Frontend Web Serial API: Ein umfassender Leitfaden zur seriellen Gerätekommunikation im Browser

Die Web Serial API eröffnet spannende neue Möglichkeiten für Webanwendungen. Sie ermöglicht es Ihrem im Browser laufenden Frontend-Code, direkt mit seriellen Geräten zu kommunizieren, die an den Computer eines Benutzers angeschlossen sind. Dies war bisher die Domäne nativer Anwendungen, aber jetzt können Sie direkt von Ihrem Webbrowser aus mit Mikrocontrollern, 3D-Druckern, Sensoren und älterer Hardware interagieren. Stellen Sie sich vor, einen Arduino über ein webbasiertes Dashboard zu steuern, Sensordaten in Echtzeit zu überwachen oder über eine moderne Weboberfläche mit einem alten seriellen Drucker zu interagieren. Dieser Leitfaden befasst sich eingehend mit der Web Serial API, untersucht ihre Funktionen und bietet praktische Beispiele für den Einstieg.

Was ist die Web Serial API?

Die Web Serial API ist ein Webstandard, der eine Möglichkeit für Webanwendungen bietet, mit seriellen Geräten zu kommunizieren. Serielle Kommunikation ist eine weit verbreitete Methode zum Datenaustausch zwischen Geräten über eine serielle Schnittstelle. Dies ist besonders häufig bei eingebetteten Systemen, Industrieanlagen und älterer Hardware der Fall. Die API schließt die Lücke zwischen dem Web und der physischen Welt und ermöglicht es Webanwendungen, mit diesen Geräten zu interagieren, ohne dass Browser-Erweiterungen oder native Anwendungen erforderlich sind.

Wichtige Vorteile:

• Direkte Geräteinteraktion: Macht zwischengeschaltete Anwendungen oder Treiber für die grundlegende serielle Kommunikation überflüssig.
• Plattformübergreifende Kompatibilität: Webanwendungen, die die Web Serial API verwenden, können auf jedem Betriebssystem mit einem kompatiblen Browser ausgeführt werden.
• Erhöhte Sicherheit: Die API wurde unter Sicherheitsaspekten entwickelt und erfordert eine ausdrückliche Benutzergenehmigung für den Zugriff auf serielle Schnittstellen.
• Vereinfachte Entwicklung: Bietet eine standardisierte Schnittstelle für die serielle Kommunikation, was den Entwicklungsprozess vereinfacht.

Browser-Unterstützung

Stand Ende 2024 wird die Web Serial API von Chromium-basierten Browsern wie Google Chrome, Microsoft Edge und Opera unterstützt. Die Unterstützung in anderen Browsern wie Firefox und Safari wird geprüft und entwickelt. Es wird empfohlen, die Can I use-Website für die neuesten Informationen zur Browser-Kompatibilität zu besuchen.

Sicherheitsaspekte

Die Web Serial API legt großen Wert auf Sicherheit und den Schutz der Privatsphäre der Benutzer. Hier sind einige wichtige Sicherheitsmaßnahmen:

• Benutzergenehmigung: Der Browser fordert den Benutzer zur Genehmigung auf, bevor einer Webanwendung der Zugriff auf eine serielle Schnittstelle gestattet wird. Der Benutzer hat die Möglichkeit, den Zugriff zu gewähren oder zu verweigern.
• Nur sichere Kontexte: Die API ist nur in sicheren Kontexten (HTTPS) verfügbar. Dies hilft, Man-in-the-Middle-Angriffe zu verhindern und die Datenintegrität zu gewährleisten.
• Eingeschränkter Zugriff: Die API bietet einen kontrollierten Zugriff auf die serielle Schnittstelle, was das Potenzial für böswillige Aktivitäten begrenzt.

Erste Schritte: Ein praktisches Beispiel mit Arduino

Lassen Sie uns ein einfaches Beispiel durchgehen, wie man die Web Serial API zur Kommunikation mit einem Arduino-Board verwendet. Dieses Beispiel zeigt, wie man Daten vom Webbrowser an den Arduino sendet und Daten zurückempfängt.

Voraussetzungen:

• Ein Arduino-Board (z. B. Arduino Uno, Nano oder Mega).
• Arduino IDE auf Ihrem Computer installiert.
• Ein USB-Kabel, um den Arduino mit Ihrem Computer zu verbinden.
• Ein Browser, der die Web Serial API unterstützt (Chrome, Edge, Opera).

