Arduino開源設(shè)計

吳義滿

（鹽城衛(wèi)生職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇鹽城，224000）

Arduino開源設(shè)計

吳義滿

（鹽城衛(wèi)生職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇鹽城，224000）

隨著時代發(fā)展，硬件開發(fā)在不少項目開發(fā)中不可或缺, 但非嵌入式專業(yè)人士難以獨立完成硬件開發(fā)。而一些初入門的硬件工程師嫌棄Arduino開發(fā)簡單和不夠?qū)I(yè)，忽視其真正作用。該文首先通過闡述Arduino誕生故事, 解析了何為Arduino；接著通過經(jīng)典案例分析Arduino在五大領(lǐng)域中起到的影響，發(fā)現(xiàn)Arduino帶來了革命性的變化；最后分析Arduino開源的意義,因此也發(fā)現(xiàn)Arduino的興起其實是開源文化在興起，開源文化將成為未來科技發(fā)展的主流文化。該思想觀點對技術(shù)人士規(guī)劃未來技術(shù)發(fā)展路線具有一定的參考價值。

Arduino、開源、設(shè)計、硬件、工業(yè)4.0、物聯(lián)網(wǎng)、藝術(shù)、教育

0　引言

隨著技術(shù)快速發(fā)展，智能化再也不僅僅局限于電腦和手機上，嵌入式技術(shù)將它融入日常生活，但是嵌入式的高門檻讓許多人望而卻步，卻又是不少項目所必須的。在這種環(huán)境下, Ardunio橫空出世，憑借強大庫函數(shù)包裝了難以理解的寄存器操作，開發(fā)者不再需要直接和處理器的底層打交道就可以完成自己的作品。加之其開源的特性，讓不少嵌入式領(lǐng)域的專業(yè)人士完善其強大的庫函數(shù)。因此各個領(lǐng)域的人都開始涉足智能化硬件的設(shè)計之中，傳統(tǒng)的嵌入式設(shè)計加之各領(lǐng)域人士的獨特看法，智能硬件也因此豐富多彩。從此, Arduino從一塊冷冰冰的電路板變成一個火熱的開源硬件平臺, 在不同的領(lǐng)域得到不斷深入的應(yīng)用和持續(xù)關(guān)注。

在這個追求創(chuàng)新的時代，Arduino對許多領(lǐng)域的創(chuàng)新提供了便利，其所提倡的開源的精神成為推動當(dāng)今科技發(fā)展的重要動力。筆者想通過分析Arduino在五大領(lǐng)域中起到的影響力，來體現(xiàn)Arduino強大之處，以及開源所帶來的變革。

1　Arduino概述

1.1Arduino歷史

意大利一家高科技設(shè)計學(xué)校的學(xué)生總是抱怨找不到合適好用的微型控制器，于是他們老師決定設(shè)計自己的電路板，并配上他學(xué)生的設(shè)計的編程語言，同時開放了他們的源代碼以及電路設(shè)計圖。因為設(shè)計師喜歡去一家叫做Arduin的酒吧, 所以便給這個電路板取名為Arduino。

1.2Arduino開發(fā)板介紹

單片機是將復(fù)雜的計算機系統(tǒng)集成到一塊芯片上的微型控制系統(tǒng)。Arduino開發(fā)板大多數(shù)是基于AVR的8位單片機，目前多種型號，常見的有基于Atmega328p芯片的UNO，NANO，MINI以及基于Atmega2560芯片的MEGA。隨著技術(shù)的發(fā)展，8位的單片機有時無法滿足人們的開發(fā)需求，32位的處理器登上了舞臺，Arduino因此推出了基于ARM的32位型號DUE，同時為了順應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)時代的到來又推出可以接入以太網(wǎng)的YUN。曾經(jīng)錯失了移動領(lǐng)域機遇的科技巨頭Intel公司抓住Arduino帶來的新機遇，推出了自己全面兼容Arduino的產(chǎn)品Edison和Galileo，最近又與Arduino聯(lián)手推出集成了藍(lán)牙和6軸加速計陀螺儀的新型號Arduino 101。

