我們每個人在內心深處都懷有一個夢想: 希望創造出一個鮮活的世界，一個宇宙。處在我們生活的中間、被訓練為架構師的那些人，擁有這樣的渴望: 在某一天，在某一個地方，因為某種原因，創造出了一個不可思議的、美麗的、攝人心魄的場所，在那里人們可以漫步，可以夢想，歷經很多世紀綿延不絕. --Christopher Alexander
Scratch是一個游樂場
在我心目中，Scratch便是這樣的一個美麗的場所，孩子們和保持着童真的成年孩子們在其中漫步、游戲以及夢想。Ta們在Scratch這個游樂場中創造並分享着樂趣
Scratch是一個偉大的項目，無論從它最初的願景(在A Networked, Media-Rich Programming Environment to Enhance Technological Fluency at After-School Centers in Economically-Disadvantaged Communities這篇提案中有詳述最初的構想和願景），還是它后來的實現，無論就它的軟件設計，還是項目影響力而言，都堪稱傑作。
如果你對Scratch的前世今生感興趣，可以翻翻我之前的這篇文章:Scratch的前世今生, 當時剛讀完《爆裂》，借助《爆裂》一書提供的線索和借助互聯網，我沿着理念傳承這條線，從雷斯尼克的Scratch追溯到派珀特的Logo語言，之后抵達皮亞傑的認知論（再往前甚至將追溯到洛克的經驗論）
將於今年8月發布的Scratch3.0無疑將延續這個傳統，繼續做出振奮人心的東西。
Scratch是個游樂場，而且是一個設施完善的游樂場，你可以在其中發揮天馬行空的想象力，創造出屬於你的世界。
Scratch是個像素世界
唯一的遺憾是，這個世界以像素的形式出現。當然你可能覺得這哪是什么遺憾，像素世界比身邊這個原子世界廣闊多了。去過四維空間的人，回到三維空間，即便漂浮於太空，外面是浩瀚的星空，仍會覺得逼仄得很，一些人的星辰大海只不過是囚禁另一些人的牢籠。這是一種患有幽閉恐懼症的感受。同樣，如果你在虛擬世界浪盪久了，回到現實中來，可能也會覺得匱乏，飯居然是要一口一口吃的！我明明都已經完整吃了一口了，這個世界甚至都不提供一個for循環積木塊！
但現在是三月，江南的三月，雞鳴寺櫻花盛開的三月，站在雞鳴寺下、玄武湖前的櫻花樹下，無論陰雨還是春風，你都很難不被這個由原子而非像素構成的世界所打動。
雖然這個原子世界的確可能就是像素構成的...anyway，先拋開你的懷疑論，讓我們進入正題。
我們說了這個多科幻的內容，正題並不是你期待的《三體》，這篇文章准備討論的是如何為Scratch3.0構建一個通用的插件系統，讓Scratch3.0能與來自物理世界的硬件打交道
我們准備構建一個通道，連接原子和像素世界
來自物理世界的硬件
物理世界有許多參數，諸如溫度、濕度、磁場、速度、光照強度...以及，你喜歡的姑娘身上特有的香味
這些參數可以被各種各樣的傳感器所捕獲(你身上的紳士風度屬於不可知論范疇，不能被物理參數描述)，一旦你能捕捉到現實世界的各種參數，你就能做出許許多多好玩的東西，諸如，通過捕捉樓道的聲音，你可以做到: 當樓道里有聲響時，把樓道里的燈打開，這樣一來你就做出了聲控燈。可是你不想白天樓道里也亮着燈，怎么辦呢？ 你可以把光照的信息也捕捉了，這樣一來你就可以在光線不足且有人經過的時候才開燈,這樣一來就節約了電力。注意我說的是光線不足就開燈，而不是晚上，為什么呢，因為我們希望光線昏暗的時候，都能為行人提供照明，而不只是晚上，我們通過獲取光線而不是根據晝夜時間來決定是否亮燈。這樣系統可以在大白天里黑雲壓城的時候，也能貼心地為行人亮起燈，這便是所謂的"科技以人為本"
Scratch是個教育項目，如果它能更多地和現實發生關聯，一個孩子在Scratch中創作的作品，能對接到各種硬件，在Ta現實中被使用，這些作品幫助了Ta的父母和鄰居解決生活問題，Ta的學習熱情將將被噼里啪啦點燃。關於這方面的描述，PC之父Alan Curtis Kay和LOGO語言之父Papert都有過精彩論述
