【ROS2学习笔记】话题通信篇：话题通信项目实践——系统状态监测与可视化工具

前言

本系列博文是本人的学习笔记，自用为主，不是教程，学习请移步其他大佬的相关教程。主要学习途径为@鱼香ROS大佬的教程，欢迎各位大佬交流学习，若有错误，轻喷。

一、项目背景与准备

需制作系统状态监测与可视化工具 ，结合 ROS2 话题通信、Python（获取并发布系统信息）、C++/Qt（订阅并界面显示）实现。首先创建工作空间：在 chapt3 目录下执行：

mkdir -p chapt3/topic_practice_ws/src
cd chapt3/topic_practice_ws
colcon build  # 初始化工作空间

二、步骤 1：自定义通信接口（消息类型）

ROS2 内置接口无法满足 "系统状态（CPU、内存、网络等）传输" 需求，需自定义消息接口。

1. 创建接口功能包

在 topic_practice_ws/src 目录下执行：

ros2 pkg create status_interfaces --build-type ament_cmake --dependencies rosidl_default_generators builtin_interfaces --license Apache-2.0

• --build-type ament_cmake：指定构建类型（适合 C++ 及接口生成）。
• --dependencies：依赖 rosidl_default_generators（将自定义消息转为 C++/Python 代码）、builtin_interfaces（内置接口，如时间类型）。

2. 编写消息定义文件

在 status_interfaces 功能包下创建 msg 目录，新建 SystemStatus.msg，内容如下：

builtin_interfaces/Time stamp  # 记录时间戳
string host_name               # 系统名称
float32 cpu_percent            # CPU 使用率
float32 memory_percent         # 内存使用率
float32 memory_total           # 内存总量
float32 memory_available       # 剩余有效内存
float64 net_sent               # 网络发送数据总量
float64 net_recv               # 网络接收数据总量

• 语法：类似 C++ 变量定义（类型 名称 # 注释）。
• 基础类型：ROS2 还支持 bool、byte、char、int8/uint8 等 9 种基础类型。

3. 注册消息文件（修改 CMakeLists.txt）

在 status_interfaces/CMakeLists.txt 中添加：

# 查找依赖
find_package(ament_cmake REQUIRED)
find_package(rosidl_default_generators REQUIRED)
find_package(builtin_interfaces REQUIRED)

# 声明消息接口文件，并指定依赖
rosidl_generate_interfaces(${PROJECT_NAME}
  "msg/SystemStatus.msg"
  DEPENDENCIES builtin_interfaces
)

ament_package()

4. 声明接口包（修改 package.xml）

在 status_interfaces/package.xml 中添加：

<license>Apache-2.0</license>
<member_of_group>rosidl_interface_packages</member_of_group>
<buildtool_depend>ament_cmake</buildtool_depend>

• <member_of_group>：声明为 "消息接口功能包"，让 ROS2 特殊处理。

5. 构建与验证接口

• 构建：在工作空间根目录执行 colcon build --packages-select status_interfaces。
• 生效环境：source install/setup.bash。
• 验证：执行 ros2 interface show status_interfaces/msg/SystemStatus，若输出消息结构（时间戳、各字段），则接口创建成功。

三、步骤 2：系统信息获取与发布（Python 节点）

创建 Python 节点，通过 psutil 获取系统 CPU、内存、网络信息，再通过话题发布。

1. 创建发布者功能包

在 topic_practice_ws/src 目录下执行：

ros2 pkg create status_publisher --build-type ament_python --dependencies rclpy status_interfaces --license Apache-2.0

• --build-type ament_python：指定为 Python 类型功能包。
• --dependencies：依赖 rclpy（Python 的 ROS2 客户端库）、status_interfaces（自定义接口）。

2. 编写发布节点代码

在 status_publisher/status_publisher/ 下新建 sys_status_pub.py，代码如下：

import rclpy
from rclpy.node import Node
from status_interfaces.msg import SystemStatus  # 导入自定义消息
import psutil  # 系统信息获取库
import platform

class SysStatusPub(Node):
    def __init__(self, node_name):
        super().__init__(node_name)
        # 创建发布者：话题名 sys_status，队列大小 10
        self.status_publisher_ = self.create_publisher(SystemStatus, 'sys_status', 10)
        # 创建定时器：1 秒调用一次 timer_callback
        self.timer = self.create_timer(1, self.timer_callback)

    def timer_callback(self):
        # 获取系统信息
        cpu_percent = psutil.cpu_percent()
        memory_info = psutil.virtual_memory()
        net_io_counters = psutil.net_io_counters()

