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使用Firmata将Raspberry Pi Pico接入Quarkus

#quarkus#firmata#raspberry pi pico#java#物联网

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Java 应用通常与 API、数据库、消息系统和云基础设施联系在一起。但 Java 同样可以与物理世界交互——读取传感器、控制 LED、驱动电机，以及与微控制器通信。

这正是 Quarkus Firmata 的目标：一个新的 Quarkus 扩展，用于将 Quarkus 应用连接到兼容 Firmata 的开发板，例如 Raspberry Pi Pico。

该项目结合了三项技术：

  • Quarkus：用于应用开发与依赖注入
  • firmata4j：Firmata 客户端协议的 Java 实现
  • ConfigurableFirmata：运行在微控制器上的固件

首个版本专注于一个实用的 MVP：数字输入/输出、模拟输入、PWM 输出，以及通过 USB 串口与 Raspberry Pi Pico 通信。

什么是 Firmata？

Firmata 是一种协议，允许运行在计算机上的软件与微控制器通信。

与每次应用需要改变某个引脚时都重新编译并上传固件不同，开发板运行的是通用 Firmata 固件。主机应用随后发送命令来配置引脚、写入值，并接收输入更新。

简化后的架构如下：

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Firmata 使用一种受 MIDI 启发的二进制消息格式，并支持通过能力查询进行功能发现。这意味着主机可以向开发板询问每个引脚支持哪些模式，而不必完全依赖硬编码的开发板定义。更多细节请参阅 Firmata 官方协议文档。

为什么要创建 Quarkus 扩展？

在 Java 应用中直接使用 firmata4j 是可行的。不过，Quarkus 扩展可以提供更自然的应用开发体验。

Quarkus Firmata 负责：

  • 创建 Firmata 设备
  • 初始化串口连接
  • 注册 CDI
  • 应用启动与关闭
  • 通过 application.properties 配置
  • 校验引脚能力
  • 将受检的 I/O 错误转换为一致的 API

应用只需要注入 FirmataClient，然后与开发板交互即可。

项目采用标准的 Quarkus 扩展布局：

quarkus-firmata
├── runtime
├── deployment
├── integration-tests
└── examples

runtime 模块包含 API、配置和连接生命周期。deployment 模块在 Quarkus 增强阶段注册扩展。项目还包含与硬件无关的测试，以及一个 Raspberry Pi Pico 示例。

Java 25 与 Quarkus

Quarkus Firmata 面向 Java 25 或更高版本。

Quarkus 3.31 开始完整支持 Java 25，包括 Java 25 运行时镜像以及使用 Mandrel 进行 native 构建。该扩展目前面向 JVM 执行，firmata4j 的 native-image 兼容性将单独研究。有关 Java 25 支持的更多细节，请参阅 Quarkus 3.31 发布公告。

构建这个项目需要：

  • JDK 25 或更高版本
  • Maven 3.9 或更高版本
  • 一块 Raspberry Pi Pico
  • ConfigurableFirmata 2.11 或更高版本
  • 一根支持数据传输的 USB 线

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图片由 AI 生成——标志展示了用于从 Java 应用控制 Raspberry Pi Pico 的技术栈。

构建扩展

克隆仓库并在本地安装扩展：

$ bash
git clone https://github.com/igfasouza/quarkus-firmata.git
cd quarkus-firmata
mvn verify install

验证测试不需要实体开发板，因为测试配置中禁用了 Firmata 集成。

安装完成后，向 Quarkus 应用添加扩展：

$ xml
<dependency>
    <groupId>io.quarkiverse.firmata</groupId>
    <artifactId>quarkus-firmata</artifactId>
    <version>1.0.0-SNAPSHOT</version>
</dependency>

配置串口连接

通过 USB 连接的 Raspberry Pi Pico 在 Linux 下通常显示为 /dev/ttyACM0。

在 application.properties 中配置扩展：

$ properties
quarkus.firmata.enabled=true
quarkus.firmata.port=/dev/ttyACM0
quarkus.firmata.connect-on-startup=true

在 Windows 上，请使用对应的 COM 口：

$ properties
quarkus.firmata.port=COM4

在 macOS 上，设备通常位于 /dev/cu.*。

当启用 connect-on-startup 时，扩展会在 Quarkus 启动期间打开串口连接，并等待 Firmata 能力发现完成。应用停止时会自动关闭该连接。

如果开发板可能在之后才接入，也可以禁用自动连接：

$ properties
quarkus.firmata.connect-on-startup=false

应用随后可以调用：

$ java
firmata.connect();

控制 Raspberry Pi Pico

主要入口是 FirmataClient CDI Bean：

$ java
import jakarta.enterprise.context.ApplicationScoped;
import jakarta.inject.Inject;

import io.quarkiverse.firmata.FirmataClient;

