Windows 10 编程遥控 Ardunio

在物联网（即 IoT）世界里，我们经常需要监听和操作一些开发板，从而在真实的世界里感知某些信息或执行某些动作。Arduino 是一个非常流行的开发板，物美价廉，并基于 Creative Commons 许可开源，创客们可以随意发挥自己的想象空间以进行创意。

基本介绍

通过 Windows 10 设备，无论是电脑，抑或移动设备（如手机），甚至 IoT 设备，都可以通过 USB、蓝牙、Wi-Fi、有线局域网等方式，连接到 Arduino 开发板，以实现以下具体的访问方式。

  • GPIO，包括数字和模拟的读和写，以及监听Pin的回报和修改
  • 通过 I2C 进行数据的发送和接收
  • 通过 Firmata SysEx 定制命令

由于是采用 Windows 通用应用，即 UWP，因此可以使用任何 WinRT 支持的语言，如 C#、C++、JavaScript 等。

我们需要先引用开源的 Windows Remote Arduino 程序集，可以通过 NuGet 添加到我们自己的项目中去。

https://www.nuget.org/packages/Windows-Remote-Arduino

或者也可以通过以下 GitHub地址获取源码。

https://github.com/ms-iot/remote-wiring

该程序集是Windows运行时组件，在实现 Windows 10与Arduino之间通信访问上，将其整体软件架构分为三层。

  • API 层– RemoteWiring
    抽象出来的接口，可用于远程控制器访问 Arduino设备。这是我们的业务代码主要操作的通信层。
  • 协议层 – Firmata
    提供消息信息的传递。
  • 物理通信层 –二进制流
    Windows 设备和Arduino 设备之间的原始数据通信。

之后，我们便可以使用其封装的 RemoteDevice 基类来访问目标设备了。

设置 Arduino 设备

如果希望 Arduino 进行某些定制的操作，我们需要对其进行设置。

首先，我们需要写入 Arduino 的 Firmata。由于 Windows 10 设备变成开发默认支持 Arduino 的 StandardFirmata 实现，因此，我们需要先将该 Sketch 部署到 Arduino 设备中。
我们需要用到 Arduino IDE，因为其包含部署的核心功能以及 StandardFirmata。该 IDE 软件可以在 Arduino 官网中下载，下载地址如下。

https://www.arduino.cc/en/Main/Software

下载后，需要安装到开发计算机中。安装后，该软件的名称显示为 Arduino。

接下来需要使用 USB 将 Arduino 设备与开发计算机连接。我们这里使用一个经过我们自行改造的类似 Uno 的设备进行演示。你可以在网上购买或自行组装一台 Arduino 设备，但可能接下来的部分设置会略有不同，但大体上差不多。

连接后，可以看到设备的红色电源灯 ON 被点亮。

然后运行 Arduino IDE。默认情况下，会初始化一个 Sketch，里面预设了 setup() 函数和 loop() 函数，前者只会运行一次，后者会被不停地调用到。

然后在该软件的 Tools 菜单中，确认你的设备的型号和名字分别出现在 Board 和 Port 子菜单中。

接下来，在菜单中依次选择 File > Examples > Firmata > StandardFirmata 将打开一个新窗口，里面已经包含了该 Sketch。这时，请留意其中 setup() 方法里，有一处关于可配置波特率的设定，默认情况下被设置为 57600 bps，你可以根据你的 Arduino 设备说明书修改为合适的值。

点击 发布 按钮（一个包含向右粗箭头的圆形按钮），将该 Sketch 部署到你的 Arduino 设备当中去。此后，该 Sketch 将一直存在于该设备中，直到下次重新部署时被覆盖。

获取 Arduino 设备信息

如果需要连接到某个指定的设备，首先需要获取设备信息。

在开发计算机中，右键屏幕左下方“开始”按钮，打开 设备管理器，在其中的 Ports (COM & LPT) 分类下，找到你的这个 Arduino 设备。

打开其属性，并进入 详细 选项卡，在属性下拉框中选择 Hardware Ids，下面会显示其 VID 和 PID，前者是厂商代码（即 Vender ID），后者是产品编号（即 Product ID），这些信息将可用于标识你的这台 USB 连接设备。