        # 构造 SystemStatus 消息
        msg = SystemStatus()
        msg.stamp = self.get_clock().now().to_msg()  # 当前时间转成消息时间戳
        msg.host_name = platform.node()  # 主机名
        msg.cpu_percent = cpu_percent
        msg.memory_percent = memory_info.percent
        msg.memory_total = memory_info.total / 1024 / 1024  # 字节转 MB
        msg.memory_available = memory_info.available / 1024 / 1024
        msg.net_sent = net_io_counters.bytes_sent / 1024 / 1024
        msg.net_recv = net_io_counters.bytes_recv / 1024 / 1024

        self.get_logger().info(f'发布:{str(msg)}')  # 日志输出
        self.status_publisher_.publish(msg)  # 发布消息

def main():
    rclpy.init()  # 初始化 rclpy
    node = SysStatusPub('sys_status_pub')
    rclpy.spin(node)  # 循环运行节点（等待回调）
    rclpy.shutdown()  # 关闭 rclpy

if __name__ == '__main__':
    main()

在 ROS2 的 ament_python 类型包 中，setup.py 的 entry_points 是核心配置：它负责告诉 ROS2：

1. 节点命令名 （比如 sys_status_pub，用于 ros2 run 调用）；
2. 对应的 Python 文件 （比如 status_publisher/sys_status_pub.py）；
3. 文件中的入口函数 （比如 main 函数）。

默认用 ros2 pkg create 生成的 setup.py 中，entry_points 是空的（如下），必须手动补充：

# 默认生成的空entry_points（无法识别节点）
entry_points={
    'console_scripts': [
    ],
},

3. 运行发布节点

• 构建：在工作空间根目录执行 colcon build --packages-select status_publisher。
• 生效环境：source install/setup.bash。
• 运行：ros2 run status_publisher sys_status_pub。
• 验证：新开终端，执行 ros2 topic echo /sys_status，若看到系统信息持续输出，说明发布成功。

四、步骤 3：Qt 界面显示（C++ 节点）

用 Qt 创建界面，订阅 /sys_status 话题并显示系统状态。

1. 创建显示功能包

在 topic_practice_ws/src 目录下执行：

ros2 pkg create status_display --build-type ament_cmake --dependencies rclcpp status_interfaces --license Apache-2.0

• 依赖 rclcpp（C++ 的 ROS2 客户端库）、status_interfaces（自定义接口）。

2. 简单 Qt 界面测试（hello_qt）

在 status_display/src 下新建 hello_qt.cpp，代码如下：

#include <QApplication>
#include <QLabel>
#include <QString>

int main(int argc, char* argv[]) {
    QApplication app(argc, argv);  // Qt 应用对象
    QLabel* label = new QLabel();  // 文本标签组件
    QString message = QString::fromStdString("Hello Qt!");  // 字符串转换
    label->setText(message);  // 设置显示文本
    label->show();  // 显示组件
    return app.exec();  // Qt 事件循环（阻塞，处理界面事件）
}

3. 配置 CMakeLists.txt（hello_qt）

在 status_display/CMakeLists.txt 中添加：

cmake_minimum_required(VERSION 3.8)

project(status_display)

find_package(status_interfaces REQUIRED)
find_package(Qt5 REQUIRED COMPONENTS Widgets)  # 查找 Qt 的 Widgets 组件

# 生成可执行文件 hello_qt
add_executable(hello_qt src/hello_qt.cpp)
# 链接 Qt 的 Widgets 库
target_link_libraries(hello_qt Qt5::Widgets)

install(TARGETS hello_qt
  DESTINATION lib/${PROJECT_NAME})

ament_package()

4. 运行 hello_qt

• 构建：colcon build --packages-select status_display。
• 生效环境：source install/setup.bash。
• 运行：ros2 run status_display hello_qt，会看到显示 "Hello Qt!" 的小窗口。

