Frontendové Web Serial API: Komplexní průvodce komunikací se sériovými zařízeními v prohlížeči

Web Serial API otevírá vzrušující nové možnosti pro webové aplikace. Umožňuje vašemu frontendovému kódu běžícímu v prohlížeči přímo komunikovat se sériovými zařízeními připojenými k počítači uživatele. To byla dříve doména nativních aplikací, ale nyní můžete interagovat s mikrokontroléry, 3D tiskárnami, senzory a starším hardwarem přímo z vašeho webového prohlížeče. Představte si ovládání Arduina z webového panelu, sledování dat ze senzorů v reálném čase nebo interakci se starší sériovou tiskárnou prostřednictvím moderního webového rozhraní. Tento průvodce se ponoří do Web Serial API, prozkoumá jeho funkce a poskytne praktické příklady, které vám pomohou začít.

Co je to Web Serial API?

Web Serial API je webový standard, který poskytuje způsob, jakým mohou webové aplikace komunikovat se sériovými zařízeními. Sériová komunikace je široce používaná metoda pro výměnu dat mezi zařízeními pomocí sériového portu. To je obzvláště běžné u vestavěných systémů, průmyslového vybavení a staršího hardwaru. API překlenuje mezeru mezi webem a fyzickým světem a umožňuje webovým aplikacím interagovat s těmito zařízeními bez potřeby rozšíření prohlížeče nebo nativních aplikací.

Klíčové výhody:

• Přímá interakce se zařízením: Odstraňuje potřebu zprostředkujících aplikací nebo ovladačů pro základní sériovou komunikaci.
• Multiplatformní kompatibilita: Webové aplikace používající Web Serial API mohou běžet na jakémkoli operačním systému s kompatibilním prohlížečem.
• Zvýšená bezpečnost: API je navrženo s ohledem na bezpečnost a vyžaduje explicitní souhlas uživatele pro přístup k sériovým portům.
• Zjednodušený vývoj: Poskytuje standardizované rozhraní pro sériovou komunikaci, což zjednodušuje proces vývoje.

Podpora prohlížečů

Ke konci roku 2024 je Web Serial API podporováno prohlížeči založenými na Chromiu, jako jsou Google Chrome, Microsoft Edge a Opera. Podpora v jiných prohlížečích, jako je Firefox a Safari, je ve fázi zvažování a vývoje. Doporučuje se zkontrolovat webovou stránku Can I use pro nejnovější informace o kompatibilitě prohlížečů.

Bezpečnostní aspekty

Web Serial API klade důraz na bezpečnost a soukromí uživatelů. Zde jsou některá klíčová bezpečnostní opatření:

• Souhlas uživatele: Prohlížeč vyzve uživatele k udělení souhlasu předtím, než webové aplikaci povolí přístup k sériovému portu. Uživatel má možnost přístup udělit nebo odepřít.
• Pouze v zabezpečených kontextech: API je dostupné pouze v zabezpečených kontextech (HTTPS). To pomáhá předcházet útokům typu man-in-the-middle a zajišťuje integritu dat.
• Omezený přístup: API poskytuje kontrolovaný přístup k sériovému portu, což omezuje potenciál pro škodlivé aktivity.

Začínáme: Praktický příklad s Arduinem

Projděme si jednoduchý příklad použití Web Serial API pro komunikaci s deskou Arduino. Tento příklad ukáže, jak posílat data z webového prohlížeče do Arduina a přijímat data zpět.

Předpoklady:

• Deska Arduino (např. Arduino Uno, Nano nebo Mega).
• Arduino IDE nainstalované na vašem počítači.
• USB kabel pro připojení Arduina k vašemu počítači.
• Prohlížeč, který podporuje Web Serial API (Chrome, Edge, Opera).

Krok 1: Kód pro Arduino

Nejprve nahrajte následující kód do vaší desky Arduino pomocí Arduino IDE:

            void setup() {
 Serial.begin(9600);
}

void loop() {
 if (Serial.available() > 0) {
 String data = Serial.readStringUntil('\n');
 data.trim();
 Serial.print("Received: ");
 Serial.println(data);
 delay(100);
 }
}

            

              
                Copy
              
            
          

Tento kód inicializuje sériovou komunikaci na přenosové rychlosti (baud rate) 9600. Ve funkci `loop()` kontroluje, zda jsou na sériovém portu dostupná nějaká data. Pokud jsou data dostupná, čte je až po znak nového řádku, ořízne veškeré úvodní nebo koncové mezery a poté pošle přijatá data zpět na sériový port s prefixem „Received: “.