如果需要用 USB 进行连接，则需要保存这些信息，在之后的过程中，这将会起到作用。

或者，也可以通过其它方式进行连接，并可以存储一下信息。

  • 蓝牙
    需要设定该设备在蓝牙可见中的名称或 ID。
  • Wi-Fi 或有线网络
    需要 IP 地址。

当然，你也可以枚举连接到的所有设备的信息，从而不需要使用诸如 ID 这类信息进行事先绑定。

在 Visual Studio 中创建项目

在 Windows 上开发，我们自然就会用到 Visual Studio 开发环境啦。

打开 Visual Studio 2015 Update 3（或更高版本），创建一个新的 Blank App (Windows Universal) 项目，即用于创建 UWP 的空项目。

由于 UWP 项目支持多种语言编写，本文将以 C# 做为编程语言来叙述。

然后通过 NuGet 安装 Windows-Remote-Arduino 程序集。你可以通过以下命令进行。

1 Install-Package Windows-Remote-Arduino

也可以右键项目文件，选择管理 NuGet 包，然后在 浏览 选项卡中，搜索 Windows-Remote-Arduino 并在列表中找到该程序引用包进行安装。

然后在项目中打开 Package.appxmanifest 配置文件，增加一下代码，以标明该项目希望获取 USB 访问权限。

1 <DeviceCapability Name="serialcommunication">  
2   <Device Id="any">  
3     <Function Type="name:serialPort"/>  
4   </Device>  
5 </DeviceCapability>

以及网络访问权限。

1 <Capability Name="privateNetworkClientServer"/>  
2 <Capability Name="internetClientServer"/>

如果你希望同时还有蓝牙访问权限，可以将以下代码一并加上。

1 <DeviceCapability Name="bluetooth.rfcomm">  
2   <Device Id="any">  
3     <Function Type="name:serialPort"/>  
4   </Device>  
5 </DeviceCapability>

然后，我们将可以开始在项目中实现与 Arduino 设备的连接和通信。

连接与通信

现在，我们来编程实现最基本的连接和通信。打开项目中的 MainPage.xaml.cs 文件，加入以下引用。

using Microsoft.Maker.RemoteWiring;
using Microsoft.Maker.Serial;

在其 MainPage 类的构造函数中，添加以下代码，从而创建一个 USB 设备的引用，之后可以通过这个引用与这个 USB 设备进行通信。我们需要将该 USB 设备的 VID 和 PID 传入进去。

var usb = new USBSerial("VID_2341", "PID_0034");

若需要创建蓝牙设备的引用，可以使用下面的代码。

var bluetooth = new BluetoothSerial("ArduinoUno-D01");

其中的参数是设备在蓝牙发现中的名称或 ID。

同理，还可以使用 NetworkSerial 类来创建网络连接的设备引用，或者使用 DfRobotBleSerial 类来创建低功耗蓝牙设备的引用。

然后为 MainPage 类添加以下 RemoteDevice 类型的属性，用于记录对 Arduino 设备的引用。

private RemoteDevice _Arduino;

当有了这个引用之后，便可以使用下述方法获取该 Arduino 设备的引用，从而实现进一步的访问。

在 MainPage 的构造函数中，加入一下代码，以初始化刚刚添加的 RemoteDevice 属性，从而方便之后对该 Arduino 设备的访问。然后，连接 USB，并传入波特率。

_arduino = new RemoteDevice(usb);
usb.begin(57600); // 需要传入波特率和串行配置选项。

其返回的 RemoteDevice 对象，包含以下重要事件。

  • // 在设备连接成功后触发。
    public event RemoteDeviceConnectionCallback DeviceReady
  • // 在设备连接失败后触发。
    public event RemoteDeviceConnectionCallbackWithMessage DeviceConnectionFailed
  • // 在设备掉线时触发。
    public event RemoteDeviceConnectionCallbackWithMessage DeviceConnectionLost
  • // 在收到数字 Pin 更新时触发。
    public event DigitalPinUpdatedCallback DigitalPinUpdated
  • // 在收到文本消息时触发。
    public event StringMessageReceivedCallback StringMessageReceived
  • // 在收到 SysEx 消息时触发。
    public event SysexMessageReceivedCallback SysexMessageReceived
  • // 在收到模拟 Pin 更新时触发。
    public event AnalogPinUpdatedCallback AnalogPinUpdated