雖說Arduino開發(fā)板本質(zhì)上是一塊單片機，但其強大的庫函數(shù)使得其開發(fā)比普通單片機開發(fā)效率高、速度快和難度低等優(yōu)勢。雖然引用了庫函數(shù)會影響運行效率，但是隨著科技的先進(jìn)，其所影響的效率對大多數(shù)開發(fā)者而言可以忽略不計。

1.3Arduino開發(fā)介紹

Arduino環(huán)境設(shè)計能讓沒有軟件或電子學(xué)經(jīng)驗的初學(xué)者輕松使用，與普通單片機開發(fā)環(huán)境相比它具有強大的跨平臺性，兼容目前主流的Windows、Linux和OS X操作系統(tǒng)。

Arduino既有類似c/c++語言的語言開發(fā)，可以說是獨立的語言，但是卻不需要專門去學(xué)習(xí)，有著c語言的基礎(chǔ)便可以幾分鐘輕松上手。又有圖形化編程開發(fā)語言Ardublock, 非常適合毫無編程語言經(jīng)驗者上手。

1.4Arduino開源的意義

Arduino最為強大之處在于其開源的特性，幾乎所有的庫函數(shù)都可以在github上面找到。正是由于Arduino開源性, 實際應(yīng)用Arduino工具來測試和開發(fā)項目成本低廉。也正是因為開源才使得更多的非嵌入式領(lǐng)域的人能完成自己的所想要的東西。Arduino在工業(yè)4.0，物聯(lián)網(wǎng)時代之中充當(dāng)著重要的角色，在未來的科技發(fā)展所需求的正是各領(lǐng)域知識相互結(jié)合。要想完美結(jié)合,必須對所結(jié)合的領(lǐng)域有所了解。Arduino給了人們了解嵌入式的機會，在不久的將來在其帶領(lǐng)下各領(lǐng)域都會出現(xiàn)他們自己的“Arduino”。

2　Arduino誕生對各領(lǐng)域的影響

2.1眾人拾柴—硬件領(lǐng)域

Arduino操作簡單, 但并不被整天和底層打交道的硬件工程師所鄙視。普通單片機中同一個功能代碼不能在不同型號單片機上面運行，因為不同種單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)不一樣，甚至想去控制不同型號的單片機還需要專門的學(xué)習(xí)。雖然Arduino有許多不同種的型號，由于有了庫函數(shù)的二次包裝，同一段不涉及各型號的特殊性能的代碼都可以完美地兼容運行。即使涉及到各型號之間特殊功能的代碼，也只需要看看其官方提供的說明手冊就能控制，不需要去費盡心思再去學(xué)習(xí)一些特定單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)和特定控制方式知識。

有了開放的源代碼庫，硬件工程師將自己為設(shè)備寫的驅(qū)動分享到代碼庫中。既方便了外行人使用該設(shè)備，也會有別的硬件工程師為代碼做進(jìn)一步完善，最終一段代碼中凝聚了無數(shù)人的智慧。既方便他人使用，也能夠?qū)W到他人好的硬件編程習(xí)慣。不像以前做不同單片機開發(fā)的人之間，雖說都是硬件工程師卻始終無法溝通。

同時，誕生例如DFrobot一類的公司，硬件工程師在做完自己的硬件同時開源自己的驅(qū)動代碼。讓更多人能使用各種復(fù)雜的硬件設(shè)備。位于美國加州的 NanoSatisfi利用開源硬件Arduino，制作一個體積嬌小，而且擁有基本探測功能的微型衛(wèi)星。在開發(fā)者使用自己的代碼開發(fā)這個開源項目的時候，都先由開發(fā) ArduSat 的 NanoSatisfi 進(jìn)行測試，找出其中是否有Bug，相互學(xué)習(xí)，相互借鑒。