Krok 2: Struktura HTML

Vytvořte HTML soubor (např. `index.html`) s následující strukturou:

            


 


 
Web Serial API Example
 Connect to Serial Port
 

 
 Send Data
 



            

              
                Copy
              
            
          

Tento HTML soubor obsahuje tlačítko pro připojení k sériovému portu, textovou oblast pro zobrazení přijatých dat, vstupní pole pro zadání dat k odeslání a tlačítko pro odeslání dat. Také odkazuje na JavaScriptový soubor (`script.js`), který bude obsahovat kód pro Web Serial API.

Krok 3: JavaScriptový kód (script.js)

Vytvořte JavaScriptový soubor s názvem `script.js` s následujícím kódem:

            const connectButton = document.getElementById('connectButton');
const receivedDataTextarea = document.getElementById('receivedData');
const dataToSendInput = document.getElementById('dataToSend');
const sendButton = document.getElementById('sendButton');

let port;
let reader;
let writer;

connectButton.addEventListener('click', async () => {
 try {
 port = await navigator.serial.requestPort();
 await port.open({ baudRate: 9600 });

 connectButton.disabled = true;
 sendButton.disabled = false;

 reader = port.readable.getReader();
 writer = port.writable.getWriter();

 // Listen to data coming from the serial device.
 while (true) {
 const { value, done } = await reader.read();
 if (done) {
 // Allow the serial port to be closed later.
 reader.releaseLock();
 break;
 }
 // value is a Uint8Array.
 receivedDataTextarea.value += new TextDecoder().decode(value);
 }
 } catch (error) {
 console.error('Serial port error:', error);
 }
});

sendButton.addEventListener('click', async () => {
 const data = dataToSendInput.value + '\n';
 const encoder = new TextEncoder();
 await writer.write(encoder.encode(data));
 dataToSendInput.value = '';
});

            

              
                Copy
              
            
          

Tento JavaScriptový kód zpracovává připojení k sériovému portu, příjem dat a odesílání dat. Pojďme si kód rozebrat:

• Získání prvků: Získá reference na HTML prvky pomocí jejich ID.
• Událost kliknutí na `connectButton`: Když je kliknuto na tlačítko „Připojit k sériovému portu“, stane se následující:
  • Zavolá `navigator.serial.requestPort()` pro vyzvání uživatele k výběru sériového portu.
  • Otevře vybraný port s přenosovou rychlostí 9600.
  • Deaktivuje tlačítko pro připojení a aktivuje tlačítko pro odeslání.
  • Získá čtečku (reader) a zapisovač (writer) pro čitelný a zapisovatelný proud portu.
  • Vstoupí do smyčky pro nepřetržité čtení dat ze sériového portu.
  • Dekóduje přijatá data (což je `Uint8Array`) pomocí `TextDecoder` a připojí je do `receivedDataTextarea`.
• Událost kliknutí na `sendButton`: Když je kliknuto na tlačítko „Odeslat data“, stane se následující:
  • Získá data ze vstupního pole `dataToSendInput`.
  • Připojí k datům znak nového řádku (`\n`). To je důležité, protože kód Arduina čte data, dokud nepřijme znak nového řádku.
  • Zakóduje data pomocí `TextEncoder` pro jejich převod na `Uint8Array`.
  • Zapíše zakódovaná data na sériový port pomocí `writer.write()`.
  • Vymaže vstupní pole `dataToSendInput`.

Krok 4: Spuštění příkladu

Otevřete soubor `index.html` ve vašem prohlížeči. Měli byste vidět HTML prvky definované v souboru.

1. Klikněte na tlačítko „Připojit k sériovému portu“. Váš prohlížeč vás vyzve k výběru sériového portu. Vyberte port spojený s vaší deskou Arduino.
2. Po připojení bude tlačítko „Připojit k sériovému portu“ deaktivováno a tlačítko „Odeslat data“ bude aktivováno.
3. Zadejte nějaký text do vstupního pole a klikněte na tlačítko „Odeslat data“.
4. V textové oblasti byste měli vidět text „Received: [váš text]“. To značí, že data byla úspěšně odeslána z prohlížeče do Arduina a poté poslána zpět z Arduina do prohlížeče.