另外，还有许多非常实用的方法，如以下这些。

  • // 对数字 Pin 进行读取。
    public PinMode getPinMode(byte pin_)
    public PinState digitalRead(byte pin_)
  • // 对数字 Pin 进行写入。
    public void pinMode(byte pin_, PinMode mode_)
    public void digitalWrite(byte pin_, PinState state_)
  • // 对模拟 Pin 进行读取。
    public PinMode getPinMode(string analog_pin_)
    public ushort analogRead(string analog_pin_)
  • // 对模拟 Pin 进行写入。
    public void pinMode(string analog_pin_, PinMode mode_)
    public void analogWrite(byte pin_, ushort value_)
  • // 销毁。
    public void Dispose()

另外还有以下属性。

  • // 获取设备信息。
    public HardwareProfile DeviceHardwareProfile { get; }
  • // 获取 I2C 操作对象。
    public TwoWire I2c { get; }

由此，你可以很方便的对所连接的 Arduino 设备进行访问控制。

点亮 LED 灯

掌握了如何通过 Windows 10 与 Arduino 进行连接和通信，我们可以做一些简单的访问控制了。通常，人们在除此了解一门计算机语言或平台时，会写一个 Hello World 的程序来做测试；但在物联网开发中，通常是先尝试着点亮一盏 LED 灯。

在 Uno 上，有一个绿色的 LED 灯 L，它已经被串联在数字 Pin 13 上，因此，我们只需将该 Pin 的模式设置为输出，以及将其值设置为高电压，那么该 LED 就会被点亮。

1 public void Setup()
2 {
3     _arduino.digitalWrite(13, PinState.HIGH);
4     _arduino.pinMode(13, PinMode.OUTPUT);
5 }

然后将这个方法注册在设备连接就绪的事件上。

1 arduino.DeviceReady += Setup;

当运行这个 App 的时候，该 LED 就会亮起。我们来测试一下看看结果。

可以看到，正如我们想想的那样。

另外，我们还可以用导线将 Arduino 与面包板进行连接，从而和更多电子元件进行串连。例如，我们可以按照以下端口进行串联。

  1. Uno 上的 3.3V 电源端口。
  2. 面包板上的一枚 LED 灯泡。
  3. 面包板上的一个电阻。
  4. Uno 上的数字 Pin 6。

现在，我们计划对该面包板上的 LED 等进行控制。

将之前的 Setup() 方法进行如下修改，从而更新数字 Pin 6 的模式和值。

1 public void Setup()
2 {
3     _arduino.pinMode(6, PinMode.OUTPUT);
4     _arduino.digitalWrite(6, PinState.HIGH);
5 }

运行该 App 之后，你会发现该 LED 的确亮了。

接下来，我们还需要对 App 进行一些改进，以支持基本的交互。

添加 App UI

我们现在可以在运行 App 的时候点亮 LED，那么接下来呢？这时，我们需要创建一个 UI 来进行控制该 LED 的开与关。为此我们需要先在 MainPage 类中加入以下成员属性和方法。

  1. 增加一个成员属性，用于记录 LED 是否处于开启状态。
  2. 增加一个成员方法，其会先检测当前 LED 的开关状态，然后根据情况执行熄灭或点亮的操作。

代码如下。

 1 public bool IsOn { get; private set; } = false;
 2 
 3 public void Toggle()
 4 {
 5     if (IsOn)
 6         _arduino.digitalWrite(13, PinState.LOW);
 7     else
 8         _arduino.digitalWrite(13, PinState.HIGH);
 9     IsOn = !IsOn;
10 }

同时更新 Setup() 方法。

  1. 设置该 Pin 模式为输出。
  2. 读取 Pin 值。
  3. 设置 MainPage 类的 IsOn 属性。

代码如下。

 1 private void Setup()
 2 {
 3     _arduino.pinMode(6, PinMode.OUTPUT);
 4     switch (_arduino.digitalRead(_pin))
 5     {
 6          case PinState.HIGH:
 7              IsOn = true;
 8              break;
 9          case PinState.LOW:
10              IsOn = false;
11              break;
12     }
13 }

然后，在界面中添加一个按钮，当按下或点击时，调用 Toggle() 方法。

这个 App 可以在 PC、手机、IoT 设备中运行。

 

注：IoT，即 Internet of Things，中文翻译为 物联网。

文章类型及复杂度：物联网开发入门。

节选翻译自 MSDN 博文 Windows 10 remote Arduino，内容有所调整。

http://blogs.msdn.com/b/kingcean/archive/2016/04/02/windows-remote-arduino.aspx

posted @ 2016-07-05 14:01  Kingcean  阅读(1114)  评论(0)  编辑  收藏  举报