第7节 数据通信

很多时候需要Arduino和其他设备需要通信，用来接受控制命令，返回监测到的数据等等。比如：和电脑主机相连，和手机相连。

相连的方式不外乎以下几种，

1. USB连接，通过一根数据线把智能硬件和设备连接起来；
2. 蓝牙连接，智能硬件和设备通过蓝牙相连。采用这种方式需要一个蓝牙模块；
3. WIFI连接，智能硬件和设备都连接到同一个WIFI路由器上，让彼此通过WIFI网络传输数据。采用这种方式需要一个WIFI模块；
4. 红外遥控连接，智能硬件接收遥控器发出的红外信号，实现单方面的数据接收。采用这种方式需要一个红外模块；

7.1 串口通信

在介绍前面列举出的各种通信方案之前，我们先来了解下串口通信，串口通信是Arduino最基本的数据通信方式，Arduino开发板会提供一个至多个用于通信用的串口接口。

其实我们之前的学习过程中，已经不知不觉使用过了串口通信，比如调试信息的输出、程序部署到开发板。虽然你看到的是我们使用的USB接口，但实际上USB接口是和串口绑定在一起的。所以实际上，使用的还是串口通信。

不同开发板，串口引脚的位置有些不同。不过在电路板上都标注着TX和RX标志。TX表示发送数据的引脚，RX表示接受数据的引脚。

1. UNO的串口硬件位置
   
   USB接口和0、1引脚都是对应着串口－Serial。
2. MEGA的串口硬件位置
   
   MEGA有多个串口，
   USB接口和0、1引脚对应着串口－Serial
   18、19引脚对应着串口1－Serial1
   16、17引脚对应着串口2－Serial2
   14、15引脚对应着串口3－Serial3

每一个串口都由一个输入引脚（RX）和输出引脚（TX）组成。硬件接收和发送数据的功能，就是通过对应的引脚实现的。

串口通信是最基础的通信方式，Arduino开发板的USB接口就是使用了串口通信，相当于USB接口直接和串口做了连接。

如果要使用外接的wifi和蓝牙模块，也需要将它们的通信引脚与Ardiono上的串口引脚进行连接。它们都是利用了串口通信来实现数据的交换。

可以说串口是所有通信的桥梁，不管用什么模块实现数据的交换，数据最后都要汇聚到串口这里来。

红外遥控接口没有使用串口，我们最后来介绍。

7.1.1 串口数据的读写

虽然连接串口的设备不同（USB口，WIFI，蓝牙），但是读写串口数据的方式都是相同的。

在进行读写之前，要判断一下串口是否可用，

if(Serial.available())
{
    //这里面对串口操作才会有意义
}

当我们想在代码中使用这些串口读取数据的时候，可以，

1. 读一个字节，```cpp //通过UNO或MEGA的Serial读数据， //读一个字节 int data = Serial.read();

//通过MEGA的Serial2读数据， //读一个字节 int data = Serial2.read();

2. 读到数组缓冲区－`buffer`中，```cpp
//通过UNO或MEGA的Serial读数据，
//读到的数据放在buffer的空间当中，
//返回值nRead表示成功读取到的字节数
int length = 128;
char * buffer = new char[length];
int nRead = Serial.readBytes(buffer, length)
//通过MEGA的Serial2读数据，
//读到的数据放在buffer的空间当中，
//返回值nRead表示成功读取到的字节数
int length = 128;
char * buffer = new char(length);
int nRead = Serial2.readBytes(buffer, length)

当我们想在代码中使用这些串口发送数据的时候，可以，

1. 发送一个byte，```cpp //通过UNO或MEGA的Serial发数据 Serial.write(‘A’);

//通过MEGA的Serial2发数据 Serial2.write(‘A’);

2. 发送一个缓冲区的内容，```cpp
//通过UNO或MEGA的Serial发数据
//result表示发送成功的byte数
uint8_t data[] = "hello arduino";
int len = sizeof(data);
int result = Serial.write(data, len);
//通过MEGA的Serial2发数据
//result表示发送成功的byte数
uint8_t data[] = "hello arduino";
int len = sizeof(data);
int result = Serial2.write(data, len);

