节点(如图1.4),仅仅通过使用内置节点,可以通过很少的编程来完成略复杂的任务。
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图1.3 邮件提醒户外运动的流
和上述一样,节点从Node-RED的搜索栏拖出来,并流的编辑页面上连接在一起。在最左边的节点,让我们开始一个Openweather节点(非标准节点)可以配置检查设定在一定时间间隔在任何主要城市天气。运行时,它将结果打包到一个消息中,并将消息转发到下一个节点。下一个节点是一个交换节点,交换节点执行一个简单的测试,检查输入消息值与设定值的偏差,如果测试是真的,则发送一个值为“1”的消息。在这个例子中,它配置的检测是温度值(tempc)是否高于15摄氏度。

当开关节点测试为真,或'开关打开'(switches on),它将发送一个消息到流程中的下一个节点Fitbit节点。Fitbit节点是另一个强大的内置节点,可以配置在http://Fitbit.com网站获得你的Fitbit设备统计。Fitbit结点读取你统计的运动信息,设备接到一个消息并将其转发到下一个节点。

下一个节点是另一个交换机节点,此节点配置的是你今天走过的步骤数量是否小于1000。它通过调用http://Fitbit.com上提供的API接口,进而修改Fitbit数据库(summary.steps),从而从Fitbit节点得到些数据。

如果今天走了不到1000步,那么从交换机节点生成一条消息,该消息通过流传递给函数节点(function node)。函数节点是一个通用的通用节点,允许用JavaScript编写自己的编程逻辑。后续的章节将详细地讨论这个节点,现在可以假设这个节点刚刚创建了一个新邮件,邮件主题和正文文本可以通过电子邮件发送。

一旦这个消息在函数节点中创建,它就通过流发送到最终节点,这是一个电子邮件节点。此节点将接收任何传入的消息主体,并将其发送到在初始化邮件节点时配置电子邮件帐户中。在这个案例中,可以设置它来向自己发送消息。

通过非常简单的流程使用Node-RED的内置节点来检查本地天气,如果天气相当暖和,而且你今天没怎么散步,它会给你发电子邮件提醒。虽然例子感觉很简单,只是看看天气,以及你的Fitbit的活动数据,你可以用类似的流检查家庭设备的状态,服务器计算机,或者一个工厂的某个设备,然后你可以使用输出节点发送邮件,推特或者调用现实中某些软件的API进而控制设备,这些选择是很丰富的。Node-RED是一个非常强大的工具,用于连接输入和输出,并提供许多节点,这些节点无论是由Node-RED内置或社区开发,这些组合可以执行一系列任务。

示例1.3 使用Node-RED的内置HTTP节点构建Web服务
在这章中介绍的最后一个案例是另一类流。它主要展示如何创建简单的Web服务响应真实世界的数据查询需求。首先发送一个HTTP请求,然后提供一个用图形表示的网页返回给浏览器。本例中Node-RED节点是用来提供一个Web服务器和由几个节点提供的简单服务。
继续使用前面的例子中使用的Fitbit结点,这个例子创建了一个简单的Web服务,可以让你查询你一天的Fitbit数据,使用饼图显示通过运动燃烧掉了多少卡路里。
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流如图1.5所示,它是由4个节点组成。第一个和最后一个节点是HTTP输入和输出节点,它们共同工作以侦听HTTP请求并发送HTTP响应。此流侦听来自任何源的HTTP请求,我们假设这里有一个常规浏览器。当它到来时,需要它查询你的Fitbit数据,然后使用一个模板节点建立一个HTTP页面,并通过对HTTP输出节点发送到网页浏览器之中。




图1.5 一个简单使用Fitbit数据的Web服务器实例图
同样,这只是为了让你对Node-RED的能力和灵活性有所了解,而不需要了解流如何工作的所有细节。你会在以后的章节中了解更多。在一个较高级别的应用中,HTTP输入节点已配置为侦听对URL的HTTP请求,这是一个组合的托管服务的使用,需要加上你的登录名和/ Fitbit字符串。这将在第二个章节中更加详细地解释。

当一个HTTP请求时,HTTP输入节点创建一个消息,触发流程中的下一个节点,Fitbit的节点。Fitbit节点获取当前统计用户的信息,然后通过这些统计数据,作为一种信息。HTML模板节点是Node-RED中的另一个预构建节点,它与函数节点一样,允许您构建任意代码。然而,不像使用函数节点那样使用JavaScript,模板节点能编辑HTML之类文本语言。基本上,模板节点需要你的卡路里消耗数据,通过使用第三方的图形库,创建一个简单的HTML文件,会告诉接收浏览器使用第三方图形库显示所消耗的卡路。

一旦模板节点生成了HTML文件,它就把它作为消息传递给最终节点,这是一个HTTP响应节点。这个节点将HTML打包成一个HTTP响应,将它发回浏览器。然后用户会看到一个简单的卡路里消耗量图表(见图1.6)所有这些都是由一个简单的Node-RED流构建和服务的。

