Arduino案例实战(卷1)

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，总结信息时代创新模式、创新方法和创新产品。以CDIO（Conceive Design Implement operate）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，其基本内容包括Arduino设计基础和22个案例，主要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。
本书主要针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自我提高使用。
本书可作为高等院校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，本书也可以作为主要的技术参考书。

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向的著作。

第1章Arduino项目设计基础
1.1开源硬件简介
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
1.3.2ArduinoIDE的安装步骤
1.3.3ArduinoIDE的使用方法
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章基于Arduino的四轴飞行器
2.1项目背景
2.2创意描述
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章智能自动捡球机
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章智能泊车系统
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章北邮艇
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章无人停车库
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章多功能模型小车
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App遥控四轴飞行器
8.1项目背景
8.2创意描述
8.3功能与整体设计
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章红外遥控智能小车
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章蓝牙手柄避障小车
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章红外遥控自动避障小车
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章自行车测速里程计
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章超声波自动避障小车
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DIY四轴飞行器
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章拍照密码锁
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章手势图案解锁门
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章智能窗户
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App四宫格手势解锁门
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RFID智能门锁设计
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章光立方
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
第21章灯光棋盘
21.1项目背景
21.2创意描述
21.3功能及总体设计
21.3.1功能介绍
21.3.2总体设计
21.3.3模块介绍
21.4产品展示
21.5故障及问题分析
21.6元器件清单
第22章贪吃蛇游戏
22.1项目背景
22.2创意描述
22.3功能及总体设计
22.3.1功能介绍
22.3.2总体设计
22.3.3模块介绍
22.4产品展示
22.5故障及问题分析
22.6元器件清单
第23章MakeyMakey手柄
23.1项目背景
23.2创意描述
23.3功能及总体设计
23.3.1功能介绍
23.3.2总体设计
23.3.3模块介绍
23.4产品展示
23.5故障及问题分析
23.6元器件清单
参考文献

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，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。因此，本书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，通过基于CDIO工程教育方法的实施，使得创新产品的整个过程得到了实现，同学们不但学到了知识，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项目设计基础和22个开发案例，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及其他创意类开发案例。
对于书中的每个案例从项目背景、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及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，感谢谭扬、郑铖、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)和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！
本书内容由总到分、先思考后实践，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自我提高使用。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，本书也可以作为主要的技术参考书。
由于作者的水平有限，书中难免存在不当之处，衷心地希望各位读者提出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
2017年9月
于北京邮电大学