以上内容是通过串口发送和接受数据的共同方式，请一定要记住，不管最终是通过USB还是蓝牙，还是WIFI模块，都是这样操作的。
Serial的使用方法，可以参考Arduino对应的官方文档章节。

7.2 USB通信

通过USB口进行数据的读写我们已经非常熟悉了。

其实我们之前的学习过程中，已经不知不觉使用过了串口通信，比如调试信息的输出、程序部署到开发板。虽然你看到的是我们使用的USB接口，但实际上USB端口已经在开发板上完成了串口的连接，我们只需要使用就好，不要单独去连线了。所以，这种方案使用的还是串口通信。

7.3 蓝牙通信

蓝牙连接是采用较多的一个方案，主要原因是，这是一个无线通信的方式，没有数据线的牵绊，而且Arduino蓝牙模块的价格相对便宜，实现的成本低，而且编程很简单。

下面展示了HC-05蓝牙模块的引脚布局，详细各位从引脚的标注也能猜到各个引脚的作用。其中，使用4个引脚（输出TX、输入RX、电源VC、接地GND）连接开发板就能完成组装了。（其他型号的蓝牙模块，也和它差不多）

7.3.1 蓝牙连接

我们经常见到的蓝牙模块有HC-05 HC-06。还有一种形式的蓝牙模块，它就远不止4个引脚了。

我们上面采用的蓝牙模块，就是功能最为简单的HC-06蓝牙模块，它只能够被动的接收其它蓝牙模块发起的连接请求（不能主动发起连接），连接时的配对密码默认是1234。

这里使用了MEGA开发板来进行说明。如果使用UNO开发板原理也是一样的。

根据之前串口连接的原则，我们将蓝牙模块与Arduino开发板用插线连接起来。我们选择将蓝牙模块的RX TX连接到MEGA开发板（或者UNO）的0和1引脚－－使用Serial这个串口。

或者使用扩展板来连接蓝牙模块，这里我们使用HC-06举例，将HC-06连接到UNO或MEGA扩展板的Serial接口上，

当开发板通电（USB数据线连接上电脑）以后，蓝牙模块的指示灯就亮了。此时它就进入了工作状态：其他蓝牙设备就可以查找并连接这个外接的蓝牙模块了。

＊注意开发板和外接通信模块相连的时候后，是TX连着RX，一个发送，另一个当然就是接收了；并且VC/GND和TX/RX不能接反了，不然可能会烧毁蓝牙模块。
电源的两根线不能接到数据发送的两个的引脚上，否则会烧毁蓝牙模块
电源的两根线不能接到数据发送的两个的引脚上，否则会烧毁蓝牙模块
电源的两根线不能接到数据发送的两个的引脚上，否则会烧毁蓝牙模块

不过你一定会遇到一个大坑：当你的蓝牙设备连接到串口引脚后，你会发现程序无法通过串口从电脑端部署到Arduino开发板上了。原因很简单，USB传输数据要使用串口，蓝牙模块传世数据也要使用串口，这个串口太受欢迎了，被两个模块同时占用着。

解决办法有下面几种：

• 部署代码的时候，把蓝牙模块拔掉。部署完成后再把蓝牙模块接回去。
• 更换开发板，把UNO换成MEGA，毕竟MEGA上的串口要多出来好几个，大家各用各的就可以了。
• 使用软串口，这个方法我们后面来讲。

7.3.2 蓝牙数据的读写

接下来，我们做个简单的程序：让蓝牙模块接受其他蓝牙设备发送过来的数据，每次收到该数据后，又把数据原封不动的回传给发送设备，

1. 在setup()中，初始化好蓝牙设备的波特率，为9600，因为我们硬件连接的是Serial，所以就要初始化Serial。cpp void setup() { //初始化蓝牙使用的串口波特率 Serial.begin(9600); }

2. 在loop()中，不停的尝试读取串口（蓝牙设备）收到的消息，一旦收到，就通过串口（蓝牙设备）把收到的内容原封不动的发送出去，```cpp void loop() { //如果可以读取数据 if (Serial.available()) {

    //创建读取数据用的缓存
    int length = 128;
    char * buffer = new char[length];
    //读取数据到buffer中
    int nReadSize = Serial.readBytes(buffer, length);
    //如果成功读取到数据，就原封不动的发回去
    if(nReadSize > 0)
    {
        Serial.write(buffer, nReadSize);
    }
    //删除分配的空间，避免内存泄漏
    delete buffer;

