Pi4J Applikationen mit JavaFX-basiertem GUI

Dieses Template Projekt wird für die Programmierausbildung an der Fachhochschule Nordwestschweiz (FHNW) eingesetzt.

Natürlich ist es auch für Programmierprojekte ausserhalb der FHNW geeignet. Einige Beschreibungen sind jedoch FHNW-spezifisch.

Eigenes Repository anlegen

Sie sollten für Ihr Programmier-Projekt auf keinen Fall direkt auf diesem Repository arbeiten. Stattdessen sollten Sie ein eigenes Repository anlegen, entweder unter Ihrem FHNW GitLab- oder GitHub-Account und dieses Template-Respository als "Quelle" importieren.

FHNW GitLab

Auf Ihrem GitLab-Account via

New Project -> Import Project -> Repo by URL

das Formular ausfüllen, mit Git repository URL :

https://github.com/DieterHolz/RaspPiFX-Template-Project.git

GitHub

Use this template-Button dieses Repositories verwenden.

Raspberry Pi vorbereiten

Verwenden Sie das vom Pi4J-Team vorbereitete CrowPi-Image.

• Download CrowPi Image
• zip-File auspacken, mit Raspberry Pi Imager eine SD-Card bespielen und damit den Raspberry Pi starten

Das CrowPi-Image enthält bereits alle notwendige Installationen für JavaFX/Pi4J-Applikationen.

Installationen auf dem Entwickler-Laptop

• Java 17. Im CrowPi-Image ist JDK17 installiert. Daher verwenden wir diesen JDK auch auf dem Laptop. Hinweis für Mac-Benutzer: Die Verwendung von SDKMAN (s.u.) für die Installation und die Verwaltung von JDKs ist sehr empfehlenswert.

• IntelliJ IDEA 2021.3. Es ist wichtig, diese neueste Version zu verwenden. Am besten via JetBrains Toolbox installieren. Empfehlenswert ist die Verwendung der Ultimate Edition. Studierende erhalten, nach Anmeldung, eine kostenlose Lizenz. Registrieren Sie sich unter https://www.jetbrains.com/student/ mit Ihrer FHNW E-Mail-Adresse. Für die Community-Edition benötigt man keine Lizenz.

• Git. Als Sourcecode-Repository verwenden wir git.

• GitLab oder GitHub-Account. Verwenden Sie ihren FHNW Gitlab oder GitHub Account.

• ssh. Die Verbindung zum Raspberry Pi wird mit ssh hergestellt. Ist normalerweise auf allen Laptops vorinstalliert.

• VNC Viewer. Ermöglicht ein komfortables Arbeiten auf dem Raspberry Pi vom Laptop aus. Dadurch spart man sich das Anschliessen von Monitor, Tastatur und Maus direkt am Raspberry Pi.

Empfehlung zur Installation des JDK für MacOS (und Linux)

Für MacOs und Linux gibt es ein sehr empfehlenswertes Tool zur Verwaltung unterschiedlicher Software Development Kits: SDKMAN

Insbesondere wenn, wie üblich, mehrere Java JDKs verwendet werden, hilft SDKMAN.

Installation von SDKMAN

Folgenden Befehl in einem Terminal eingeben:

export SDKMAN_DIR="$HOME/sdkman" && curl -s "https://get.sdkman.io" | bash

Falls Sie SDKMAN bereits früher installiert haben, müssen Sie SDKMAN auf den neuesten Stand bringen:

sdk update

Installation des JDK

In einem neuen Terminal-Window diesen Befehl eingeben:

sdk install java 17.0.1-tem

Danach liegt der JDK in ihrer Home-Directory im Folder sdkman/candidates/java. Von dort können Sie es dann in IntelliJ als neues SDK anlegen und im Projekt verwenden.

Mit:

sdk ls java

können Sie sich auflisten lassen, welche anderen JDKs zur Installation zur Verfügung stehen.