Schritt 1: Arduino-Code

Laden Sie zuerst den folgenden Code mit der Arduino IDE auf Ihr Arduino-Board:

            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
              
            
          

Dieser Code initialisiert die serielle Kommunikation mit einer Baudrate von 9600. In der `loop()`-Funktion prüft er, ob Daten an der seriellen Schnittstelle verfügbar sind. Wenn Daten verfügbar sind, liest er die Daten bis zu einem Zeilenumbruchzeichen, entfernt alle führenden oder nachfolgenden Leerzeichen und sendet die empfangenen Daten dann mit dem Präfix "Received: " an die serielle Schnittstelle zurück.

Schritt 2: HTML-Struktur

Erstellen Sie eine HTML-Datei (z. B. `index.html`) mit der folgenden Struktur:

            


 


 
Web Serial API Beispiel
 Mit serieller Schnittstelle verbinden
 

 
 Daten senden
 



            

              
                Copy
              
            
          

Diese HTML-Datei enthält eine Schaltfläche zum Verbinden mit der seriellen Schnittstelle, ein Textfeld zur Anzeige empfangener Daten, ein Eingabefeld zur Eingabe von zu sendenden Daten und eine Schaltfläche zum Senden der Daten. Sie verweist auch auf eine JavaScript-Datei (`script.js`), die den Code für die Web Serial API enthalten wird.

Schritt 3: JavaScript-Code (script.js)

Erstellen Sie eine JavaScript-Datei mit dem Namen `script.js` mit dem folgenden Code:

            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();

 // Auf Daten vom seriellen Gerät lauschen.
 while (true) {
 const { value, done } = await reader.read();
 if (done) {
 // Ermöglichen, dass die serielle Schnittstelle später geschlossen werden kann.
 reader.releaseLock();
 break;
 }
 // value ist ein 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
              
            
          

Dieser JavaScript-Code kümmert sich um die Verbindung zur seriellen Schnittstelle, den Empfang von Daten und das Senden von Daten. Lassen Sie uns den Code aufschlüsseln:

• Elemente abrufen: Es werden Referenzen auf die HTML-Elemente über ihre IDs abgerufen.
• `connectButton`-Klickereignis: Wenn die Schaltfläche „Mit serieller Schnittstelle verbinden“ geklickt wird, geschieht Folgendes:
  • Es ruft `navigator.serial.requestPort()` auf, um den Benutzer zur Auswahl einer seriellen Schnittstelle aufzufordern.
  • Es öffnet die ausgewählte Schnittstelle mit einer Baudrate von 9600.
  • Es deaktiviert die Verbindungsschaltfläche und aktiviert die Senden-Schaltfläche.
  • Es erhält einen Reader und einen Writer für die lesbaren und schreibbaren Streams der Schnittstelle.
  • Es tritt in eine Schleife ein, um kontinuierlich Daten von der seriellen Schnittstelle zu lesen.
  • Es dekodiert die empfangenen Daten (die ein `Uint8Array` sind) mit `TextDecoder` und hängt sie an das `receivedDataTextarea` an.
• `sendButton`-Klickereignis: Wenn die Schaltfläche „Daten senden“ geklickt wird, geschieht Folgendes:
  • Es ruft die Daten aus dem `dataToSendInput`-Eingabefeld ab.
  • Es fügt ein Zeilenumbruchzeichen (`\n`) zu den Daten hinzu. Dies ist wichtig, da der Arduino-Code Daten bis zum Empfang eines Zeilenumbruchzeichens liest.
  • Es kodiert die Daten mit `TextEncoder`, um sie in ein `Uint8Array` umzuwandeln.
  • Es schreibt die kodierten Daten mit `writer.write()` in die serielle Schnittstelle.
  • Es leert das `dataToSendInput`-Eingabefeld.

Schritt 4: Beispiel ausführen

Öffnen Sie die Datei `index.html` in Ihrem Browser. Sie sollten die in der Datei definierten HTML-Elemente sehen.

1. Klicken Sie auf die Schaltfläche „Mit serieller Schnittstelle verbinden“. Ihr Browser wird Sie auffordern, eine serielle Schnittstelle auszuwählen. Wählen Sie die Schnittstelle aus, die mit Ihrem Arduino-Board verbunden ist.
2. Sobald die Verbindung hergestellt ist, wird die Schaltfläche „Mit serieller Schnittstelle verbinden“ deaktiviert und die Schaltfläche „Daten senden“ aktiviert.
3. Geben Sie einen Text in das Eingabefeld ein und klicken Sie auf die Schaltfläche „Daten senden“.
4. Sie sollten den Text „Received: [Ihr Text]“ im Textbereich sehen. Dies zeigt an, dass die Daten erfolgreich vom Browser an den Arduino und dann vom Arduino zurück an den Browser gesendet wurden.