我們結下來要做的，就是實現這樣一種架構，在這個架構之下，各種硬件(小車、四軸飛行器、cozmo、microbit、Circuit Playground Express)都能與Scratch3.0交互，而且這個架構將基於消息，利用pub/sub的機制，降低構件的耦合，提高系統健壯性和可重用性
為Scratch3.0設計的插件系統
Make everything as simple as possible, but not simpler
Scratch3.0
Scratch3.0基於html5構建，能輕松支持多平台運行，十分可期，而且帶來了多項有趣的改進。目前的開發版可以在這兒嘗鮮. 對源碼有興趣的小伙伴，想圍觀或者參與，都可以戳這里
社區里不少公司已經用Scratch3.0作出了許多令人驚嘆的東西，Cozmo是其中的佼佼者
Scratch3.0原計划在今年春季正式發布，春天來了，櫻花如期盛開，Scratch3.0卻跳票了，推遲到8月份發布
人面不知何處去，桃花依舊笑春風
Scratch3.0的插件機制
自由有時候是一種負擔
我們的目標是為Scratch3.0做一個插件系統，准確地說是做一個連接Scratch3.0與外圍硬件的插件系統.
Scratch3.0已經有它自己的插件機制。Scratch3.0的插件機制比較簡單，它允許你寫一個自己的插件，這個插件在UI層面表現為自定義的積木塊，你在積木塊中定義好自己的原語(opcode),之后這個積木塊和Scratch中默認的積木塊一樣，可以被用戶拿來拼拼搭搭。用戶拼搭的過程中，積木塊的組合形式也就是程序將語義以json的形式傳到scratch-vm,它們在vm中被解釋運行，至於你在頁面上看到的小貓的運動和聲音，則是scratch-vm中程序的output：output的具體實現是scratch-audio和scratch-render的東西.這些屬於實現細節，跟着官方的插件走一遍就行。
如果你熟悉scratch2和scratchx項目，你會發現，scratch3.0的插件機制和之前相似
從上邊的描述中，我們可以發現，Scratch3.0的插件機制對於你應該如何與外部硬件設備交互，啥都沒說。
在官方的插件機制中，你有極大的自由，因為它無為而治。有時候自由是一種負擔，自由意味着你自己得作出選擇，並承擔所有的風險。
官方的嘗試
說官方對Scratch3.0如何與外部硬件設備交互只字未提，可能會遭到官方的反駁，畢竟他們為樂高的wedo2機器人寫了一個Scratch3.0插件（目前源碼已經基本完成了，只是官方沒有啟用這個插件），通過這個插件，我們可以在Scratch3.0中操控wedo2機器人。這個插件的源碼向你展示了Scratch3.0是如何與硬件交互的，但這個插件也還是緘默多於言說，目前開發文檔幾乎保持空白，Scratch官方似乎在有一種向維特根斯坦的惡意模仿
wedo2的源碼很好讀，寫的也漂亮，雖說樂高贊助了mit media lab一個教授席位，但wedo2的源碼並沒有獲得特殊待遇，而是用了標准的插件機制。如前所述，插件提供了wedo2的編程積木塊，這些積木塊的語義將傳遞到scratch-vm中執行，其中最關鍵的一步是通過socketio將語義傳遞給硬件。當然上邊的說法過於籠統，我跟蹤了這個過程，websocket管道的那端並不是直接連着wedo2機器人，而是連着一個本地插件，這個本地插件接着通過藍牙連接wedo2. 這個本地插件本質上是個代理。
我之前的的blockly4pi和wedo2的設計幾乎一樣，這個項目之后我應該會開源出來，之前在jupyter的架構分析的文章中提到過，如果你有興趣可以翻閱我之前的文章
社區的嘗試
在說我的設計之前，我們來看看社區上已有的方案