   } } ```
   这个用法其实和使用普通串口没有区别，我们的代码操作的都是串口，至于串口连接的是具体什么设备（蓝牙、WIFI），我们都不用去关注了。

7.3.3 使用软串口

刚才的方案中，蓝牙模块数据传输占用了UNO板唯一的串口，会导致无法通过串口进行调试。为此，我们可以使用软串口技术，也就是使用其他引脚来接收蓝牙模块的数据，但读写数据的方式又和读写串口的方式保持一致。就好像通过软件的方式创造了一个新的串口来模拟之前的硬件串口。

软件代码模拟的串口的细节不需要我们去理解和深究，直接使用就可以了。对于我们使用者来说，不用去区分它到底是真的从硬件获取的数据，还是从虚拟的软件上获取到的数据。

为此，开发板引脚的连接，就需要做下调整：硬件串口（0、1引脚）保持不被占用，选用其他引脚（比如5和6）作为接收和发送引脚。

注意，蓝牙模块的输入输出对应着开发板的输出输入。

在代码端做如下修改，

#include <SoftwareSerial.h>
//初始化蓝牙使用的软串口引脚
//第一个参数：数据接收的引脚
//第二个参数：数据发送的引脚
SoftwareSerial softSerial(5, 6); 
void setup()
{
    //初始化蓝牙使用的串口波特率
    Serial.begin(9600);
    //初始化蓝牙使用的软串口波特率
    softSerial.begin(9600);
}
void loop()
{
    //如果可以读取蓝牙数据
    if (softSerial.available())
    {
        //创建读取数据用的缓存
        int length = 128;
        char * buffer = new char[length];
        //读取数据到buffer中
        int nReadSize = softSerial.readBytes(buffer, length);
        //如果成功读取到数据，就原封不动的发回去
        if(nReadSize > 0)
        {
            softSerial.write(buffer, nReadSize);
            //使用真正的串口打印调试数据
            Serial.println("feedback data");
        }
        //删除分配的空间，避免内存泄漏
        delete buffer;
    } 
}

这里面使用了#include <SoftwareSerial.h>来使用软串口，这是Arduino自身就提供的一个软件功能，我们拿来用就可以了。

另外，大家也能注意到，软串口的用法和真正硬件串口的用法一致，不需要我们重新去学习，这大大简化了开发者的学习成本。

7.4 WIFI通信

使用WIFI模块来连接，需要进行的操作要稍微复杂些，不过复杂的主要在于WIFI网络的接入，后续的读取和发送数据，与蓝牙模块通过Serial读写数据是完全一样的。

我们选用的WIFI模块是ESP8266_WIFI模块。我们这里暂时不介绍了以后专门章节介绍。

7.5 IRDA红外遥控

红外遥控与之前几种数据通信不太一样：

1. 不使用串口，而是通过数字接口获取数据；
2. 通信是单向的，只能从遥控器发送给接收器；

下图是我们将要使用的红外遥控发送（遥控器）和接收端模块：

当按下遥控器上的一个按钮后，接收器就会收到一段二进制代码，比如：

150CB559BCBBCBCBCBCBCBBCB21B21C20C21B21B21B21B21C20CBC20CBCBCBB21CBCBB21CBB21C20C21BCB21B
DCABB559BCBCBCBCBCBCBCBCB21C20C21B22A21B21C20C21BCB21B21BCBCBCB21BCB21BCBCB21C20C20CBC21B
E86AB358CCBBCBCBCBCBCBBCB21C20C21B21B21B22B20C20CBB22BCB21BCBCB21CBB21CBB21BCB21C20CCB21B
...