Erweiterte Nutzung und Überlegungen

Baudrate

Die Baudrate ist die Geschwindigkeit, mit der Daten über die serielle Schnittstelle übertragen werden. Es ist entscheidend, dass die in Ihrer Webanwendung konfigurierte Baudrate mit der in Ihrem seriellen Gerät (z. B. Arduino-Code) konfigurierten Baudrate übereinstimmt. Gängige Baudraten sind 9600, 115200 und andere. Nicht übereinstimmende Baudraten führen zu verstümmelten oder unlesbaren Daten.

Datenkodierung

Über die serielle Schnittstelle übertragene Daten werden typischerweise als eine Sequenz von Bytes dargestellt. Die Web Serial API verwendet `Uint8Array`, um diese Bytes darzustellen. Möglicherweise müssen Sie Daten je nach Art der zu übertragenden Daten mit geeigneten Kodierungsschemata (z. B. UTF-8, ASCII) kodieren und dekodieren.

Fehlerbehandlung

Es ist wichtig, eine ordnungsgemäße Fehlerbehandlung in Ihrer Webanwendung zu implementieren, um potenzielle Probleme wie Verbindungsfehler, Datenübertragungsfehler und Geräte-Trennungen zu behandeln. Verwenden Sie `try...catch`-Blöcke, um Ausnahmen abzufangen und dem Benutzer informative Fehlermeldungen bereitzustellen.

Flusskontrolle

Flusskontrollmechanismen (z. B. Hardware-Flusskontrolle, Software-Flusskontrolle) können verwendet werden, um Datenverlust zu verhindern, wenn der Sender Daten schneller überträgt, als der Empfänger sie verarbeiten kann. Die Web Serial API unterstützt die Hardware-Flusskontrolle (CTS/RTS). Überprüfen Sie die spezifischen Anforderungen Ihres seriellen Geräts, um festzustellen, ob eine Flusskontrolle erforderlich ist.

Schließen der Schnittstelle

Es ist wichtig, die serielle Schnittstelle ordnungsgemäß zu schließen, wenn Sie sie nicht mehr verwenden. Dadurch wird die Schnittstelle freigegeben und andere Anwendungen oder Geräte können sie verwenden. Sie können die Schnittstelle mit der Methode `port.close()` schließen.

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

            

              
                Copy
              
            
          

Web Serial API und Bluetooth

Obwohl die Web Serial API selbst keine Bluetooth-Verbindungen direkt handhabt, kann sie in Verbindung mit Bluetooth-Seriell-Adaptern verwendet werden. Diese Adapter fungieren als Brücke, die die Bluetooth-Kommunikation in serielle Kommunikation umwandelt, welche die Web Serial API dann verarbeiten kann. Dies eröffnet Möglichkeiten zur Interaktion mit Bluetooth-fähigen Geräten von Ihrem Webbrowser aus.

Anwendungen in der Praxis

Die Web Serial API hat ein breites Spektrum potenzieller Anwendungen in verschiedenen Branchen und Bereichen:

• Industrielle Automatisierung: Steuern und Überwachen von Industrieanlagen und Maschinen über eine webbasierte Schnittstelle. Zum Beispiel könnte ein Fabrikarbeiter in Deutschland eine Webanwendung nutzen, um die Temperatur und den Druck einer Maschine in Echtzeit zu überwachen.
• Robotik: Interaktion mit Robotern und Robotersystemen, was Fernsteuerung und Datenerfassung ermöglicht. Stellen Sie sich vor, einen Roboterarm in Japan von einem Bedienfeld in Kanada aus zu steuern.
• 3D-Druck: Steuern und Überwachen von 3D-Druckern, sodass Benutzer Entwürfe hochladen, den Druckfortschritt überwachen und Einstellungen von einem Webbrowser aus anpassen können. Ein Benutzer in Italien könnte einen Druckauftrag auf seinem 3D-Drucker zu Hause von seinem Büro aus starten.
• IoT-Geräte: Verbinden und Interagieren mit IoT-Geräten wie Sensoren, Aktoren und Hausautomationssystemen. Zum Beispiel könnte ein Landwirt in Brasilien die Bodenfeuchtigkeit überwachen und Bewässerungssysteme ferngesteuert über eine Webanwendung steuern.
• Bildungswerkzeuge: Erstellen interaktiver Bildungswerkzeuge und Experimente, die physische Hardware einbeziehen und das Lernen ansprechender und praxisorientierter machen. Schüler in einer Physikklasse könnten die API verwenden, um Daten von einem Sensor zu sammeln, der mit einem Pendel verbunden ist.
• Barrierefreiheit: Bereitstellen alternativer Schnittstellen für Geräte, die für Benutzer mit Behinderungen möglicherweise schwer direkt zu bedienen sind. Jemand mit eingeschränkter Mobilität könnte ein Smart-Home-Gerät über eine webbasierte Schnittstelle mit einem Kopf-Tracking-System steuern.

