清华开发者书库：Arduino案例实战（卷Ⅳ）

从构思、设计到实现，深入理解Arduino项目开发!

中关村智能硬件产业联盟推荐用书！华为、微软、小米、京东方专家联袂推荐！Arduino原创项目开发案例，可二次开发利用！

本书系统论述了Arduino开源硬件的架构、原理、开发方法及16个完整的项目设计案例。本书共17章，内容包括Arduino设计基础、Free Voice项目设计、WiFi多功能遥控迷宫机器人项目设计、节奏门锁项目设计、激光雕刻机项目设计、手机端压力传感游戏项目设计、极光演奏音乐盒项目设计、智能语音声控音响项目设计、微信测距机器人项目设计、颜色识别自动分拣机项目设计、智能识别浇花系统项目设计、综合监测装置项目设计、WiFi摇摇棒投票器项目设计、探测机器人系统项目设计、教室人员流量监测系统项目设计、可穿戴式智能新风炫彩呼吸罩项目设计和盲文显示器项目设计。
在编排方式上，全书侧重针对创新产品的项目设计过程进行描述，分别从需求、分析、设计与实现等角度论述了硬件电路、软件设计、传感器和功能模块等，并剖析了产品的功能、使用、电气连接和程序代码等。为便于读者高效学习，及时掌握Arduino开发方法，本书配套提供项目设计的硬件电路图和程序代码，可供读者举一反三，二次开发。
本书可作为高校电子信息类专业“开源硬件设计”“电子系统设计”“创新创业”等课程的教材，也可作为创客及智能硬件爱好者的参考用书，还可作为从事物联网、创新开发和设计专业人员的技术参考书。

李永华，现执教于北京邮电大学，拥有超过10年的嵌入式开发经验，致力于物联网和智能硬件的研究开发工作。在教学中以兴趣为导向，激发学生的创造性；以素质为基础，提高自身教学水平；以科研为手段，促进教学理念转变。通过信息工程专业综合改革，探索了以“学生学为中心”的教学模式，营造生动活泼的学习方法，提高学生独立思考问题、发现问题、解决问题的能力，激发学生的创造激情。在研发及教学实践中指导学生实现200余个创新案例，并指导着一支物联网开发团队，曾在物联网、开源硬件等技术领域进行了多场学术报告，并且出版了《AllJoyn技术原理及物联网程序开发指南》《Arduino实战指南——游戏开发、智能硬件、人机交互、智能家居与物联网设计30例》《Arduino软硬件协同设计实战指南》等多部物联网技术方面的著作。

★Arduino在不同领域应用的创新案例总结，是目前针对智能硬件实现的崭新案例。读者可以是初学者，也可以是高级研究和开发人员。作者在Arduino领域的应用开发经验积累和系统总结，都浓缩在这部著作中。
——许亮斌 中海油研究总院技术研发中心首席工程师
★ Arduino开源硬件是嵌入式系统的快速实现平台，《Arduino案例实战》聚焦于当前物联网业界的需求，深入浅出地分享了相关实践。例如，书中有关智能家居、远程控制及游戏开发都是当前物联网的应用热点。书中案例在很多领域中都能够应用，是一部实用的Arduino开发工程专著，无论初学者还是一线应用工程师都会从书中获益。
——陈岭 微软开放技术资深项目经理
★《Arduino案例实战》汇集了作者在物联网领域开发的具体案例，书中详尽讲述了基于Arduino的开发方法和技术。例如，系统架构、硬件设计、软件设计、基于模块的开发、系统集成和应用等。对于从事物联网及嵌入式系统开发的技术人员，具有很好的参考价值。
——吴飞 华为终端有限公司工程师
★ Arduino开源硬件是目前国际上非常流行的嵌入式开发平台，《Arduino案例实战》提供了Arduino在物联网领域的丰富应用，全面论述了Arduino的系统开发方法。本书为读者分享了作者基于Arduino平台而进行的创新实践，可以抛砖引玉，优化用户开发物联网系统的工作，是一本关于Arduino平台的佳作！
——赵君杰 京东方科技集团股份有限公司工程师
★ 物联网系统需要快速进行设计和实现，Arduino就是这样一个非常实用的平台！《Arduino案例实战》的出版恰逢其时，它比较全面地总结了当前物联网应用的热门领域，包括智能安防、智能家居、远程控制、工业控制、移动互联网应用等，总结了Arduino创新实践的应用成果，是一本实用著作，必将成为物联网应用领域的经典读物。
——尹珊 小米科技有限责任公司工程师

