如何構(gòu)建Arduino無線網(wǎng)關(guān)開發(fā)平臺(tái)

Arduino是一個(gè)開源電子原型設(shè)計(jì)平臺(tái)，專門用于接收來自傳感器的輸入。這使其成為無線網(wǎng)關(guān)開發(fā)的絕佳平臺(tái)。通過以太網(wǎng)連接，網(wǎng)關(guān)可用于將傳感器和執(zhí)行器鏈接到Internet，以用于智能手機(jī)和平板電腦上的應(yīng)用程序。可以為這些平臺(tái)開發(fā)應(yīng)用程序，然后利用來自網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)并從世界上任何地方遠(yuǎn)程控制執(zhí)行器。

廣泛的開源軟件為構(gòu)建項(xiàng)目提供了寶貴的資源。它基于靈活，易用的硬件和軟件，適用于設(shè)計(jì)人員，業(yè)余愛好者以及任何對(duì)創(chuàng)建交互式環(huán)境感興趣的人。

有各種各樣的Arduino板可用，都使用Arduino編程語言。這基于Wiring，它具有與C ++相同的語法和庫(kù)，但具有簡(jiǎn)化和修改。為了使該語言易于使用，Arduino開發(fā)環(huán)境基于基于Java的Processing開源IDE。開發(fā)可以在PC或Mac上作為主機(jī)在Windows，Mac OSX或Linux下完成，也可以在主板上完成。可以使用Arduino編程語言和工具在Linux上開發(fā)網(wǎng)關(guān)軟件。

Arduino Nano板是一款小型，完整且面包板友好的板，基于用于Arduino Nano 3.0的ATmega328處理器或用于Arduino Nano 2.x系列的ATmega168。它只缺少直流電源插孔，可以使用Mini-B USB電纜而不是標(biāo)準(zhǔn)電纜。 Nano是專門設(shè)計(jì)的，目前由Gravitech生產(chǎn)。 16 MHz處理器的建議輸入電壓為7-12 V，具有14個(gè)數(shù)字I/O引腳，每個(gè)引腳具有40 mA的直流電流，可用于為無線模塊供電。

ATmega168版本中有16 KB的Flash或ATmega328中有32 KB，其中引導(dǎo)加載程序使用2 KB。同樣，ATmega168有1 KB的SRAM和512字節(jié)的EEPROM，帶有ATmega168或2 KB的SRAM和1 KB的EEPROM。

Arduino主板的價(jià)值在于業(yè)余愛好者開發(fā)的開源軟件系列，以及硬件的靈活性。制造商提供電路布局，并且很容易為無線功能構(gòu)建附加卡或屏蔽?？梢灾谱骰蛸?gòu)買無線屏蔽以向設(shè)計(jì)添加無線鏈接。

圖1：Arduino Nano板。

Linux上的Arduino IDE

Arduino最常見的開發(fā)平臺(tái)是Linux，它同樣是開源的。根據(jù)正在使用的Linux的分布，需要一些其他程序。

關(guān)鍵工具是Arduino IDE 1.0.1，因?yàn)樗褂脙?nèi)部預(yù)構(gòu)建GCC（GNU編譯器集合）編譯器。這排除了所有工具鏈問題，包括Java運(yùn)行時(shí)包6或7 -nopenjdk-7-jre或oracle JRE 7.

Arduino軟件下載包括兩個(gè)附加依賴項(xiàng)的自定義版本：

RXTX，用于與Arduino板等串行設(shè)備通信的Java和本機(jī)庫(kù)

avrdude，一個(gè)將程序上傳到AVR微控制器的應(yīng)用程序（如Arduino板上的程序）

來自的avrdude修改了Arduino以確保在上傳之前Arduino板的自動(dòng)重置功能正常運(yùn)行（如果沒有，則上傳將失敗）。 Arduino版本的源代碼也可以在開源存儲(chǔ)庫(kù)GitHub上找到。