圖1　基于Arduino的衛(wèi)星：ArduSat

2.2物聯(lián)網(wǎng)時代—軟件與網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的成熟，物聯(lián)網(wǎng)也開始嶄露頭角，由此產(chǎn)生了各種小型、低功耗的智能硬件。人們不再滿足于二維平面交流，人機交互因此也從進(jìn)入了三維空間，萬物互聯(lián)成為了主流，這就需要軟硬件的相互結(jié)合。由于Arduino封裝了硬件最為繁瑣的寄存器操作，所以軟件工程師就可以將它當(dāng)成普通的軟件來開發(fā)。大大彌補之前軟件工程師做軟件，硬件工程師做硬件，導(dǎo)致最后交互方式僵硬，甚至無法交互的不足。最為典型的例子便是智能家居的火熱，Arduino從一個角度使軟件工程師認(rèn)識到了嵌入式開發(fā)的基本步驟，軟硬件的交互因此更為靈活。打開搜索引擎，Arduino制作智能家居的例子枚不勝舉。在2011年舉行的Google I/O開發(fā)者大會上，Google發(fā)布了基于Arduino的Android Open Accessory標(biāo)準(zhǔn)和ADK工具。這使得Android與Arduino交互更加方便，也預(yù)示著會有越來越多與Arduino做交互的軟件出現(xiàn)。

既然是物聯(lián)網(wǎng)，那么肯定需要連接網(wǎng)絡(luò)。許多網(wǎng)絡(luò)工程師發(fā)現(xiàn)了其中的機遇，紛紛搭建了自己的物聯(lián)網(wǎng)平臺，同時也利用Arduino開源的特性推出了適應(yīng)自己平臺特色的Arduino開發(fā)板，例如樂聯(lián)網(wǎng)、yeelink和intorobot等。物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)再也不是只有大公司才能做的東西，即便是個人都可以借助這些開放的物聯(lián)網(wǎng)平臺做出自己的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。

圖2　Yeelink開放物聯(lián)網(wǎng)平臺

2.3工業(yè)4.0—機械領(lǐng)域

提到工業(yè)4.0自然會想到機械領(lǐng)域的新生兒—3d打印機。在3d打印機剛出來的時候一直是黑科技的存在，很多人只是聽說過，并沒有實際見過。3d打印機的出現(xiàn)大大減少了產(chǎn)品原型機的開發(fā)成本。而3d打印機的普及Arduino功不可沒。目前市場上千元級的3d打印機幾乎都用的是Arduino作為主控板，美國Makebot公司的3d打印機就是典型代表。這主要是因為Arduino開源的特性，用于3d打印機的源代碼Marlin迅速傳開。現(xiàn)在僅僅需要花800元就可以自己組裝一個3d打印機。同樣的原因、不少原本只有工廠企業(yè)才有的機器進(jìn)入個人手中，例如基于Arduino grbl代碼的雕刻機以及基于Ardunio mwc代碼的無人機。Arduino普及了如此多的設(shè)備，大大便利個人以及小團隊的開發(fā)制作，也推動了現(xiàn)在萬眾創(chuàng)新的趨勢。在工業(yè)4.0中Arduino將無處不在。

圖4　Makebot 3d打印機

2.4現(xiàn)代科技美學(xué)—藝術(shù)領(lǐng)域

從上文Arduino的誕生故事，可以發(fā)現(xiàn)Arduino本身就是為了藝術(shù)而誕生的。蘋果公司憑借著完美的現(xiàn)代美學(xué)設(shè)計, 加之獨特的技術(shù), 創(chuàng)造了一個又一個時代神話。隨著時代發(fā)展工業(yè)設(shè)計越來越被人們所看重，但是雖然有了工業(yè)設(shè)計的藝術(shù),不輔之與其交互的體驗，現(xiàn)代化設(shè)計難以真正體現(xiàn)其魅力。讓藝術(shù)家去學(xué)習(xí)一些理工科的東西困難十分之大。簡單而又強大的Arduino便吸引了一波藝術(shù)家的眼球。由于Arduino可以與許多軟件進(jìn)行交互，例如： Macromedia Flash, Processing, Max/ MSP, Pure Data, VVVV或其他互動軟件。而這些軟件大多簡單易學(xué)功能強大，為藝術(shù)家提供了良好的創(chuàng)作環(huán)境。南京藝術(shù)學(xué)院等藝術(shù)類高校已經(jīng)開設(shè)了專門的Arduino的課程,在每年的畢業(yè)展上面都可以看到他們用Arduino完成的藝術(shù)設(shè)計。透過這些設(shè)計可以看出現(xiàn)代化設(shè)計所追求的簡約卻又不缺美感。

