2022寒假在家练——基于树莓派RP2040实现推箱子小游戏

内容介绍

项目介绍：使用Thonny IDE连接RP2040 Game Kit，基于MicroPython语言实现了一款经典的推箱子小游戏，将地图上所有箱子推到指定的标记点处即为游戏成功。
硬件介绍：本项目使用树莓派Pico核心芯片RP2040。板卡正面由一个240*240分辨率的彩色IPS LCD、一个四向摇杆、两个轻触按键构成。此外，板卡上还有SPI接口、一个三轴姿态传感器MMA7660用做输入控制、一个红外接收管 + 一个红外发射管、双排16Pin连接器，有SPI、I2C以及2路模拟信号输入。片内温度传感器、并支持外部4路模拟信号输入，内部ADC采样率高达500Ksps、12位精度，支持MicroPython、C、C++编程。
项目设计思路：
- 文字说明：
  - 程序开始运行，出现初始界面，显示项目名称及游戏方法，并提示用户按下A键触发游戏。
  - 用户按下A键开始游戏，出现初始地图。初始地图中静态部分有板墙、通道及标记点位置，动态部分有箱子和小人。
  - 用户使用摇杆控制小人方向。这里以“上”为例，其它三个方向（下、左、右）同理。（设目前所处位置坐标为（x,y））
    - 若所处位置上方(x,y-1)为板墙：则返回，小人停留在目前的位置不变。
    - 若所处位置上方(x,y-1)为箱子：
      - 若所处位置上方两格(x,y-2)为板墙或另一个箱子：返回，小人停留在目前的位置不变
      - 否则，小人纵坐标-1（变为（x,y-1）），小人正上方的箱子纵坐标-1（变为(x,y-2)），当前位置（x,y）变为初始地图静态部分规定的样子（通道或标记点）。
    - 若以上两种情况都不是，则直接将小人纵坐标位置-1，当前位置（x,y）变为初始地图静态部分规定的样子（通道或标记点）。
  - 判断两个箱子所在的位置是否与标记点位置一致
    - 一致：游戏成功，显示成功字样
    - 不一致：继续游戏，用户继续使用摇杆控制
  - 若用户需要游戏中断重来：按B键，则游戏界面回复初始地图样式。
- 流程图说明：

代码片段说明：

设置引脚，A键和B键均为输入端口，会使电平升高。

xAxis = ADC(Pin(28))
yAxis = ADC(Pin(29))
buttonB = Pin(5,Pin.IN, Pin.PULL_UP) 
buttonA = Pin(6,Pin.IN, Pin.PULL_UP)
led = Pin(4, Pin.OUT)