Pokročilé použití a úvahy

Přenosová rychlost (Baud Rate)

Přenosová rychlost (baud rate) je rychlost, jakou jsou data přenášena přes sériový port. Je klíčové, aby přenosová rychlost nakonfigurovaná ve vaší webové aplikaci odpovídala přenosové rychlosti nakonfigurované ve vašem sériovém zařízení (např. v kódu Arduina). Běžné přenosové rychlosti zahrnují 9600, 115200 a další. Neshodující se přenosové rychlosti povedou k zkomoleným nebo nečitelným datům.

Kódování dat

Data přenášená přes sériový port jsou typicky reprezentována jako sekvence bajtů. Web Serial API používá `Uint8Array` k reprezentaci těchto bajtů. Možná budete muset kódovat a dekódovat data pomocí vhodných schémat kódování (např. UTF-8, ASCII) v závislosti na typu dat, která přenášíte.

Zpracování chyb

Je důležité implementovat správné zpracování chyb ve vaší webové aplikaci, abyste zvládli potenciální problémy, jako jsou chyby připojení, chyby přenosu dat a odpojení zařízení. Používejte bloky `try...catch` k zachycení výjimek a poskytnutí informativních chybových zpráv uživateli.

Řízení toku (Flow Control)

Mechanismy řízení toku (např. hardwarové řízení toku, softwarové řízení toku) lze použít k zabránění ztráty dat, když odesílatel přenáší data rychleji, než je přijímač schopen je zpracovat. Web Serial API podporuje hardwarové řízení toku (CTS/RTS). Zkontrolujte specifické požadavky vašeho sériového zařízení, abyste zjistili, zda je řízení toku nutné.

Zavření portu

Je důležité správně zavřít sériový port, když s ním skončíte. Tím se port uvolní a umožní ostatním aplikacím nebo zařízením jej používat. Port můžete zavřít pomocí metody `port.close()`.

            if (port) {
 await reader.cancel();
 await reader.releaseLock();
 await writer.close();
 await port.close();
}

            

              
                Copy
              
            
          

Web Serial API a Bluetooth

Ačkoliv Web Serial API samo o sobě přímo nezpracovává Bluetooth připojení, může být použito ve spojení s Bluetooth sériovými adaptéry. Tyto adaptéry fungují jako most, převádějící Bluetooth komunikaci na sériovou komunikaci, kterou pak Web Serial API může zpracovat. To otevírá možnosti pro interakci se zařízeními s podporou Bluetooth z vašeho webového prohlížeče.

Aplikace v reálném světě

Web Serial API má širokou škálu potenciálních aplikací v různých odvětvích a oblastech:

• Průmyslová automatizace: Ovládání a monitorování průmyslového vybavení a strojů z webového rozhraní. Například tovární dělník v Německu by mohl používat webovou aplikaci k monitorování teploty a tlaku stroje v reálném čase.
• Robotika: Interakce s roboty a robotickými systémy, umožňující dálkové ovládání a sběr dat. Představte si ovládání robotického ramene v Japonsku z ovládacího panelu v Kanadě.
• 3D tisk: Ovládání a monitorování 3D tiskáren, což uživatelům umožňuje nahrávat návrhy, sledovat průběh tisku a upravovat nastavení z webového prohlížeče. Uživatel v Itálii by mohl spustit tiskovou úlohu na své 3D tiskárně doma ze své kanceláře.
• IoT zařízení: Připojení a interakce s IoT zařízeními, jako jsou senzory, akční členy a systémy domácí automatizace. Například farmář v Brazílii by mohl monitorovat úroveň vlhkosti půdy a ovládat zavlažovací systémy na dálku pomocí webové aplikace.
• Vzdělávací nástroje: Tvorba interaktivních vzdělávacích nástrojů a experimentů, které zahrnují fyzický hardware, čímž se učení stává poutavějším a praktičtějším. Studenti ve třídě fyziky by mohli použít API ke sběru dat ze senzoru připojeného k kyvadlu.
• Přístupnost: Poskytování alternativních rozhraní pro zařízení, která mohou být pro uživatele s postižením obtížně ovladatelná přímo. Někdo s omezenou pohyblivostí by mohl ovládat zařízení chytré domácnosti prostřednictvím webového rozhraní pomocí systému sledování hlavy.

