Golang笔记–03–面向对象与GPIO
Overview
前言
这段时间对Go语言的使用依旧是对接物联网设备，解析协议与管理连接，同时review了一下之前同事写的代码改bug，踩到了MySQL的坑，具体放到下一篇来讲。
另外本周在树莓派上通过串口调试模块，一开始选择了C语言，接着又切到Python，依旧卡在配置开发环境，一些树莓派上的C Native库在macOS无法编译通过，最后还是使用Go，两天时间写代码和调试，用Go来控制GPIO和串口真的非常方便。
Golang面向对象
在iOS及macOS中面向对象是天生的，操作的都是对象，对象都是指针类型，很多人也从运行时源码详细解析了Objective-C面向对象原理，而Golang在语法上就没有继承的概念，不过可以嵌入和接口来实现。
假定现在有一种数据包Packet，Packet可能有响应BytesResp，类型为[]byte，不通类型的数据包具有各自的解析方式、推送后台接口URL、JSON数据格式、插入数据库的SQL，但他们具有相同的头部（包含设备信息、数据域长度、校验值等等）、起始符和终止符，设备通过TCP长连接与程序保持通信，引用上一篇Golang笔记中的例子，我们在拿到二进制数据后，解析数据，并返回响应。
1p, err := model.NewPacketWithByte(data)
2if err != nil {
3 log.WithField("err", err).Info("数据解析错误")
4 continue
5}
6pushData(p.JSONData(), p.PushURL())
7go func() {
8 err = dataBase.InsertPacket(p)
9 if err != nil {
10 log.WithField("err", err).Info("插入数据失败")
11 }
12}()
13resp := p.BytesResp()
14if resp != nil {
15 conn.Write(resp)
16}
第一行代码从二进制数据解析到一个实现了Packet接口的对象，定义如下
1type Packet interface {
2 InsertSQL() string
3 BytesData() []byte
4 BytesResp() []byte
5 JSONData() []byte
6 PushURL() string
7}
最初的做法是在第一行解析数据时，返回不同的struct，每个struct包含一个Header字段，各自实现Packet定义的方法，而设备通信协议中定义了大概16种类型，按照一个请求对应一个响应，总共定义了32种struct，编写和改动都很麻烦，十分冗杂。而且对于来自设备的主动请求，总需要在最后返回响应，对于服务器主动下发的请求，获得设备响应后并不需要再返回响应，一些数据只需要记录头部信息与原始数据，另一部分则需要逐字节解析并入库。
原先的Header以及心跳包HeartBeat定义如下，HeartBeat实现了Packet定义的全部方法，多了很多冗余的代码。
1type Header struct {
2 DevEUI string `json:"DevEUI"`
3 ControlCode string `json:"ControlCode"`
4 DataFieldLength int `json:"DataFieldLength"`
5 CS int `json:"CS"`
6}
7type HeartBeat struct {
8 Header Header `json:"Header"`
9 UTCTime string `json:"UTCTime"`
10 Latitude float64 `json:"Latitude"`
11 Longitude float64 `json:"Longitude"`
12 Preserve string `json:"Preserve"`
13}
14func (h *HeartBeat) InsertSQL() string {
15 ......
16}
17......
18func (h *HeartBeat) PushURL() string {
19 ......
20}
HeartBeat实现了Packet定义的全部方法，可以当作Packet使用，但如果Header实现了Packet的全部方法并作为匿名字段嵌入HeartBeat，那么HeartBeat也会获得Header的全部方法，如果在HeartBeat上重新实现Packet定义的BytesResp()方法，直接调用时就会覆盖内部Header的实现，但可以通过显式指定Header来调用，修改后如下。
1type Header struct {
2 DevEUI string `json:"DevEUI"`
3 ControlCode string `json:"ControlCode"`
4 DataFieldLength int `json:"DataFieldLength"`
5 CS int `json:"CS"`
6}
7type HeartBeat struct {
8 Header
9 UTCTime string `json:"UTCTime"`
10 Latitude float64 `json:"Latitude"`
11 Longitude float64 `json:"Longitude"`
12 Preserve string `json:"Preserve"`
13}
14func (h *Header) InsertSQL() string {
15 ......
16}
17......
18func (h *Header) PushURL() string {
19 ......