目录
第1章Arduino设计基础
1.1开源硬件概述
1.2Arduino开源硬件
1.2.1Arduino开发板
1.2.2Arduino扩展板
1.3Arduino软件开发平台
1.3.1Arduino平台特点
1.3.2Arduino IDE的安装
1.3.3Arduino IDE的使用
1.4Arduino编程语言
1.4.1Arduino编程基础
1.4.2数字I/O口的操作函数
1.4.3模拟I/O口的操作函数
1.4.4高级I/O口的操作函数
1.4.5时间函数
1.4.6中断函数
1.4.7串口通信函数
1.4.8Arduino的库函数
1.5Arduino硬件设计平台
1.5.1Fritzing软件简介
1.5.2Fritzing使用方法
1.5.3Arduino电路设计
1.5.4Arduino样例与编程
第2章Free Voice项目设计
2.1项目背景
2.2创新描述
2.3功能及总体设计
2.3.1功能介绍
2.3.2总体设计
2.3.3模块介绍
2.4产品展示
2.5故障及问题分析
2.6元器件清单
第3章WiFi多功能遥控迷宫机器人项目设计
3.1项目背景
3.2创新描述
3.3功能及总体设计
3.3.1功能介绍
3.3.2总体设计
3.3.3模块介绍
3.4产品展示
3.5故障及问题分析
3.6元器件清单
第4章节奏门锁项目设计
4.1项目背景
4.2创新描述
4.3功能及总体设计
4.3.1功能介绍
4.3.2总体设计
4.3.3模块介绍
4.4产品展示
4.5故障及问题分析
4.6元器件清单
第5章激光雕刻机项目设计
5.1项目背景
5.2创新描述
5.3功能及总体设计
5.3.1功能介绍
5.3.2总体设计
5.3.3模块介绍
5.4产品展示
5.5故障及问题分析
5.6元器件清单
第6章手机端压力传感游戏项目设计
6.1项目背景
6.2创新描述
6.3功能及总体设计
6.3.1功能介绍
6.3.2总体设计
6.3.3模块介绍
6.4产品展示
6.5故障及问题分析
6.6元器件清单
第7章极光演奏音乐盒项目设计
7.1项目背景
7.2创新描述
7.3功能及总体设计
7.3.1功能介绍
7.3.2总体设计
7.3.3模块介绍
7.4产品展示
7.5故障及问题分析
7.6元器件清单
第8章智能语音声控音响项目设计
8.1项目背景
8.2创新描述
8.3功能及总体设计
8.3.1功能介绍
8.3.2总体设计
8.3.3模块介绍
8.4产品展示
8.5故障及问题分析
8.6元器件清单
第9章微信测距机器人项目设计
9.1项目背景
9.2创新描述
9.3功能及总体设计
9.3.1功能介绍
9.3.2总体设计
9.3.3模块介绍
9.4产品展示
9.5故障及问题分析
9.6元器件清单
第10章颜色识别自动分拣机项目设计
10.1项目背景
10.2创新描述
10.3功能及总体设计
10.3.1功能介绍
10.3.2总体设计
10.3.3模块介绍
10.4产品展示
10.5故障及问题分析
10.6元器件清单
第11章智能识别浇花系统项目设计
11.1项目背景
11.2创新描述
11.3功能及总体设计
11.3.1功能介绍
11.3.2总体设计
11.3.3模块介绍
11.4产品展示
11.5故障及问题分析
11.6元器件清单
第12章综合监测装置项目设计
12.1项目背景
12.2创新描述
12.3功能及总体设计
12.3.1功能介绍
12.3.2总体设计
12.3.3模块介绍
12.4产品展示
12.5故障及问题分析
12.6元器件清单
第13章WiFi摇摇棒投票器项目设计
13.1项目背景
13.2创新描述
13.3功能及总体设计
13.3.1功能介绍
13.3.2总体设计
13.3.3模块介绍
13.4产品展示
13.5故障及问题分析
13.6元器件清单
第14章探测机器人系统项目设计
14.1项目背景
14.2创新描述
14.3功能及总体设计
14.3.1功能介绍
14.3.2总体设计
14.3.3模块介绍
14.4产品展示
14.5故障及问题分析
14.6元器件清单
第15章教室人员流量监测系统项目设计
15.1项目背景
15.2创新描述
15.3功能及总体设计
15.3.1功能介绍
15.3.2总体设计
15.3.3模块介绍
15.4产品展示
15.5故障及问题分析
15.6元器件清单
第16章可穿戴式智能新风炫彩呼吸罩项目设计
16.1项目背景
16.2创新描述
16.3功能及总体设计
16.3.1功能介绍
16.3.2总体设计
16.3.3模块介绍
16.4产品展示
16.5故障及问题分析
16.6元器件清单
第17章盲文显示器项目设计
17.1项目背景
17.2创新描述
17.3功能及总体设计
17.3.1功能介绍
17.3.2总体设计
17.3.3模块介绍
17.4产品展示
17.5故障及问题分析
17.6元器件清单
参考文献