Alternativy k Web Serial API

Ačkoliv Web Serial API poskytuje pohodlný způsob komunikace se sériovými zařízeními přímo z prohlížeče, existují alternativní přístupy, které mohou být vhodné v závislosti na vašich specifických požadavcích:

• WebUSB API: WebUSB API umožňuje webovým aplikacím komunikovat s USB zařízeními. I když nabízí větší flexibilitu a kontrolu ve srovnání s Web Serial API, vyžaduje také složitější implementaci a nemusí být vhodné pro jednoduché úkoly sériové komunikace.
• Nativní aplikace se sériovými knihovnami: Tradiční desktopové aplikace mohou používat knihovny pro sériovou komunikaci (např. libserialport, pySerial) k interakci se sériovými zařízeními. Tento přístup nabízí největší kontrolu a flexibilitu, ale vyžaduje, aby si uživatelé nainstalovali nativní aplikaci na svůj počítač.
• Rozšíření prohlížeče: Rozšíření prohlížeče mohou poskytnout přístup k sériovým portům a dalším hardwarovým zdrojům. Rozšíření však vyžadují, aby si je uživatelé nainstalovali samostatně, a mohou vyvolávat obavy o bezpečnost.
• Node.js se Serialport: Použití Node.js na backendu poskytuje velmi robustní řešení pro správu zařízení a vytváření bezpečného API pro váš frontend. To poskytuje větší kontrolu a bezpečnost než přímý přístup z prohlížeče v mnoha případech použití.

Řešení běžných problémů

Zde jsou některé běžné problémy, se kterými se můžete setkat při práci s Web Serial API, a jak je řešit:

• Nelze se připojit k sériovému portu:
  • Ujistěte se, že sériový port již není otevřen jinou aplikací.
  • Ověřte, že je v výzvě prohlížeče vybrán správný sériový port.
  • Zkontrolujte, že přenosová rychlost nakonfigurovaná ve vaší webové aplikaci odpovídá přenosové rychlosti sériového zařízení.
  • Ujistěte se, že uživatel udělil povolení webové aplikaci k přístupu k sériovému portu.
• Zkomolená nebo nečitelná data:
  • Ověřte, že přenosové rychlosti jsou správně sladěny.
  • Zkontrolujte schéma kódování dat (např. UTF-8, ASCII).
  • Ujistěte se, že data jsou správně přenášena a přijímána sériovým zařízením.
• Ztráta dat:
  • Zvažte použití mechanismů řízení toku, abyste zabránili ztrátě dat.
  • Zvětšete velikost vyrovnávací paměti pro příjem dat.
  • Optimalizujte logiku zpracování dat, abyste předešli zpožděním.
• Problémy s kompatibilitou prohlížečů:
  • Zkontrolujte kompatibilitu prohlížečů s Web Serial API pomocí Can I use.
  • Použijte detekci funkcí, abyste se ujistili, že je API podporováno prohlížečem, než ho použijete.

Budoucnost Web Serial API

Web Serial API představuje významný krok k překlenutí mezery mezi webem a fyzickým světem. Jak podpora prohlížečů neustále roste a API se vyvíjí, můžeme očekávat, že se objeví ještě více inovativních aplikací, které využívají sílu sériové komunikace v rámci webových aplikací. Tato technologie otevírá dveře novým možnostem v IoT, průmyslové automatizaci, robotice, vzdělávání a mnoha dalších oblastech.

Závěr

Web Serial API umožňuje webovým vývojářům vytvářet aplikace, které přímo interagují se sériovými zařízeními, což odemyká množství možností pro webové ovládání, monitorování a sběr dat. Tento průvodce poskytuje komplexní přehled API, včetně jeho funkcí, bezpečnostních aspektů, praktických příkladů a tipů pro řešení problémů. Porozuměním a využitím Web Serial API můžete vytvářet inovativní a poutavé webové aplikace, které se bezproblémově integrují s fyzickým světem.