5. 订阅话题并显示系统状态

在 status_display/src 下新建 sys_status_display.cpp，代码分两部分：

（1）类定义与消息转换

#include <QApplication>
#include <QLabel>
#include <QString>
#include "rclcpp/rclcpp.hpp"
#include "status_interfaces/msg/system_status.hpp"  // 自定义消息头文件

// 为自定义消息起别名，简化代码
using SystemStatus = status_interfaces::msg::SystemStatus;

class SysStatusDisplay : public rclcpp::Node {
public:
    SysStatusDisplay() : Node("sys_status_display") {
        // 创建订阅者：话题 sys_status，队列 10，Lambda 回调更新界面
        subscription_ = this->create_subscription<SystemStatus>(
            "sys_status", 10, 
            [this](const SystemStatus::SharedPtr msg) {
                label_->setText(get_qstr_from_msg(msg));
            });

        // 初始化标签（先显示空消息结构）
        label_ = new QLabel(get_qstr_from_msg(std::make_shared<SystemStatus>()));
        label_->show();
    }

    // 从 SystemStatus 消息转成 QString（格式化显示）
    QString get_qstr_from_msg(const SystemStatus::SharedPtr msg) {
        std::stringstream show_str;
        show_str << "=============系统状态可视化工具=============\n"
                 << "数据时间:\t" << msg->stamp.sec << "\t\n"
                 << "主机名:\t" << msg->host_name << "\t\n"
                 << "CPU 使用率:\t" << msg->cpu_percent << "%\t\n"
                 << "内存使用率:\t" << msg->memory_percent << "%\t\n"
                 << "内存总大小:\t" << msg->memory_total << " MB\t\n"
                 << "剩余有效内存:\t" << msg->memory_available << " MB\t\n"
                 << "网络发送量:\t" << msg->net_sent << " MB\t\n"
                 << "网络接收量:\t" << msg->net_recv << " MB\t\n"
                 << "============================================";
        return QString::fromStdString(show_str.str());
    }

private:
    rclcpp::Subscription<SystemStatus>::SharedPtr subscription_;  // 订阅者对象
    QLabel* label_;  // 标签组件
};

（2）主函数（处理 ROS2 与 Qt 事件循环）

int main(int argc, char* argv[]) {
    rclcpp::init(argc, argv);  // ROS2 初始化
    QApplication app(argc, argv);  // Qt 应用初始化

    // 创建显示节点
    auto node = std::make_shared<SysStatusDisplay>();

    // 多线程处理：ROS2 的 spin 放单独线程，避免阻塞 Qt 事件循环
    std::thread spin_thread([node]() { rclcpp::spin(node); });
    spin_thread.detach();  // 后台运行线程

    int result = app.exec();  // Qt 事件循环（处理界面更新）

    rclcpp::shutdown();  // 关闭 ROS2
    return result;
}

6. 配置 CMakeLists.txt（sys_status_display）

在 status_display/CMakeLists.txt 中添加：

# 生成 sys_status_display 可执行文件
add_executable(sys_status_display src/sys_status_display.cpp)

# 链接 Qt Widgets 库
target_link_libraries(sys_status_display Qt5::Widgets)

# 为 ROS2 节点添加依赖
ament_target_dependencies(sys_status_display rclcpp status_interfaces)

# 安装可执行文件
install(TARGETS 
  hello_qt
  sys_status_display
  DESTINATION lib/${PROJECT_NAME})

7. 运行显示节点

• 构建：colcon build --packages-select status_display。
• 生效环境：source install/setup.bash。
• 启动流程：
  1. 先启动发布节点 ：ros2 run status_publisher sys_status_pub。
  2. 再启动显示节点 ：ros2 run status_display sys_status_display，界面会实时显示系统状态数据。

五、整体流程回顾

1. 自定义接口 ：创建 status_interfaces 包，定义 SystemStatus 消息，生成跨语言接口代码。
2. 发布系统信息 ：创建 status_publisher 包（Python），用 psutil 采集信息，通过 /sys_status 话题发布。
3. 订阅并显示 ：创建 status_display 包（C++/Qt），订阅 /sys_status 话题，用 Qt 界面实时展示系统状态。

每个环节核心是功能包创建、代码编写、CMake/package 配置、构建与运行，多实践即可熟悉 ROS2 开发流程