Java Version überprüfen

In einem Terminal-Window eingeben

java -version

Das sollte diese Ausgabe erzeugen

openjdk version "17.0.1" 2021-10-19
OpenJDK Runtime Environment Temurin-17.0.1+12 (build 17.0.1+12)
OpenJDK 64-Bit Server VM Temurin-17.0.1+12 (build 17.0.1+12, mixed mode, sharing)

Falls das nicht der Fall ist, muss der Default-JDK umgestellt werden. Mit SDKMAN geht das einfach:

sdk default java 17.0.1-tem

Verbindung zum Raspberry Pi herstellen

Der Laptop und der Raspberry Pi müssen das gleiche WLAN verwenden.

Eine einfache Variante, dies sicherzustellen, ist das Aufsetzen eines Hotspots auf einem Smartphone, idealerweise mit diesen Parametern:

• ssid: Pi4J-Spot
• password: MayTheSourceBeWithYou!

Auf diesen Hotspot connected sich der RaspPi mit dem CrowPi-Image automatisch und zeigt die IP-Nummer im Hintergrundbild an.

Den Laptop ebenfalls mit dem Pi4J-Spot verbinden.

Verbindung via SSH

In einem Terminal-Window des Laptops:

ssh pi@<ip.number>
Passwort: 'crowpi'

z.B.

ssh [email protected]
Passwort: 'crowpi'

Verbindung via VNC

Mit derselben IP-Nummer kann auch via VNC auf den RaspPi zugegriffen werden. Man erhält auf dem Laptop ein Fenster, das den kompletten Desktop des Raspberry Pis anzeigt.

Das Ganze sieht dann so aus (mit der gestarteten ExampleApp)

Build System

Dieses Projekt verwendet Maven, um die Applikationen zu bauen und entweder lokal auf dem Laptop oder auf dem Raspberry Pi auszuführen.

Die Artefakte werden dabei auf dem Laptop gebaut, anschliessend auf den Raspberry Pi kopiert und dort gestartet. Die Entwicklung direkt auf dem Raspberry Pi ist zwar ebenfalls möglich, wird aber nicht empfohlen. Besser ist es, die Applikation auf dem Laptop zu entwickeln und sie auf dem Raspberry Pi lediglich ausführen zu lassen.

Dazu müssen nur wenige Konfigurationen verändert werden.

Einstellungen im pom.xml

• launcher.class (required): gibt an, welche Applikation gestartet werden soll. Im pom.xml ist bereits eine Liste von Kandidaten enthalten. Man muss nur bei der jeweils gewünschte Applikation die Kommentare entfernen.
• pi.ipnumber (optional): Die aktuelle IP-Nummer des Raspberry Pi, z.B. 192.168.1.2, wird für SCP/SSH benötigt.

Mit diesen Einstellungen kann die Applikation mittels Maven-Befehl auf dem Raspberry Pi gestartet werden. Besser ist es jedoch, die Run-Konfigurationen von IntelliJ zu verwenden.

Einstellungen in den Run-Konfigurationen

Im Projekt sind insgesamt vier Run-Konfigurationen vordefiniert, zwei zum Starten der Applikation, zwei zum Debuggen der Applikation auf dem RaspPi.

• Run Local startet das Programm, das in launcher.class eingestellt wurde, auf dem Laptop. Wird vor allem während der GUI-Entwicklung gebraucht (also noch ohne die Verwendung von an den Raspberry Pi angeschlossenen Sensoren und Aktuatoren).
• Run on Pi startet das Programm auf dem Raspberry Pi.
• Debug on Pi startet das Programm auf dem Raspberry Pi im Debug-Modus.
• Attach to Pi Debugger verbindet die IDE des Laptops mit dem via Debug on Pi gestarteten Programm.

In Run on Pi und Debug on Pi muss die IP-Adresse des RaspPi eingestellt werden. Dazu Edit Configurations wählen.

Für beide Run Konfigurationen unter Properties die pi.ipnumber auf die IP-Adresse des RaspPis setzen.