@ApplicationScoped
public class PicoService {

    @Inject
    FirmataClient firmata;

    public void turnLedOn() {
        firmata.digitalWrite(25, true);
    }

    public void turnLedOff() {
        firmata.digitalWrite(25, false);
    }
}

ConfigurableFirmata 将 Pico 板载 LED 识别为逻辑引脚 25。

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区分逻辑 GPIO 编号与物理排针位置非常重要。RP2040 支持文档描述了 30 个逻辑引脚、4 个模拟输入和 16 个支持 PWM 的引脚。模拟输入使用逻辑索引 26 到 29。完整映射请参阅官方 ConfigurableFirmata 开发板支持文档。

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读取模拟输入同样很简单：

$ java
long value = firmata.analogRead(26);

PWM 接受 0 到 255 之间的 8 位值：

$ java
firmata.pwmWrite(15, 128);

在执行某项操作之前，扩展会校验所选引脚是否支持所请求的 Firmata 模式。如果尝试在不支持 PWM 的引脚上使用 PWM，会得到明确的异常，而不是悄悄发送无效命令。

直接访问 firmata4j

高层 API 有意以小步快跑的方式起步，但高级用户仍然可以访问底层的 firmata4j 设备：

$ java
IODevice device = firmata.unwrap();

这个预留入口使你可以试验扩展 API 尚未覆盖的功能，包括 I²C 通信、事件监听器、底层消息以及自定义 SysEx 命令。

未来版本一旦验证了这些功能的行为和配置方式，就可以将它们提升为专用的 Quarkus API。

关于 Java 25 上的串口通信

jSerialComm 依赖原生代码访问操作系统串口。从较新的 Java 版本开始，JVM 可能要求应用显式允许原生访问。

如有必要，可以使用以下命令启动应用：

$ bash
java --enable-native-access=ALL-UNNAMED -jar target/quarkus-app/quarkus-run.jar

从 IDE 运行时，也可以将同样的选项添加到 VM 配置中。

项目目前固定使用 jSerialComm 2.9.3，因为 2.10 版本更改了已发布的 firmata4j 2.3.9 构件所使用的二进制方法描述符。要升级到更新的 jSerialComm 版本，需要调整或替换 firmata4j 的串口传输层。

准备 Pico 固件

Raspberry Pi Pico 必须运行兼容的 ConfigurableFirmata 程序。

固件应启用首个扩展版本所需的模块：

  • 数字输入
  • 数字输出
  • 模拟输入
  • 模拟输出 / PWM
  • 能力查询
  • 引脚状态查询
  • 模拟映射

firmata4j 要求固件在初始化期间响应 REPORT_FIRMWARE、CAPABILITY_QUERY、PIN_STATE_QUERY 和 ANALOG_MAPPING_QUERY。

ConfigurableFirmata 从 2.11 版本开始支持 RP2040 系列。

接下来做什么？

首个版本为将 Firmata 用作 Quarkus 管理的硬件接口奠定了基础。以下几项功能自然是未来开发的方向：

  • 引脚变化事件
  • 舵机控制
  • I²C 设备
  • 自定义 SysEx 模块
  • 健康检查
  • 指标
  • 自动重连
  • 多开发板支持
  • Dev UI 集成
  • GraalVM native-image 支持

更大的目标，是让物理计算像 Quarkus 开发中的普通部分一样自然：配置设备、注入客户端，然后通过简洁的 Java API 与硬件交互。

Quarkus Firmata 是开源的，并托管在 GitHub 上：

github.com/igfasouza/quarkus-firmata

该项目已在 GitHub 上提供，不过我尚未将它提交为官方 Quarkus 或 Quarkiverse 扩展，因为我不想承担长期维护的义务。尽管如此，任何感兴趣的人都可以把这个仓库作为起点，将其适配到自己的项目中，扩展 API，或为更多 Firmata 特性和硬件提供支持。

此外，欢迎任何形式的贡献：在其他兼容 Firmata 的板卡上进行实验、提交 Bug 报告，以及提出 API 建议。

最后再说一个有趣的想法：我很可能是第一个使用 Quarkus 控制微控制器的人，或者至少是第一个将 Quarkus 与 Raspberry Pi Pico 一起使用的人。我无法证明这一点，但在有人向我展示更早的示例之前，我很乐意认领这段小小的 Java 与 IoT 历史。有意思的是，我浏览量最高的 博客文章 之一，就是关于将 Firmata4j 与 Spring 和 Arduino 一起使用，因此我很好奇这次 Quarkus 与 Raspberry Pi Pico 的冒险会得到怎样的反响。

本文 Bringing Raspberry Pico to Quarkus with Firmata 最初发布在 foojay 上。