背景音乐数据，使用贪吃蛇背景音乐中的一个。

song = '0 A5 2 26 0.6299212574958801;2 B5 2 26 0.6299212574958801;4 C6 6 26 0.6299212574958801;10 B5 2 26 0.6299212574958801;12 C6 4 26 0.6299212574958801;16 E6 4 26 0.6299212574958801;20 B5 8 26 0.6299212574958801;32 E5 4 26 0.6299212574958801;36 A5 6 26 0.6299212574958801;42 G5 2 26 0.6299212574958801;44 A5 4 26 0.6299212574958801;48 C6 4 26 0.6299212574958801;52 G5 8 26 0.6299212574958801;64 F5 2 26 0.6299212574958801;66 E5 2 26 0.6299212574958801;68 F5 6 26 0.6299212574958801;74 E5 2 26 0.6299212574958801;76 F5 4 26 0.6299212574958801;80 C6 4 26 0.6299212574958801;84 E5 8 26 0.6299212574958801;94 C6 2 26 0.6299212574958801;96 C6 2 26 0.6299212574958801;98 C6 2 26 0.6299212574958801;100 B5 6 26 0.6299212574958801;106 F#5 2 26 0.6299212574958801;108 F#5 4 26 0.6299212574958801;112 B5 4 26 0.6299212574958801;116 B5 8 26 0.6299212574958801;128 A5 2 26 0.6299212574958801;130 B5 2 26 0.6299212574958801;132 C6 6 26 0.6299212574958801;138 B5 2 26 0.6299212574958801;140 C6 4 26 0.6299212574958801;144 E6 4 26 0.6299212574958801;148 B5 8 26 0.6299212574958801;160 E5 2 26 0.6299212574958801;162 E5 2 26 0.6299212574958801;164 A5 6 26 0.6299212574958801;170 G5 2 26 0.6299212574958801;172 A5 4 26 0.6299212574958801;176 C6 4 26 0.6299212574958801;180 G5 8 26 0.6299212574958801;192 E5 4 26 0.6299212574958801;196 F5 4 26 0.6299212574958801;200 C6 2 26 0.6299212574958801;202 B5 2 26 0.6299212574958801;204 B5 4 26 0.6299212574958801;208 C6 4 26 0.6299212574958801;212 D6 4 26 0.6299212574958801;216 E6 2 26 0.6299212574958801;218 C6 2 26 0.6299212574958801;220 C6 8 26 0.6299212574958801;228 C6 2 26 0.6299212574958801;230 B5 2 26 0.6299212574958801;232 A5 4 26 0.6299212574958801;236 B5 4 26 0.6299212574958801;240 G#5 4 26 0.6299212574958801;244 A5 11 26 0.6299212574958801;256 C6 2 26 0.6299212574958801;258 D6 2 26 0.6299212574958801;260 E6 6 26 0.6299212574958801;266 D6 2 26 0.6299212574958801;268 E6 4 26 0.6299212574958801;272 G6 4 26 0.6299212574958801;276 D6 8 26 0.6299212574958801;288 G5 2 26 0.6299212574958801;290 G5 2 26 0.6299212574958801;292 C6 6 26 0.6299212574958801;298 B5 2 26 0.6299212574958801;300 C6 4 26 0.6299212574958801;304 E6 4 26 0.6299212574958801;308 E6 11 26 0.6299212574958801;324 A5 2 26 0.6299212574958801;326 B5 2 26 0.6299212574958801;328 C6 4 26 0.6299212574958801;332 B5 2 26 0.6299212574958801;334 C6 2 26 0.6299212574958801;336 D6 4 26 0.6299212574958801;340 C6 6 26 0.6299212574958801;346 G5 2 26 0.6299212574958801;348 G5 8 26 0.6299212574958801;356 F6 4 26 0.6299212574958801;360 E6 4 26 0.6299212574958801;364 D6 4 26 0.6299212574958801;368 C6 4 26 0.6299212574958801;372 E6 15 26 0.6299212574958801;388 E6 11 26 0.6299212574958801;400 E6 4 26 0.6299212574958801;404 A6 8 26 0.6299212574958801;412 G6 8 26 0.6299212574958801;420 E6 4 26 0.6299212574958801;424 D6 2 26 0.6299212574958801;426 C6 2 26 0.6299212574958801;428 C6 8 26 0.6299212574958801;436 D6 4 26 0.6299212574958801;440 C6 2 26 0.6299212574958801;442 D6 2 26 0.6299212574958801;444 D6 4 26 0.6299212574958801;448 G6 4 26 0.6299212574958801;452 E6 11 26 0.6299212574958801;464 E6 4 26 0.6299212574958801;468 A6 8 26 0.6299212574958801;476 G6 8 26 0.6299212574958801;484 E6 4 26 0.6299212574958801;488 D6 2 26 0.6299212574958801;490 C6 2 26 0.6299212574958801;492 C6 8 26 0.6299212574958801;500 D6 4 26 0.6299212574958801;504 C6 2 26 0.6299212574958801;506 D6 2 26 0.6299212574958801;508 D6 4 26 0.6299212574958801;512 B5 4 26 0.6299212574958801;516 A5 11 26 0.6299212574958801;528 A5 2 26 0.6299212574958801;530 B5 2 26 0.6299212574958801;532 C6 6 26 0.6299212574958801;538 B5 2 26 0.6299212574958801;540 C6 4 26 0.6299212574958801;544 E6 4 26 0.6299212574958801;548 B5 8 26 0.6299212574958801;560 E5 4 26 0.6299212574958801;564 A5 6 26 0.6299212574958801;570 G5 2 26 0.6299212574958801;572 A5 4 26 0.6299212574958801;576 C6 4 26 0.6299212574958801;580 G5 8 26 0.6299212574958801;592 F5 2 26 0.6299212574958801;594 E5 2 26 0.6299212574958801;596 F5 6 26 0.6299212574958801;602 E5 2 26 0.6299212574958801;604 F5 4 26 0.6299212574958801;608 C6 4 26 0.6299212574958801;612 E5 8 26 0.6299212574958801;622 C6 2 26 0.6299212574958801;624 C6 2 26 0.6299212574958801;626 C6 2 26 0.6299212574958801;628 B5 6 26 0.6299212574958801;634 F#5 2 26 0.6299212574958801;636 F#5 4 26 0.6299212574958801;640 B5 4 26 0.6299212574958801;644 B5 8 26 0.6299212574958801;656 A5 2 26 0.6299212574958801;658 B5 2 26 0.6299212574958801;660 C6 6 26 0.6299212574958801;666 B5 2 26 0.6299212574958801;668 C6 4 26 0.6299212574958801;672 E6 4 26 0.6299212574958801;676 B5 8 26 0.6299212574958801;688 E5 2 26 0.6299212574958801;690 E5 2 26 0.6299212574958801;692 A5 6 26 0.6299212574958801;698 G5 2 26 0.6299212574958801;700 A5 4 26 0.6299212574958801;704 C6 4 26 0.6299212574958801;708 G5 8 26 0.6299212574958801;720 E5 4 26 0.6299212574958801;724 F5 4 26 0.6299212574958801;728 C6 2 26 0.6299212574958801;730 B5 2 26 0.6299212574958801;732 B5 4 26 0.6299212574958801;736 C6 4 26 0.6299212574958801;740 D6 4 26 0.6299212574958801;744 E6 2 26 0.6299212574958801;746 C6 2 26 0.6299212574958801;748 C6 8 26 0.6299212574958801;756 C6 2 26 0.6299212574958801;758 B5 2 26 0.6299212574958801;760 A5 4 26 0.6299212574958801;764 B5 4 26 0.6299212574958801;768 G#5 4 26 0.6299212574958801;772 A5 11 26 0.6299212574958801'