Falls der RaspPi als einziger im ausgewählten WLAN angemeldet ist, kann anstatt der IP-Nummer auch crowpi.local eingetragen werden.

Analog in Attach to Pi Debugger unter Host ebenfalls die IP-Nummer des RaspPis eintragen.

Die enthaltenen Beispiel-Programme

HelloFX

Dient ausschliesslich der Überprüfung der JavaFX-Basis-Installation. Auf keinen Fall als Vorlage für die eigenen JavaFX-Applikationen verwenden.

Zum Starten:

• launcher.class im pom.xml auswählen
  • <launcher.class>com.pi4j.mvc/com.pi4j.setup.HelloFX</launcher.class>
• mit Run local auf dem Laptop starten
• mit Run on Pi auf dem RaspPi starten

Sobald der JavaFX-Setup überprüft ist, kann HelloFX gelöscht werden.

Wiring

Die beiden anderen Beispielprogramme verwenden eine LED und einen Button. Diese müssen folgendermassen verdrahtet werden:

MinimalPi4J

Ist eine reine Pi4J-Applikation ohne GUI. Auch sie dient ausschliesslich der Überprüfung des Setups.

Zum Starten:

• launcher.class im pom.xml auswählen
  • <launcher.class>com.pi4j.mvc/com.pi4j.setup.MinimalPi4J</launcher.class>
• Run local macht für dieses Beispiel keinen Sinn. An den Laptop sind weder Button noch LED angeschlossen
• mit Run on Pi auf dem RaspPi starten

Wenn der Button gedrückt wird, wird eine entsprechende Meldung auf dem Bildschirm ausgegeben.

Sobald der Pi4J-Setup überprüft ist, kann MinimalPi4J gelöscht werden.

TemplateApp

Sie zeigt das Zusammenspiel eines JavaFX-basiertes Graphical-User-Interfaces (GUI) mit an den RaspPi angeschlossenen Sensoren und Aktuatoren, dem Physical-User-Interface (PUI).

Es dient als Vorlage für Ihre eigene Applikation. Das umfasst auch die enthaltenen TestCases.

Sie sollten zunächst das Beispiel kennenlernen und verstehen. Für Ihre eigene Applikation sollten Sie anschliessend die `TemplateApp kopieren und entsprechend abändern, ohne dabei die Grundregeln des MVC-Konzepts zu verletzen (s.u.).

Zum Starten:

• launcher.class im pom.xml auswählen
  • <launcher.class>com.pi4j.mvc/com.pi4j.mvc.templateapp.AppStarter</launcher.class>
• mit Run local (oder direkt aus der IDE heraus) auf dem Laptop starten. Sinnvoll für die GUI-Entwicklung. Das PUI steht auf dem Laptop nicht zur Verfügung. Das GUI kann jedoch weitgehend ohne Einsatz des RaspPis entwickelt werden
  • in AppStarter kann zusätzlich noch ein rudimentärer PuiEmulator gestartet werden, so dass das Zusammenspiel zwischen GUI und PUI auch auf dem Laptop überprüft werden kann.
• mit Run on Pi auf dem RaspPi starten (jetzt natürlich inklusive PUI)

TemplatePUIApp

Das MVC-Konzept sollte auch für Applikationen ohne GUI verwendet werden.

Falls Sie eine reine PUI-Applikation entwickeln oder erst später ein GUI hinzufügen wollen, sollten Sie die TemplatePUIApp als Vorlage nehmen.

Zum Starten:

• launcher.class im pom.xml auswählen
  • <launcher.class>com.pi4j.mvc/com.pi4j.mvc.templatepuiapp.AppStarter</launcher.class>
• Run local ist bei reinen PUI-Applikationen nicht sinnvoll
• mit Run on Pi auf dem RaspPi starten

Applikation im Debugger starten

Zum Starten einer Applikation auf dem RaspPi im Debug-Mode werden die beiden Run-Konfigurationen Debug on Pi und Attach to Pi Debugger benötigt.