将这段代码解码后，我们能得到发送的数据包含了：

• 遥控器的类型（decode type）：比如NEC、JVC等，对照表如下：| 遥控器类型 | 对应代码 | 遥控器类型 | 对应代码 | 遥控器类型 | 对应代码 | | —- | —- | —- | —- | —- | —- | | NEC | 1 | SONY | 2 | RC5 | 3 | | RC6 | 4 | DISH | 5 | SHARP | 6 | | PANASONIC | 7 | JVC | 8 | SANYO | 9 | | MITSUBISHI | 10 | UNKNOWN | -1 | | |

• 按钮可能对应的数值（value），这个值对不同的遥控器类型可能是不同的，以下只是列出来供大家感性认识下。具体的值，需要大家在开发的时候查阅手册，或者根据后面的测试代码自己验证。| 按钮名称 | 对应数值 | 按钮名称 | 对应数值 | 按钮名称 | 对应数值 | | —- | —- | —- | —- | —- | —- | | CH- | FFA25D | CH | FF629D | CH+ | | | << | FF22DD | >> | FF02FD | ｜｜ | FFC23D | | - | FC8FEB4F | + | FFA857 | EQ | FF906F | | 0 | FF6897 | 100+ | FF9867 | 200+ | FFB04F | | 1 | FF30CF | 2 | FF18E7 | 3 | FF7A85 | | 4 | FF10EF | 5 | FF38C7 | 6 | FF5AA5 | | 7 | FF42BD | 8 | FF4AB5 | 9 | FF52AD |

7.5.1 硬件连接

IRDA模块的连接非常简单，接收端可以直接连接在开发板上面。

如下图所示，

7.5.2 红外数据的读写

红外遥控模块，对数据的读取是通过数据引脚获取的，而且获取的这些数据是原始的二进制码（前面我们已经看到过它的样子了），因此需要做进一步的解析。我们将采用第三方提供的库文件进行这个操作（实际上是源代码）。

前面的章节介绍了在Arduino IDE中使用第三方库的方式：将库文件放到Arduino IDE认识的Library路径下。比如下图位置，

使用的时候在.ino文件顶部，用<>引用头文件；

#include <IRremote.h>

这里采用一种新的用法：将库文件放到本项目代码所在的目录下，

使用的时候在.ino文件顶部，用""引用头文件；

#include "IRremote.h"

本例会将库文件放到项目目录下。然后，修改源码如下：

// 库源码放在本项目所在目录
#include "IRremote.h"
// 设置接收数据的引脚
int RECV_PIN = 6;
// 初始化IRDA模块
IRrecv irrecv(RECV_PIN);
// 准备读取数据的数据结构
decode_results results;
void setup() {
  // 初始化引脚
  pinMode(RECV_PIN, INPUT);
  // 初始化串口
  Serial.begin(9600);
  // 启动IRDA接收模块，随时接收数据
  irrecv.enableIRIn(); 
}
void loop() {
  // 解码成功
  if (irrecv.decode(&results)) {
    // 解码后的遥控器类型代码
    Serial.print("decode type:");
    Serial.print(results.decode_type, HEX);
    // 解码后的遥控器按钮代码
    Serial.print(" value: ");
    Serial.print(results.value, HEX);
    // 接收到的原始数据内容（没有解码）
    Serial.print(" raw data: ");
    for(int i=0; i<results.rawlen; i++) {
      Serial.print(results.rawbuf[i], HEX);
    }
    Serial.println("");
    // 清空IRDA当前缓存的数据，可以处理下一条接收到的数据
    irrecv.resume();
  }
}

特别需要注意的是：每处理完一个指令后，一定要使用irrecv.resume()进行缓存的清空，否则该数据还在，下一条待处理数据仍然是它。

假如你希望更加深入的了解如何读取Arduino开发板引脚的数据，并如何进行解码的，以及想知道decode_results数据结构中，到底有哪些数据，请参考库文件源码，里面都有很详细的实现和解释。这里附上一段源码中对decode_results的定义，供大家感性认识：

// Results returned from the decoder
class decode_results {
public:
  int decode_type; // NEC, SONY, RC5, UNKNOWN
  unsigned int panasonicAddress; // This is only used for decoding Panasonic data
  unsigned long value; // Decoded value
  int bits; // Number of bits in decoded value
  volatile unsigned int *rawbuf; // Raw intervals in .5 us ticks
  int rawlen; // Number of records in rawbuf.
};

7.5.3 观察

将程序部署到开发板上，按动遥控器按钮，可以看到串口调试窗口中，会出现对应按钮的数据。

请注意value为FFFFFFFF这样的数据，它们是按住某个按钮不放，IRDA接收端收到的数据，表示和之前接收到的数据一样。

至此，Arduino通过外接外接无线模块接收和发送数据的功能都能完整的实现了。