Alternativen zur Web Serial API

Obwohl die Web Serial API eine bequeme Möglichkeit bietet, direkt aus dem Browser mit seriellen Geräten zu kommunizieren, gibt es alternative Ansätze, die je nach Ihren spezifischen Anforderungen geeignet sein können:

• WebUSB API: Die WebUSB API ermöglicht es Webanwendungen, mit USB-Geräten zu kommunizieren. Obwohl sie mehr Flexibilität und Kontrolle als die Web Serial API bietet, erfordert sie auch eine komplexere Implementierung und ist möglicherweise nicht für einfache serielle Kommunikationsaufgaben geeignet.
• Native Anwendungen mit seriellen Bibliotheken: Traditionelle Desktop-Anwendungen können serielle Kommunikationsbibliotheken (z. B. libserialport, pySerial) verwenden, um mit seriellen Geräten zu interagieren. Dieser Ansatz bietet die größte Kontrolle und Flexibilität, erfordert jedoch, dass Benutzer eine native Anwendung auf ihrem Computer installieren.
• Browser-Erweiterungen: Browser-Erweiterungen können den Zugriff auf serielle Schnittstellen und andere Hardwareressourcen ermöglichen. Erweiterungen erfordern jedoch, dass Benutzer sie separat installieren, und sie können Sicherheitsbedenken aufwerfen.
• Node.js mit Serialport: Die Verwendung von Node.js im Backend bietet eine sehr robuste Lösung zur Verwaltung von Geräten und zur Erstellung einer sicheren API für Ihr Frontend. Dies bietet in vielen Anwendungsfällen eine größere Kontrolle und Sicherheit als der direkte Browserzugriff.

Fehlerbehebung bei häufigen Problemen

Hier sind einige häufige Probleme, auf die Sie bei der Arbeit mit der Web Serial API stoßen können, und wie Sie sie beheben können:

• Keine Verbindung zur seriellen Schnittstelle möglich:
  • Stellen Sie sicher, dass die serielle Schnittstelle nicht bereits von einer anderen Anwendung geöffnet ist.
  • Überprüfen Sie, ob in der Browser-Aufforderung die richtige serielle Schnittstelle ausgewählt ist.
  • Prüfen Sie, ob die in Ihrer Webanwendung konfigurierte Baudrate mit der Baudrate des seriellen Geräts übereinstimmt.
  • Stellen Sie sicher, dass der Benutzer der Webanwendung die Berechtigung zum Zugriff auf die serielle Schnittstelle erteilt hat.
• Verstümmelte oder unlesbare Daten:
  • Überprüfen Sie, ob die Baudraten korrekt übereinstimmen.
  • Überprüfen Sie das Datenkodierungsschema (z. B. UTF-8, ASCII).
  • Stellen Sie sicher, dass die Daten vom seriellen Gerät korrekt gesendet und empfangen werden.
• Datenverlust:
  • Erwägen Sie die Verwendung von Flusskontrollmechanismen, um Datenverlust zu verhindern.
  • Erhöhen Sie die Puffergröße für den Datenempfang.
  • Optimieren Sie die Datenverarbeitungslogik, um Verzögerungen zu vermeiden.
• Probleme mit der Browser-Kompatibilität:
  • Überprüfen Sie die Browser-Kompatibilität der Web Serial API mit Can I use.
  • Verwenden Sie die Funktionserkennung, um sicherzustellen, dass die API vom Browser unterstützt wird, bevor Sie sie verwenden.

Die Zukunft der Web Serial API

Die Web Serial API stellt einen bedeutenden Schritt dar, um die Lücke zwischen dem Web und der physischen Welt zu schließen. Da die Browser-Unterstützung weiter wächst und sich die API weiterentwickelt, können wir erwarten, dass noch mehr innovative Anwendungen entstehen, die die Leistungsfähigkeit der seriellen Kommunikation in Webanwendungen nutzen. Diese Technologie öffnet Türen zu neuen Möglichkeiten in den Bereichen IoT, industrielle Automatisierung, Robotik, Bildung und vielen anderen Bereichen.

Fazit

Die Web Serial API ermöglicht es Webentwicklern, Anwendungen zu erstellen, die direkt mit seriellen Geräten interagieren, und eröffnet eine Fülle von Möglichkeiten für webbasierte Steuerung, Überwachung und Datenerfassung. Dieser Leitfaden bietet einen umfassenden Überblick über die API, einschließlich ihrer Funktionen, Sicherheitsaspekte, praktischen Beispiele und Tipps zur Fehlerbehebung. Durch das Verständnis und die Nutzung der Web Serial API können Sie innovative und ansprechende Webanwendungen erstellen, die sich nahtlos in die physische Welt integrieren.