Wichtig dabei ist die Reihenfolge, mit der die Konfigurationen gestartet werden:

1. Start von Debug on Pi via des Run-Knopfs
2. Warten bis die Konsolenausgabe meldet Listening for transport dt_socket at address: 5005 (Attach debugger)
3. Starten von Attach to Pi Debugger mit dem Debug-Knopf
4. Erst danach erscheint das GUI auf dem RaspPi-Bildschirm

Nun können Sie wie gewohnt den Debugger von IntelliJ IDEA verwenden und beispielsweise Breakpoints setzen oder das Programm schrittweise ausführen.

Das MVC-Konzept

Beim klassischen Model-View-Controller-Konzept sind neben der Starter-Klasse mindestens 3 Klassen beteiligt. Das Zusammenspiel dieser Klassen ist klar geregelt:

• Model Klassen

  • enthalten den gesamten zu visualisierenden Zustand. Wir nennen diese Klassen daher Presentation-Model
  • sind komplett unabhängig von Controller und View

• Controller Klassen

  • stellen die gesamte Funktionalität, die sogenannten Actions, in Form von Methoden zur Verfügung
  • verwalten die Model-Klassen gemäss der zugrundeliegenden Business-Logik
  • haben keinen Zugriff auf die View-Klassen

• View Klassen

  • rufen ausschliesslich Methoden auf dem Controller auf, sie "triggern Actions"
  • werden vom Model über Zustandsänderungen notifiziert
    • observieren den Status des Models
  • ändern das Model nie direkt

• Starter Klasse. Ist eine Subklasse von javafx.application.Application. Instanziiert die drei anderen Klassen und startet die Applikation.

In unserem Fall gibt es mindestens zwei View-Klassen

• GUI Klasse. Das Graphical-User-Interface. JavaFX-basierte Implementierung des auf dem Bildschirm angezeigten UIs.
• PUI Klasse. Das Physical-User-Interface. Pi4J-basierte Implementierung der Sensoren und Aktuatoren. Verwendet Component-Klassen, wie Sie sie aus dem CrowPi-Tutorial kennen.

GUI und PUI sind komplett voneinander getrennt, z.B. hat der GUI-Button zum Anschalten der LED keinen direkten Zugriff auf die LED-Component des PUIs. Stattdessen triggert der GUI-Button lediglich eine entsprechende Action im Controller, der wiederum die on-Property im Model auf den neuen Wert setzt. In einem separaten Schritt reagiert die LED-Component des PUIs auf diese Wertänderung und schaltet die LED an- bzw. aus.

GUI und PUI arbeiten mit dem identischen Controller und damit auch mit dem identischen Model.

Es ist wichtig, dass Sie dieses Konzept verstehen und für Ihr Projekt anwenden können. Gehen Sie bei Fragen auf die Fachcoaches oder OOP-Dozierenden zu.

Jede Benutzer-Interaktion durchläuft im MVC-Konzept den immer gleichen Kreislauf:

Projector Pattern

Unsere View-Klassen, also GUI und PUI, setzen das von Prof. Dierk König veröffentlichte Projector Pattern um.

Die grundlegenden Aufgaben von GUI und PUI sind gleich. Auf Code-Ebene ist dies erkennbar: sie implementieren das gemeinsames Interface Projector, können also auf die gleiche Weise verwendet werden.

Weitere Konsequenzen

• Es können weitere UIs hinzugefügt werden, ohne dass es Code-Änderungen bei den bestehenden Klassen (ausser der Starter-Klasse) nach sich zieht.
  • Ein Beispiel dafür ist der PuiEmulator, der bei Bedarf zusätzlich gestartet werden kann.
• Diese Architektur ist auch geeignet für
  • reine GUI-Applikationen und
  • reine PUI-Applikationen (siehe TemplatePUIApp).