20}
通过在Header中提供了默认的接口实现，减少冗余代码，需要特殊处理的数据包可以自行实现接口，覆盖方法。
Golang串口及GPIO编程
由于需要采集地磁场变化数据，如果让硬件工程师重新设计PCB，打样加编程，估计这个月都搞不完，所以想到用树莓派来对接，树莓派3自带40Pin引脚，关于开启串口编程的功能也是整了很久，都可以写一篇文章来讲了，这里指记录下如何通过串口和GPIO调用模块。
手上的模块带有12个引脚，其中：
一个VCC接3.3V电源输入；
两个GND接地；
一个RST复位，低电平5ms以上有效；
一个IO1输入读取上位机状态，低电平时才发送数据；
一个INTin输入用于触发接受指令，下降沿触发后，等待80ms接受指令；
一个INTout输出用于触发上位机发送数据，下降沿触发后发送数据；
另外两个是TX和RX，供串口读写，保留三个引脚。
用到两个第三方库：
分别操作GPIO以及串口。
按照上述流程，程序启动后
- 初始化GPIO；
- 初始化串口；
- 异步轮询INTout，检测下降沿则开始读取数据；
- 通过发送命令发送，发送指令初始化模块。
将上述的步骤用方法实现
下面是一些全局变量
1const (
2 io1 = uint8(5)
3 rst = uint8(6)
4 intIn = uint(13)
5 intOut = uint(19)
6)
7var s *serial.Port
8var outPin rpio.Pin
9var inPin rpio.Pin
初始化GPIO
go-rpio默认使用bcm编码，将模块的四个引脚分别接到了对应的GPIO口上
1 func startGPIO() {
2 err := rpio.Open()
3 if err != nil {
4 log.Fatal(err)
5 }
6 log.Info("open rpio successfully")
7 // io1供模块读取，维持低电平
8 io1Pin := rpio.Pin(io1)
9 io1Pin.Output()
10 io1Pin.Low()
11 // rst一般情况下不触发，维持高电平
12 rstPin := rpio.Pin(rst)
13 rstPin.Output()
14 rstPin.High()
15 // intOut由模块输出，在树莓派3上设置为输入，并检测下降沿
16 outPin = rpio.Pin(intOut)
17 outPin.Input()
18 outPin.Detect(rpio.FallEdge)
19 // intOut由树莓派3向模块输出，下降沿触发，初始状态设置为高电平
20 inPin = rpio.Pin(intIn)
21 inPin.Output()
22 inPin.High()
23}
初始化串口
成功开启树莓派3的串口编程后，默认设备为**/dev/ttyAMA0**，大多数设备默认的数据位为8，停止字为1，校验为None，波特率自行设置，读超时时间为可以用来设置非阻塞的串口读取。
1 func startSeril() {
2 c := &serial.Config{Name: "/dev/ttyAMA0", Baud: 115200, ReadTimeout: time.Second * 5}
3 p, err := serial.OpenPort(c)
4 s = p
5 if err != nil {
6 log.Fatal(err)
7 }
8 log.Info("open serial port successfully")
9 }
异步轮询INTout
若检测到下降沿，开始读取串口，否则休眠10ms。
读取串口，检测到结束符或读超时（上面设置为5秒）才停止读取，数据解析自行实现，最后清除串口缓冲区。
1 func startRead() {
2 go func() {
3 for {
4 // 检测下降沿
5 if outPin.EdgeDetected() {
6 read()
7 } else {
8 // 主动休眠
9 time.Sleep(time.Millisecond * 10)
10 }
11 }
12 }()
13 }
14 func read() {
15 // 开辟data用于存储数据
16 data := []byte{}
17 // 循环读写
18 for {
19 // 自行设定读缓冲区长度
20 buf := make([]byte, 50)
21 n, err := s.Read(buf)
22 if err != nil {
23 log.WithField("err", err).Info("read error")
24 break
25 }
26 dataRead := buf[:n]
27 data = append(data, dataRead...)
28 // 检测到停止字
29 if dataRead[n-1] == 0xfe || dataRead[n-1] == 0x21 {
30 break
31 }
32 }
33 if len(data) > 0 {
34 // 解析数据
35 decodeBytes(data)
36 }
37 // 清除串口缓存，包括未读取与未发送的数据
38 s.Flush()
39 }
初始化模块
这里需要编写一个发送命令方法，控制GPIO与串口。
1 func sendCMD(cmd string) bool {
2 result := false
3 // 拉低电平，触发下降沿
4 inPin.Low()
5 // 等待2ms后拉高电平
6 time.Sleep(time.Millisecond * 2)
7 inPin.High()
8 // 休眠80ms
9 time.Sleep(time.Millisecond * 80)
10 // 通过串口下发指令，最多尝试3次，若失败则休眠2ms再继续
11 data := []byte(cmd)
12 for i := 0; i < 3; i++ {
13 _, err := s.Write(data)
14 if err != nil {
15 log.WithField("err", err).Info("failed to send cmd: " + cmd)
16 time.Sleep(time.Millisecond * 2)
17 } else {
18 log.Info("REQ: " + cmd)
19 result = true
20 break
21 }
22 }
23 return result
24 }
在main方法中依次调用这些方法，完成对模块的初始化和调用，其他模块的对接应该也可以使用类似的流程。
总结
学习和使用了这么久的Golang，花了漫长才理解如何面向对象，之前对接的设备，数据包之间都没有太大关联性，也就没有继承复用的情况，一门语言还是需要通过不断在各种场景下实战才能累积经验。
Golang很适合树莓派，从底层地址操作到Kubernetes都能胜任，灵活而强大，主要还是配置和开发方便，在PC上写好代码，拷贝到树莓派上直接编译运行，另外可以接入4G模块，在户外采集处理后直接上报服务器，需要微调源码时也能直接在树莓派上操作，总之有很大的想象空间的。