Arduino案例实战（卷Ⅲ）/清华开发者书库

本书从构思、设计到实现，深入理解Arduino项目开发！《Arduino案例实战》系统论述了Arduino开源硬件的开发方法和技术。书中以丰富Arduino设计实例，介绍了智能硬件的物联网应用。在处理嵌入式系统的开发过程中，使用Arduino开源平台，将事半功倍，极大提高效率。本书涉及的主题：
(1) 智能控制类开发案例
(2) 人机交互类开发案例
(3) 生活便捷类开发案例
(4) 物联网络类开发案例
(5) 其他创意类开发案例
本书突出的特点：
(6) 典型场景的创新应用
(7) 智能开源的编程实践
(8) 不同领域的经典案例
(9) 多种产品的功能实现
注：本书提供配套学习资源，下载地址为清华大学出版社本书页面。

本书以“大众创业，万众创新”为时代背景，以物联网和智能开源硬件发展为技术背景，总结信息时代的创新模式、创新方法和创新产品。以ConceiveDesignImplementOperate（CDIO）方法为指导，构建创新产品，将北京邮电大学信息工程专业同学的创新产品开发案例进行总结，主要内容有Arduino设计基础及开发案例，包括智能控制类开发案例，生活便捷类开发案例，物联网络类开发案例，人机交互类开发案例和其他创意类开发案例。
本书主要对创新产品的实际开发案例进行描述，包括软件设计流程图、硬件电路图、各种传感器和模块，从功能、使用方法、电路连接和实例程序等方面介绍其使用方法； 综合应用各种技术，提高产品的总体性能和可实现性。本书案例的内容由总到分、先模块后代码，创新思维与实践案例相结合，以满足不同层次人员的需求。同时，本书附有实际项目的硬件设计图和软件实现代码，可供读者自我学习和提高使用。
本书可作为大学信息与通信工程及相关专业的本科生教材，也可以作为智能硬件爱好者的创新手册使用，还可以为创客的需求产生、分析产品、设计生产、实现产品等方面提供帮助。对于从事物联网、创新开发和设计的专业技术人员，也可以作为主要的技术参考书。

作者简介
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向的著作。

目录
前言Ⅰ

第1章Arduino项目设计基础

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 PulseIn(pin,state,timeout)

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章变声器

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章自动浇花机

3.1项目背景

3.2创意描述

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章移动花盆

4.1项目背景

4.2创意描述

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章智能花盆

5.1项目背景

5.2创意描述

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章植物精灵

6.1项目背景

6.2创意描述

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章测温加热杯

7.1项目背景

7.2创意描述

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Audio Visualizer

8.1项目背景

8.2创意描述

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章温湿度环境监测仪

9.1项目背景

9.2创意描述

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章基于体表温度的自动调速风扇

10.1项目背景

10.2创意描述

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章多功能加湿器

11.1项目背景

11.2创意描述

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章基于语音芯片的MP3

12.1项目背景

12.2创意描述

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Virtual Drum Kit（虚拟架子鼓）

13.1项目背景

13.2创意描述

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章智能实物架子鼓

14.1项目背景

14.2创意描述

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章音乐心情助手

15.1项目背景

15.2创意描述

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章基于计算机的模拟架子鼓

16.1项目背景

16.2创意描述

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The Beats音乐游戏

17.1项目背景

17.2创意描述

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

第18章音乐灯

18.1项目背景

18.2创意描述

18.3功能及总体设计

18.3.1功能介绍

18.3.2总体设计

18.3.3模块介绍

18.4产品展示

18.5故障及问题分析

18.6元器件清单

第19章智能门禁刷卡系统

19.1项目背景

19.2创意描述

19.3功能及总体设计

19.3.1功能介绍

19.3.2总体设计

19.3.3模块介绍

19.4产品展示

19.5故障及问题分析

19.6元器件清单

第20章高温预警模拟

20.1项目背景

20.2创意描述

20.3功能及总体设计

20.3.1功能介绍

20.3.2总体设计

20.3.3模块介绍

20.4产品展示

20.5故障及问题分析

20.6元器件清单

参考文献

第5章智能花盆

5.1项目背景
在日常生活中，人们一方面想在家中养些花花草草，让他们在白天能够吸收二氧化碳清新室内空气的同时净化有毒气体； 另一方面因为工作太忙或者经常出差，没空浇水导致花草长势不好甚至枯死，又影响了室内的装饰效果。