　　第3章WiFi多功能遥控迷宫机器人项目设计
　　3.1项目背景
　　本章根据雷鹏、吕善雨的项目设计整理而成。
　　本项目的创意小机器人，可以在迷宫中实现重复循迹前行，第一遍遍历所有路线，第二遍自动进行路线优化，选择一条最优路线到达终点。
　　现实生活中，在山间道路、地形测绘、交通管控中经常需要获取路线并寻找最佳路径。如果能够用机器人实现替代，既可自动工作，也可人工协助控制，更加有效和可靠。为了实现生活中的具体应用，本项目决定用大扭力360°舵机机器人模拟实现，而生活中的复杂路线和地形，用迷宫路线来模拟。
　　因此，本项目的机器人实现了第一遍遍历路径和第二遍优化路线之后，把优化后的路线标识符通过无线模块传输到网络上。在实现迷宫循迹的基础上，增加了通过无线模块来操控机器人的循迹，直至到达终点，拓展了应用范围。
　　3.2创新描述
　　本项目的机器人将循迹解迷宫功能与遥控功能结合在一起。操控者可以通过物联网的简单操作按钮，进行小车机器人的初步操控。遥控功能，不仅可以利用该机器人来进行探知未知区域，还可以将画面实时传输回来，把手机放置在上面，打开视频功能，可以从机器人的视角来进行探险； 机器人的循迹功能，可以识别不同的路口，自行探索某一未知迷宫，最终找到出口，作出姿态调整和路线传回计算机客户端。
　　本项目的应用前景： 可以应用到智能停车场。遥控机器人模拟的是驾驶员驾驶车辆到停车场口的过程，可以把迷宫改为停车场的形状，把终点放在最终要停车的地方，车开到停车场门口之后，小车就会自己循线走到最终要停放的位置。能够应用在山间、洞穴、交通的路线探索和最佳路线的规划中，加上各种功能的传感器，自动探索行进中的各种路线，并记录各种数据，同时给出最优的路线，实时传回终端，必要的时候也可以通过终端控制小车。
　　创新点： 将探知路线、求解最优路线与终端遥控传感、获取远程数据功能有效地结合在一起，能够远程控制不同功能的切换。
　　3.3功能及总体设计
　　本作品主要分为两部分进行设计： 远程无线遥控部分和红外循迹部分。远程无线遥控部分主要是通过WiFi无线模块ESP8266连接手机热点，并与贝壳物联网进行连接，通过贝壳物联网，在手机或者计算机上进行机器人的远程遥控操作、获取对话数据； 红外循迹部分主要是通过机器人自身进行检测、调节，通过机器人底部五个红外循迹模块进行检测，可以实时地调整路线，以达到更好的循迹功能。
　　3.3.1功能介绍
　　远程遥控功能使用贝壳物联网中的智能设备对接，通过设备窗口将机器人与操作界面进行关联，操作界面中有执行（play）、停止（pause）、前进（up）、后退（down）、左转（left）、右转（right）等几个主要操作按钮。而红外循迹模块功能，通过安置在底部的红外循迹传感模块实现，最左边和最右边的传感器主要用来判断路口形状，包括╋字形路口、┳形路口、┫形路口、┓形路口、┣形路口、┏形路口和直行路口。左2和右2的传感器主要进行角度的调整，循迹功能整体遵守的原则是左手原则，即左行大于直行，直行大于右行，没有路径就掉头，最终到达终点。
　　3.3.2总体设计
　　总体设计主要分为两个模块设计和小车框架设计。小车总体框架由1个小车身板、2个舵机、3个车轮组成； 远程无线遥控模块主要用的是ESP8266，将它与Arduino UNO开发板进行连接； 5个红外循迹模块成箭头形，安放在车身前沿； 除此之外，还有Arduino UNO开发板和供电装置，为了方便起见，供电设备使用充电宝。
