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本学年的大作业：课程设计 ​

课前小热身(10 min)

给大家提供一个新的Python交互式编程工具：jupyter-lab(安装文档：Installing Jupyter)

注：上述安装教程的文档中，将pip替换为pipx.

安装jupyterlab:

bash
sudo apt install pipx
pipx install jupyterlab

重启终端，使新的环境变量生效。然后启动jupyter-lab:

bash
jupyter-lab

在浏览器中打开网址http://localhost:8888，即可进入jupyter lab的工作界面。

什么是“课程设计”？

课程设计是本科教学中一个系统化的实践教学环节，旨在帮助学生将所学的理论知识应用于实际问题的解决中，从而加深对专业知识的理解，并提高实践能力。

课程设计的教学要求包括以下几个方面：

  1. 理论联系实际：课程设计应注重理论与实践的结合，学生需通过查阅资料、方案设计、实验验证、程序编写等步骤，完成一个完整的项目。
  2. 独立完成任务：学生应独立完成课程设计任务，严禁抄袭，以培养其独立思考和解决问题的能力。
  3. 综合运用知识：课程设计要求学生综合运用所学课程的理论知识，解决实际问题，如《计算机专业课程设计规范》中提到的，学生需“构造正确的解题方法和算法，使用规定的计算机语言设计出求解问题的程序”。
  4. 团队协作：在一些综合课程设计中，学生以小组形式进行合作，如《计算机专业课程设计规范》中提到的“学生4至5人一组，随机选取课题，团队协作开发”。这种形式有助于培养学生的团队协作能力和沟通能力。

注：由于本次课程设计作业的规模较小，学生可以独立完成。

01. 课程设计的作业内容 ​

课程设计的任务目标

基于ROS2的话题通信，利用Python编程语言，设计、开发一个简单的发布-订阅系统，实现如下功能：

  1. 局域网中的某台计算机，作为发布者节点，定期发布本机的系统状态信息（包括信息发布时间、主机名称、CPU使用率、内存使用率、内存总大小、剩余内存）。
  2. 局域网中的其它计算机，作为订阅者节点，接收并在控制台（终端）打印显示这些数据。

02. 业务流程分析 ​

现场引导大家一起思考. 按照时间顺序，整个系统的业务流程可以分为以下几个步骤：

  1. 发布者节点：

    • 定期获取本机的系统状态信息。
    • 将获取到的信息通过ROS2的话题发布出去。

  2. 订阅者节点：

    • 订阅发布者节点发布的话题。
    • 接收到信息后，在控制台（终端）打印显示。

03. 思考“下一步行动” ​

DANGER

我该从哪里开始干？

当前的困境：我没有实现过完整的ROS2发布-订阅系统，所以我没有经验，不知从何下手。

奥卡姆剃刀：如无必须，勿增实体

奥卡姆剃刀是一个哲学原则，强调在面对多个解释时，选择最简单的那个。应用到我们的课程设计中，我们可以从最简单的实现开始，逐步增加复杂性。

下一步行动：

  • 实现一个最小化系统。

    最小化系统可以视作一个“最小可行产品”（MVP），它包含了实现目标所需的最基本功能。

【自上而下的设计】最小化系统的目标是：

  1. 发布者节点：局域网的一台主机A，能够定期发布一条简单的消息。
  2. 订阅者节点：局域网的其它主机X，能够接收并打印这条消息。

【自下而上的设计】最小化系统的目标是：

  1. 本机能够打印一条简单的消息。
  2. 本机能够打印一条更丰富的信息。

    包括时间、主机名、CPU使用率、内存使用率、内存总大小、剩余内存等。

当前的困境

我们应该选择哪条路径来实现最小化系统？

课堂讨论：

  • 分析两条路径所面临的挑战和解决方案；
  • 通过比较，然后选择其中一条最小系统实现路径。

04. 最小化系统的选择路径：自下而上的设计 ​

（1）本机能够打印一条简单的消息

python
# 发布者节点：发布一条简单的消息
print("一条简单的消息")

（2）本机能够打印更丰富的信息

我们的困境：如何才能利用Python获取本机的系统状态信息（包括信息发布时间、主机名称、CPU使用率、内存使用率、内存总大小、剩余内存）？

课堂讨论&AI：上述问题

05. 升级最小化系统：局域网中的发布-订阅系统 ​

课堂讨论&AI：如何将上述代码升级为局域网中的发布-订阅系统？ /docs/.vitepress/dist

注意有两种情况：（1）本机发送、本机接收；（2）本机发送、其它计算机接收.

作业：学生自行完成，并上机实验.