2.5希望之火—教育領(lǐng)域

科學(xué)是第一生產(chǎn)力, 這句話不知道被人們念叨了多少次，日本在二戰(zhàn)之后迅速崛起離不開對教育的重視。中國教育一直被人們所詬病，以前上大學(xué)前在學(xué)校里面無法學(xué)到有關(guān)于計算機科技的任何知識，從小沒機會接觸到計算機方面的知識長大之后難以對計算機產(chǎn)生濃烈興趣。加之計算機所學(xué)知識甚多也難以在青少年教育中實現(xiàn)。Arduino除了傳統(tǒng)的類c/c++語言之外, 還有自己圖形化編程語言Ardublock。圖形化編程語言就像搭積木一樣拖動一塊塊積木就可以實現(xiàn)自己想要的功能，便利了孩子們的學(xué)習(xí)，有利于從小培養(yǎng)他們的興趣，將來能積極投入科技開發(fā)中去?，F(xiàn)在國內(nèi)Arduino基礎(chǔ)教育正如火如荼的展開，不少學(xué)校與第三方培訓(xùn)機構(gòu)合作，在學(xué)習(xí)后孩子們親手做出了基于Arduino的機器人，小車等等高科技玩具。

3　結(jié)語

Arduino帶來了許多的機遇，它開源的特性影響了眾多領(lǐng)域，也說明了當(dāng)今時代的技術(shù)共享，全民合作，共創(chuàng)未來的發(fā)展趨勢。當(dāng)然Arduino在整個開源的潮流中僅僅是一小部分，在著名的網(wǎng)站github上面有無數(shù)軟硬件的開源代碼，一個個有趣的項目凝聚了無數(shù)人的智慧。科技不再是利益的爭求，而是人們改變未來的一種方式。之前科技的進(jìn)步必定凝結(jié)了許多人的汗水，而開源能夠前所未有容納更多人的汗水，科技也將發(fā)生史無前例的進(jìn)步。

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[2]雒亮,祝智庭.開源硬件:撬動創(chuàng)客教育實踐的杠桿[J].中國電化教育,2015,04:7-14.

圖5　Arduino與Processing交互作品

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吳義滿（1976.03-），性別：男，出生地：安徽省安慶市宿松縣，學(xué)歷：碩士研究生、學(xué)位：職稱：碩士、講師，研究方向：醫(yī)療儀器、開源硬件

Arduino ＆ Open Source Design

Wu Yiman
(Yancheng Heath Vocational and Technology College, 224000, China)

Along with the development of the times, hardware development is indispensable to many projects, but not embedded professionals complete the hardware development independently. And some junior hardware engineers abandon Arduino because of its simple and non-professional, who ignore its real role. Firstly，Arduino birth story is described in order to parse what Arduino is. Then, through classic cases Arduino influence is analyzed in five areas, which it is true that Arduino has brought the revolutionary change. In the final，Arduino significance of open source is analyzed, by which it is discovered that the rise of Arduino is in the rise of open source culture. Open source culture will become the mainstream of the development of science and technology culture in the future. The idea has a certain reference value for people to make the technology plan of future technology development routes.

arduino；open source； design；hardware；industrial 4.0；Internet； art； education

TN6

A

鹽城市衛(wèi)生局課題YK2015056項目資助、江蘇省十二五規(guī)劃課題D/2015/03/016項目資助