Implementierung des MVC-Konzepts

Die Basis-Klassen, die für die Implementierung des MVC-Konzepts notwendig sind, sind im Package com.pi4j.mvc.util.mvcbase. Die Klassen sind im Code ausführlich dokumentiert.

MultiControllerApp

Ein etwas fortgeschritteneres Beispiel ist die MultiControllerApp. Sie zeigt den Einsatz und die Notwendigkeit von mehreren Controllern in einer Applikation.

Für einen einzelnen Controller gilt:

• jede Action wird asynchron und reihenfolgetreu ausgeführt
• dafür hat jeder Controller eine eigene ConcurrentTaskQueue integriert
• das UI wird dadurch während der Ausführung einer Action nicht blockiert
• falls vom UI weitere Actions getriggert während eine Action gerade in Bearbeitung ist, werden diese in der ConcurrentTaskQueue aufgesammelt und ausgeführt, sobald die vorherigen Actions abgearbeitet sind.

Für einfache Applikationen reicht ein einzelner Controller meist aus.

Es gibt aber Situationen, bei denen Actions ausgeführt werden sollen, während eine andere Action noch läuft.

Die MultiControllerApp zeigt so ein Beispiel. Es soll möglich sein, den Counter zu verändern während die LED blinkt .

• Mit einem einzigen Controller ist das nicht umsetzbar. Der Controller würde beispielsweise die 'Decrease-Action' erst ausführen, nachdem die 'Blink-Action' abgeschlossen ist.
• Bei zwei Controllern ist es jedoch einfach: LedController und CounterController haben jeder eine ConcurrentTaskQueue. Actions, die die LED betreffen, werden also unabhängig von den Actions, die den Counter verändern, ausgeführt.
• Es sollte zusätzlich ein ApplicationController implementiert werden, der die anderen Controller koordiniert und das für das UI sichtbare API zur Verfügung stellt.

Zum Starten:

• launcher.class im pom.xml auswählen
  • <launcher.class>com.pi4j.mvc/com.pi4j.mvc.multicontrollerapp.AppStarter</launcher.class>
• mit Run local (oder direkt aus der IDE heraus) auf dem Laptop starten.
  • in AppStarter kann zusätzlich noch ein rudimentärer PuiEmulator gestartet werden, so dass das Zusammenspiel zwischen GUI und PUI auch auf dem Laptop überprüft werden kann.
• mit Run on Pi auf dem RaspPi starten

Junit Tests

Durch die klare Trennung in Model, View und Controller können grosse Teile der Applikation mittels einfachen JUnit-Tests automatisiert getestet werden. Diese Tests werden in der Regel auf dem Laptop, also nicht auf dem RaspPi, ausgeführt.

Controller Tests

Der Controller implementiert die gesamte zur Verfügung stehende Grund-Funktionalität. Er sollte mit ausführlichen TestCases automatisch überprüft werden.

Dabei gilt es zu beachten, dass der Controller alle Veränderungen auf dem Model asynchron ausführt. Eine Überprüfung der Resultate ist also erst möglich, wenn die asynchrone Task beendet ist.

Ein Beispiel sehen Sie in ExampleControllerTest.

Presentation-Model Tests

Das Model ist lediglich eine Ansammlung von ObservableValues und bietet darüber hinaus keine weitere Funktionalität. Daher sind normalerweise auch keine weiteren TestCases notwendig.

Tests für einzelne PUI-Components

Die einzelnen PUI-Components können sehr gut via der in Pi4J integrierten MockPlatform getestet werden. Diese Tests werden auf dem Laptop ausgeführt. Ein RaspPi ist nicht notwendig.

Beispiele für solche Component-Test sehen Sie im CrowPi-Tutorial und in diesem Projekt im Package com.pi4j.mvc.templateapp.view.pui.components.

PUI Tests

Das PUI ihrer Applikation kann ebenfalls gut mittels JUnit getestet werden.

Auch hier müssen die Test berücksichtigen, dass die Actions asynchron ausgeführt werden.

Ein Beispiel ist ExamplePUITest.

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