本项目设计者为李明正、高原、赵雳欧。

因此，设计一种能实时监测多盆花的土壤温湿度，实现智能浇水的智能花盆，让花卉在人们无暇顾及时也能得到及时的照顾。
5.2创意描述
相比于普通的花盆，首先，它可以通过按键输入阈值(即所养花卉的适宜湿度)，通过实时监控土壤湿度并与阈值作比较来决定是否开启自动浇水以及浇水量； 其次，通过一个程序完成同时控制多个花盆的功能，使养花更方便、更智能。
它的创新点有： 按键输入阈值，方便快捷； 实时监控土壤湿度，浇水量准确，节约水资源，避免过量浇水对花卉的伤害； 同时控制多个花盆，对多个花卉的生长状况一目了然，掌控更方便。
5.3功能及总体设计
本作品主要分为三个部分进行设计： 按键模块、浇水系统以及LCD显示模块。按键部分的主要功能是可以选择花盆手动设置阈值； 浇水系统由水泵、水箱、自制“喷头”、继电器以及电源构成，保证浇水随时待命； LCD显示模块可以在设置过程中显示下一步的选项，实时显示土壤湿度以及空气的温湿度。
5.3.1功能介绍
本项目的智能花盆可以通过手动按键分别设置多盆花卉的适宜土壤湿度，满足同时照顾多盆花卉的需要。通过每十秒对土壤连续十次的湿度采样取均值与阈值比较来判断花卉是否处于缺水状态，进而控制水泵抽水浇水，直至均值达到阈值时停止。同时LCD可以显示空气中的温湿度，也可以让主人根据花卉的生长条件进行相应的操作。
5.3.2总体设计
要实现上述功能，需要将作品分成三个部分来设计： 按键部分、浇水系统以及LCD显示部分。
1. 整体框架图
项目的整体框架，如图51所示。


图51项目整体框架图


其中，4×4按键板、LCD显示屏、DHT11温湿度传感器以及整个浇水系统都连接在Arduino板上，由MK227土壤温湿度传感器控制继电器常开端是否闭合，控制水泵是否工作。
2. 系统流程图
系统流程如图52所示。

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，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。作者试图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，尝试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。本书将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、实现与产品的应用。传统Arduino方面的书籍仅侧重介绍具体硬件开发平台的实现方法，而很少关注具体创新案例的开发及工程教育方法应用。本书则试图面向未来的工业创新与发展，通过CDIO的工程教育方法，以智能开源硬件平台为基础，培养面向工业4.0的创新型人才。
本书的内容和素材，主要来自于作者所在的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，是北京邮电大学信息工程专业的所有同学的成果。通过基于CDIO工程教育方法的实施，同学们创新产品的整个过程得到了实现，不但学到了知识，提高了能力，而且为本书提供了第一手素材和资料。本书的主要内容包括Arduino项目设计基础及开发案例，涉及智能控制类开发案例，生活便捷类开发案例，物联网络类开发案例，人机交互类开发案例和其他创意类开发案例。
书中对于每个案例都从项目背景、创意描述、功能及总体设计、具体电路图、系统流程图、子模块介绍、产品展示、故障及问题分析以及每个案例所用元器件进行详细讲解，使读者可以从不同层面对开发案例进行分析、理解和具体实现。
本书的编写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、北京邮电大学教学综合改革项目的大力支持，在此表示感谢！
同时，也特别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、顾铁玥等研究生同学的大力协助，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，才使得本书得以问世！
本书由北京市教育科学“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，特此表示感谢！

由于作者的水平有限，书中不当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整改措施，以便作者进一步修改和完善。
李永华于北京邮电大学
2017年7月