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　　前言
　　物联网、智能硬件和大数据技术给社会带来了巨大的冲击，个性化、定制化和智能化的硬件设备成为未来的发展趋势。“中国制造2025”计划、德国的“工业4.0”及美国的“工业互联网”都是将人、数据和机器连接起来，其本质是工业的深度信息化，为未来智能社会的发展提供制造技术基础。
　　在“大众创业，万众创新”的时代背景下，人才的培养方法和模式也应该满足当前的时代需求。作者依据当今信息社会的发展趋势，结合Arduino开源硬件的发展及智能硬件的发展要求，采取激励创新的工程教育方法，培养可以适应未来工业4.0发展的人才。因此，试图探索基于创新工程教育的基本方法，并将其提炼为适合我国国情、具有自身特色的创新实践教材。本书对实际教学中应用智能硬件的创新工程教学经验进行总结，包括具体的创新方法和开发案例，希望对教育教学及工业界有所帮助，起到抛砖引玉的作用。
　　本书的内容和素材主要来源于作者所在学校近几年承担的教育部和北京市的教育、教学改革项目和成果，也是北京邮电大学信息工程专业的同学们创新产品的设计成果。书中系统地介绍了如何利用Arduino开发平台进行产品开发，包括相关的设计、实现与产品应用，主要内容包括Arduino设计基础及项目开发案例，涉及智能控制类开发案例、生活便捷类开发案例、物联网类开发案例、人机交互类开发案例及其他创意类开发案例。
　　在编排方式上，全书侧重针对创新产品的项目设计过程进行描述，分别从需求、分析、设计与实现等角度论述了硬件电路、软件设计、传感器和功能模块等，并剖析了产品的功能、使用、电气连接和程序代码等。
　　本书主要由李永华编著。此外，李和禹、陈河泉、陈向梅、张秋彤、李昕烨、张国利也参与了部分内容的编写。同时，感谢林家儒教授的鼎力支持和悉心指导，感谢郑铖、谭扬、黄旭新、顾铁玥、高凡石、陈佳丰等研究生的大力协助，感谢北京邮电大学信息工程专业所有同学，感谢父母妻儿在精神上给予的支持与鼓励，才使此书得以问世！
　　本书获得了北京市教育科学“十二五”规划重点课题（优先关注）——北京市职业教育产教融合专业建设模式研究（ADA15159）资助。本书的编写也得到了教育部电子信息类专业教学指导委员会、信息工程专业国家第一类特色专业建设项目、信息工程专业国家第二类特色专业建设项目、教育部CDIO工程教育模式研究与实践项目、教育部本科教学工程项目、信息工程专业北京市特色专业建设、北京市教育教学改革项目、北京邮电大学教育教学改革项目（2017JY04）的支持。在此一并表示感谢！
　　本书可作为高校电子信息类专业“开源硬件设计”“电子系统设计”“创新创业”等课程的教材，也可作为创客及智能硬件爱好者的参考用书，还可作为从事物联网、创新开发和设计专业人员的技术参考书。为便于读者高效学习，及时掌握Arduino开发方法，本书配套提供项目设计的硬件电路图和程序代码，可供读者举一反三，二次开发。
　　由于作者水平有限，书中不妥及错误之处在所难免，衷心地希望各位读者多提宝贵意见及具体的修改措施，以便再版更正。
　　李永华
　　于北京邮电大学