目前把Scratch3.0玩得很溜的，國外有Cozmo，而國內有makeblock和kittenbot
我去年長途旅行經過深圳時，和makeblock和kittenbot在Maker Faire上碰過面，兩個團隊都非常優秀
Cozmo
先從Cozmo說起，Cozmo一騎絕塵，從產品、sdk源碼到體驗都驚艷之極。Cozmo的目前只公開了python SDK源碼，從源碼中我們可以看出，Cozmo的server里藏有一個ROS（Robot Operating System），這個ROS應該在它的APP里，這也是它為何如此依賴於APP的原因以及APP如此臃腫的原因。而它的Scratch3.0界面與它的ROS通信，我接下來准備提出的插件架構，本質上是我對Cozmo架構的猜想，因為它的源碼未開放，我暫時沒辦法驗證，但我們可以斷言的是，cozmo的scratch是以消息的方式與硬件交互的（這是ROS系統的核心），這和wedo2很像，實際上在這一類項目目前只有兩種架構風格。大分類下，wedo2和cozmo屬於一類，下邊我們要說的makeblock和kittenbot是另一類
我最近花了1.5個周末讀完《ROS機器人編程實踐》才理解了Cozmo的架構設計（至少在邏輯上），這里邊的很多問題，並不是Scratch圖形化編程的問題，而是ROS的問題，所以至今Cozmo並無對手。毫無疑問，Cozmo對Scratch3.0的應用上也是一騎絕塵的。這讓人想起那句稱贊約翰·麥卡錫的那句話
巨人隨手丟下的鵝軟石都是巨石
mblock
接下來我們說說makeblock對Scratch3.0的應用，這里我們只關心mblock操作程小奔（硬件機器人）相關的部分，AI和DL部分有空再說
插個題外話，mblock中有許多精彩的工作，其中我最喜歡的一個部分是，他們順利做到讓microbit支持多任務(甚至事件)，這個microbit官方目前都還做不到（在python中），實現機制十分精巧，經過逆向分析，我們可以看到具體的代碼實現（實際是用正則做預處理），不過即便不通過逆向分析，我們通過觀察積木塊生成的python代碼，也能猜到預編譯的機制，關於這塊我們之后有空再說
mblock對硬件的操作是通過將scratch3.0積木generate出python代碼來做的，之后將代碼灌入他們的硬件機器人（程小奔）中，也就是說在mblock中，Scratch3.0被當作blockly來使用(典型的blcokly app風格)。此外值得一提的是，mblock中有一個叫做通訊變量的概念，這個概念很有趣，它能把硬件和scratch連通。限於篇幅和我困了，也之后再說
程小奔使用micropython構建，可能是目前最大的micropython項目之一，關於硬件這塊，這里也沒空多說，前頭廢話說了太多，對不起諸位。我們之后找個時間來說說mblock是如何使用esp32板子做出程小奔的，當然很多部分是我的實驗加猜測，畢竟源碼mblock還沒有開放。
mblock和程小奔在工程上都是漂亮的作品，給工程團隊打call！
kittenbot
小喵家的公眾號我一直是關注的，小喵們做了許多geek且有趣的工作。團隊人不多，但做出的東西卻很贊！此處星星眼
kittenbot之前是open source，新的版本似乎沒開放，不過mblock和kittenbot對開源社區都很友好，之后會開放也未可知。
kittenblcok中之前對microbit的操作也是generate成python再灌入的，這點和mblock相似。最近我沒怎么用kittenblcok，不知道最近是不是有調整，等我有空試完再補充。
我的設計
寫到這里都半夜了，只好把這篇文章拆分為二了，有空再來補上我的自己的插件架構設計
在這個設計之上，我們已經作出了一個具體的實現(scratch3.0和microbit的互操作)，准備以軟件包的形式發布(正在制作)，可見我們是吃自己的狗糧的
架構層面主要受ROS和jupyter的影響
我們下篇里見