作图颜色样式设定。板墙设置为白色，小人设置为浅蓝色，箱子设置为蓝色（其上有黄色图案），标记点设置为红色，整个游戏的背景设置为紫色。

class color_cfg: #颜色设定
    wall = st7789.WHITE
    box = st7789.YELLOW
    blue = st7789.BLUE
    man = st7789.CYAN
    sym = st7789.RED
    background = st7789.color565(128, 0, 128)

def outtextxy(x, y, c, color): #作图
    global pen_color
    hardware.tft.text(font3, c, x*16, y*16, pen_color, color)

def setcolor(c): #设置作图颜色
    global pen_color
    pen_color = c

初始化屏幕驱动

初始化

class hardware(): #初始化屏幕驱动
    def init():
        # screen
        st7789_res = 0
        st7789_dc  = 1
        spi_sck=machine.Pin(2)
        spi_tx=machine.Pin(3)
        spi = machine.SPI(0,baudrate=4000000, phase=1, polarity=1, sck=spi_sck, mosi=spi_tx)
        tft = st7789.ST7789(
            spi,
            240,
            240,
            reset=machine.Pin(st7789_res, machine.Pin.OUT),
            dc=machine.Pin(st7789_dc, machine.Pin.OUT),
            #xstart=0,
            #ystart=0,
            rotation=0)

        tft.fill(color_cfg.background)
        tft.fill_rect(0, 232, 240, 8, color_cfg.blue)

        hardware.tft = tft

静态地图设置。静态地图即不随用户输入电平而改变的部分，在本游戏中为板墙、通道和标记点。用户每操作一次摇杆，地图都需按照此静态地图的初始设置重新绘制。
```
#将地图绘制为一个凸字形
m = [
    0,0,0,0,-1,-1,-1,-1,
    0,1,3,0,0,0,0,0,
    0,1,1,1,1,1,1,0,
    0,1,1,1,1,1,1,0,
    0,1,1,3,1,1,1,0,
    0,1,1,1,1,1,1,0,
    0,1,1,0,0,0,0,0,
    0,0,0,0,-1,-1,-1,-1,]
```

游戏主体部分

绘制地图。此函数用于绘制初始地图，且用户每操作一次摇杆，地图都需依赖此函数重新绘制。

class game():
    ma = []
    d = 0
    x = 1
    y = 1
    mySong = music(song, pins=[Pin(23)])
    
    def draw(self): #根据上述设置绘制地图
        for i in range(8):
            for n in range(8):
                if self.ma[n*8+i] == 0:  #绘制板墙
                    setcolor(color_cfg.wall)
                    outtextxy(i+1, n+1, '0',color_cfg.wall)
                if self.ma[n*8+i] == 1:  #绘制通道
                    setcolor(color_cfg.background)
                    outtextxy(i+1, n+1, '0',color_cfg.background)
                if self.ma[n*8+i] == 2:  #绘制箱子，放到m中设置的初始位置
                    setcolor(color_cfg.box)
                    outtextxy(i+1, n+1, 'b',color_cfg.blue)
                if self.ma[n*8+i] == 3:  #绘制终点
                    setcolor(color_cfg.sym)
                    outtextxy(i+1, n+1, 'o',color_cfg.background)
                if self.ma[n*8+i] == 4:  #绘制人，初始位置为（1，1）
                    setcolor(color_cfg.background)
                    outtextxy(i+1, n+1, 'm',color_cfg.man)