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图1.6 一个饼图,由Node-RED发出显示消耗的卡路里数量


Node-RED的历史
正如前文的示例所示,Node-RED是构建物联网应用程序和服务的强大工具,其主要原因是快速物联网原型应用开发需求。Node-RED引发是由IBM新兴技术组的一个开源项目,特别是通过两研究员Nick O'Leary和Dave Conway Jones。他们最初将Node-RED作为自己的工具,因为他们正在研究物联网项目,并正在“寻找一种方法来简化一些为客户构建传感器与系统之间连接的概念应用”。

2013年初,一个初始版本的Node-RED作为开源项目发布,并在2014期间建立了一个小型但活跃的用户和开发组。在写作的时候,Node-RED的仍然是一个新兴的技术,但已经看到了显着的开发者,实验者和一些大公司和小公司的尝试使用它开发自己需要的应用。今天有充满活力的用户和开发人员社区,核心致力于Node-RED代码本身,同时为流库贡献节点或流。

由于Node-RED仍然是一个迅速发展的技术,很多规则可能会迅速改变。这些文章都是基于都写在Node-RED的0.16.2版,部分应用请检查兼容性。


Node-RED与物联网
当IBM创建Node-RED时,他们主要关注的是物联网,即连接设备到流程,流程到设备的过程。作为一种快速的物联网应用开发工具,Node-RED既强大又灵活。它的特点来自两个因素的结合:

Node-RED是基于流的编程模型,表示节点间事件流的消息,触发以及输出结果的处理。基于流的编程模型很好地映射到典型的物联网应用程序,这些应用程序以真实事件为特征,触发某种处理,从而导致实际操作。Node-RED将这些事件打包为消息,这些消息为在组成流的节点之间流动事件提供了一个简单而统一的模型。

内置节点集是Node-RED的第二个优势。通过建立一套强大的输入和输出节点,每一个隐藏的复杂性与真实世界互动,Node-RED的开发者提供了强大的基础,并让他们把迅速流动,完成很多工作,而不必担心的编程细节。

这两个因素使得Node-RED成为物联网应用开发者有力的工具。当结合灵活创建和使用功能节点,它允许开发人员快速写任意JavaScript。Node-RED社区不断创造和分享新的节点,Node-RED可能成为物联网开发者的主要工具之一。

Node-RED可能并不是物联网应用程序开发的最佳工具。虽然功能强大且灵活,但并不一定是正确的解决方案。某些情况下,Node-RED可能不是首选,包括:

复杂多功能物联网应用。Node-RED擅长于快速应用程序开发,并充当连接事件到动作或传感器到执行器的粘合剂。然而,当应用程序达到一定的规模时,通过Node-RED来可视化编程和管理变得非常复杂。有一些功能可以帮助这一点,例如子流(后续会有介绍),但最终UI会成为瓶颈。

基于流的编程并不一定是最适合应用程序开发的编程。就像某些编程语言擅长于某些任务而不是其他任务一样,基于流的编程也有它的弱点。循环是一个很好的例子:在处理循环时,Node-RED是很麻烦的。

基于流的编程是一种通用模型,并没有针对特定需求进行针对性或优化,例如数据分析或用户界面开发。目前,Node-RED对这些类型的应用程序没有具体的支持,也没有简单的方法来添加这种支持。显然,Node-RED的底层技术是JavaScript,可以利用它的能力来满足这些需求。如果要使用Node-RED来做原型开发,可行的方案是在找一种更适合任务语言中实现部分或全部应用程序,并使用Node-RED作为整体控件。

话虽如此,正如在本文中所示,将在后续的文章中分享,Node-RED是大量物联网应用的强大工具。随着它的发展,它将适应更广泛的环境,并且变得更加复杂和实用。同样重要的是,正如在随后的文章中我们会一起探索Node-RED,尽管Node-RED的根在物联网中,但它仅仅是一个工具,可以用来构建各种各样的应用程序,而不仅仅是物联网应用程序。事实上,在后续的文章中,将看到Node-RED被用于Web应用程序、社交媒体应用程序、后台集成、IT任务管理等。

我希望在全文结束后,你所见的Node-RED,就像我们所做的那样,是一个灵活且功能强大的工具,可以在许多情况下使用,既可以用于原型开发,也可以用于产品级开发。


总结
在这篇文章中,我们对Node-RED的有了初步的了解。已经看到了如何使用一个可视化工具快速地创建需要的复杂执行任务,通过简单Node的连接吗,构建出复杂的任务。同时还了解了Node-RED的起源,它是物联网的一个快速应用程序开发工具以及它是如何演变的。现在它被用于各种任务,而不仅仅是物联网编程。最后,讨论了Node-RED的局限性,并指出了其他语言和工具可能更好地应用在某些场合。在下一章节中,将开始一些真正的编程,并展示如何使用Node-RED所提供的基本节点构建自己的流。

原文参考:Node-RED: Lecture 1 - A brief introduction to Node-RED

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