初始界面设置。第一行使用头文件中设置好的font2从屏幕的第2列起显示游戏名称，第3-5行从第1列起显示游戏的玩法指南，第6行从第2列起提示用户游戏的触发机制。

    def title(self): #初始界面
        hardware.tft.text(font2, 'BOXMAN', 2*16, 1*32, color_cfg.wall, color_cfg.background) #标题
        hardware.tft.text(font1, 'Note:', 1*16, 3*32, color_cfg.wall, color_cfg.background) #游戏说明
        hardware.tft.text(font1, 'Push boxes to the red flag,', 1*16, 4*32, color_cfg.wall, color_cfg.background)
        hardware.tft.text(font1, 'and then you win the game.', 1*16, 5*32, color_cfg.wall, color_cfg.background)
        hardware.tft.text(font1, 'START:buttonA on the right', 2*16, 6*32, color_cfg.wall, color_cfg.background)

初始化游戏数据。相比于上面设置好的静态地图，此处增加了动态部分——箱子、小人。箱子的位置根据矩阵设置，小人的初始位置设定为地图的左上角。此处的地图才是游戏开始时在界面上真正显示的地图。

    def init_run(self): #初始化游戏数据
        self.ma = [
        0,0,0,0,-1,-1,-1,-1,
        0,1,3,0,0,0,0,0,
        0,1,1,1,1,1,1,0,
        0,1,2,1,1,0,1,0,
        0,1,1,3,1,0,1,0,
        0,1,1,1,1,2,1,0,
        0,1,1,0,0,0,0,0,
        0,0,0,0,-1,-1,-1,-1,]
        self.d = 0 #移动方向标记，上1下3，左2右4
         #人所在初始位置为（1，1）
        self.x = 1
        self.y = 1
        self.ma[self.y*8+self.x] = 4
        self.draw() #显示游戏画面

游戏主进程。首先设置通过按键A触发游戏开始的机制，然后进入游戏的主循环。这是一个死循环，保障游戏一直运行。主循环中调用了判断行动方向、根据行动方向修改地图数据、根据新的地图数据重新绘制地图、判断游戏胜利四个主要函数。

    async def process(self): #游戏主进程
        bgm = asyncio.create_task(self.bgm_process()) #播放音乐（此处使用实例贪吃蛇的音乐）
        self.title() #显示标题界面
        while True:
            buttonValueA = buttonA.value() 
            if buttonValueA == 0: #按下A键时进入游戏
                hardware.init()
                self.init_run()
                print('go')
                
                while True: #游戏主循环
                    self.d = 0
                    self.dir_select() #判断小人行动方向
                    self.run() #根据移动修改地图数据
                    self.draw() #重绘地图
                    self.judge() #判断游戏胜利
                    await self.blink() #led灯闪烁

判断行动方向。通过x和y方向数值的感知判断用户操作的方向，并将每个行动方向标记为一个数字，便于之后程序的编写。

    def dir_select(self):
        xValue = xAxis.read_u16()
        yValue = yAxis.read_u16()
        buttonValueB = buttonB.value()
        
        #摇杆方向感知
        if xValue <1000: #上，d标记为1
            self.d = 1
        elif xValue >40000: #下，d标记为3
            self.d = 3
    
        if yValue <1000: #左，d标记为4
            self.d = 4
        elif yValue >40000: #右，d标记为2
            self.d = 2
        if buttonValueB == 0: #按B键，游戏重新开始
            self.init_run()

根据行动方向修改地图数据，具体算法与上述“项目设计思路”中所写相同。分别按照上述算法写好四个方向的代码即可。

    def run(self):
        if self.d == 1: #上
            if self.ma[(self.y-1)*8 + self.x] == 0:
                return
            elif self.ma[(self.y-1)*8 + self.x] == 2:
                if self.ma[(self.y-2)*8 + self.x] == 0 or self.ma[(self.y-2)*8 + self.x] == 2:
                    return
                else:
                    self.ma[(self.y-2)*8 + self.x] = 2
                    self.ma[(self.y-1)*8 + self.x] = 4
                    self.ma[self.y*8 + self.x] = m[self.y*8 + self.x]
                    self.y = self.y - 1
            else:
                self.ma[(self.y-1)*8 + self.x] = 4
                self.ma[self.y*8 + self.x] = m[self.y*8 + self.x]
                self.y = self.y - 1
        elif self.d == 3: #下
            if self.ma[(self.y+1)*8 + self.x] == 0:
                return
            elif self.ma[(self.y+1)*8 + self.x] == 2:
                if self.ma[(self.y+2)*8 + self.x] == 0 or self.ma[(self.y+2)*8 + self.x] == 2:
                    return
                else:
                    self.ma[(self.y+2)*8 + self.x] = 2
                    self.ma[(self.y+1)*8 + self.x] = 4
                    self.ma[self.y*8 + self.x] = m[self.y*8 + self.x]
                    self.y = self.y + 1
            else:
                self.ma[(self.y+1)*8 + self.x] = 4
                self.ma[self.y*8 + self.x] = m[self.y*8 + self.x]
                self.y = self.y + 1
        elif self.d == 4: #左
            if self.ma[self.y*8 + self.x-1] == 0:
                return
            elif self.ma[self.y*8 + self.x-1] == 2:
                if self.ma[self.y*8 + self.x-2] == 0 or self.ma[self.y*8 + self.x-2] == 2:
                    return
                else:
                    self.ma[self.y*8 + self.x-2] = 2
                    self.ma[self.y*8 + self.x-1] = 4
                    self.ma[self.y*8 + self.x] = m[self.y*8 + self.x]
                    self.x = self.x - 1
            else:
                self.ma[self.y*8 + self.x-1] = 4
                self.ma[self.y*8 + self.x] = m[self.y*8 + self.x]
                self.x = self.x - 1
        elif self.d == 2: #右
            if self.ma[self.y*8 + self.x+1] == 0:
                return
            elif self.ma[self.y*8 + self.x+1] == 2:
                if self.ma[self.y*8 + self.x+2] == 0 or self.ma[self.y*8 + self.x+2] == 2:
                    return
                else:
                    self.ma[self.y*8 + self.x+2] = 2
                    self.ma[self.y*8 + self.x+1] = 4
                    self.ma[self.y*8 + self.x] = m[self.y*8 + self.x]
                    self.x = self.x + 1
            else:
                self.ma[self.y*8 + self.x+1] = 4
                self.ma[self.y*8 + self.x] = m[self.y*8 + self.x]
                self.x = self.x + 1

判断是否胜利

    def judge(self):
        if self.ma[1*8+2] == 2 and self.ma[4*8+3] == 2:  #根据终点（sym）所在位置计算游戏是否胜利
            self.win()

胜利后出现文字与灯的设定

    def win(self):
        hardware.tft.text(font1, 'Win!Press B to RESTART!', 2*16, 6*32, color_cfg.wall, color_cfg.background)
        
    async def blink(self):
        led.value(1)
        await asyncio.sleep_ms(50)
        led.value(0)
        await asyncio.sleep_ms(50)

播放背景音乐

    async def bgm_process(self):
        while True:
            self.mySong.tick()
            await asyncio.sleep(0.04)

项目主函数调用上面所写函数，运行游戏。

def main():
    hardware.init()
    s = game()
    asyncio.run(s.process())
                
main()

实现的功能及成果展示
- 初始界面
  - 最上面一行为游戏名称，而后为游戏指南，最后为触发游戏机制提醒。
- 初始地图
  - 动态+静态。
- 游戏成功
  - 两个箱子均被移动到了标记点位置上。
- 成功后重置游戏
  - 游戏返回初始地图位置。
主要难题及解决方法
- 问题：起初想要使用python库直接使用python实现游戏编程，遇到树莓派默认关闭SSH的问题，尝试打开SSL但没有成功。
  
  解决：选择直接使用电子森林中已有的库文件进行编程
- 问题：地图过大产生溢出
  
  解决：缩小地图，使用8×8大小即可
- 问题：给出的贪吃蛇程序中，st7789c程序没有给出，导致贪吃蛇程序无法正常运行，继而无法根据贪吃蛇程序进行修改
  
  解决：不使用st7789c，直接使用文件st7789中的函数进行初始化即可
- 问题：课程中使用Online Sequencer网站生成音乐序列，在实际操作过程中，网站的加载速度非常慢，无法生成音乐序列
  
  解决：直接使用贪吃蛇程序中已经给出的音乐序列即可