Arduino附帶的RXTX經(jīng)過修改，支持Arduino Uno和Mega 2560主板使用的/dev/ttyACM格式的設(shè)備。它們使用ATmega8U2代替FTDI芯片進(jìn)行USB串行通信。

無線屏蔽

XBee?屏蔽允許Arduino板使用ZigBee?進(jìn)行無線通信。它可以在室內(nèi)100英尺或室外300英尺（帶視線）進(jìn)行通信。屏蔽的簡(jiǎn)單性意味著它可以用作串行或USB替代品來創(chuàng)建簡(jiǎn)單的無線點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，或者使用命令模式，它可以配置為各種廣播和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)選項(xiàng)作為無線網(wǎng)關(guān)。屏蔽將每個(gè)XBee引腳分成通孔焊盤，并提供母引腳頭，以便使用數(shù)字引腳2至7以及屏蔽覆蓋的模擬輸入。數(shù)字引腳8至13不受屏蔽的阻礙，因此它們可以使用電路板本身的接頭。

圖2：Arduino無線屏蔽。

XBee屏蔽有兩個(gè)跳線，用于確定Arduino板上微控制器（ATmega8或ATmega168）與FTDI USB轉(zhuǎn)串口芯片之間的串行通信。當(dāng)跳線位于XBee位置時(shí)，XBee模塊的DOUT引腳連接到微控制器的RX引腳，DIN連接到TX。

有兩個(gè)模塊需要正確配置才能相互通信（盡管使用默認(rèn)設(shè)置，所有模塊應(yīng)該能夠相互通信）。它們需要位于ID參數(shù)設(shè)置的同一網(wǎng)絡(luò)上。模塊需要位于CH參數(shù)設(shè)置的同一通道上。最后，模塊的目標(biāo)地址（DH和DL參數(shù)）確定其網(wǎng)絡(luò)和通道上的哪些模塊將接收它傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。這可以通過以下幾種方式實(shí)現(xiàn)：

如果模塊DH為0且DL小于0xFFFF（即16位），則該模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)將由任何模塊接收，其16位地址MY參數(shù)等于DL。

如果DH為0且DL等于0xFFFF，則所有模塊都將以廣播模式接收模塊的傳輸。

如果DH非零，或者DL大于0xFFFF，傳輸只能由序列號(hào)等于發(fā)送模塊目的地址的模塊接收，即點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接。

但是，這個(gè)地址匹配將會(huì)僅發(fā)生在同一網(wǎng)絡(luò)和通道上的模塊之間。如果兩個(gè)模塊位于不同的網(wǎng)絡(luò)或通道上，則無論其地址如何，它們都無法通信。電路板和屏蔽可以直接一起工作，但有時(shí)可能需要從Arduino電路板上運(yùn)行的代碼配置XBee模塊。這需要開關(guān)處于Micro位置并使模塊進(jìn)入配置模式，它需要三個(gè)加號(hào)：+++并且前后需要至少一秒，在此期間沒有其他字符被發(fā)送到模塊。請(qǐng)注意，這包括新行或回車符。設(shè)置配置模式后，模塊將發(fā)回兩個(gè)字符“OK”，然后回車。

發(fā)送命令預(yù)期響應(yīng)

+++確定

一旦進(jìn)入配置模式，AT命令可用于控制模塊。命令字符串的格式為ATxx（其中xx是設(shè)置的名稱）。要讀取設(shè)置的當(dāng)前值，請(qǐng)發(fā)送命令字符串，然后發(fā)送回車符。要為設(shè)置寫入新值，請(qǐng)發(fā)送命令字符串，緊接著是新設(shè)置（中間沒有空格或換行符），然后是回車符。例如，要讀取模塊的網(wǎng)絡(luò)ID（確定它將與之通信的其他XBee模塊），請(qǐng)使用‘ATID’命令：

發(fā)送命令預(yù)期響應(yīng)

ATID 3332 《 br》

更改模塊的網(wǎng)絡(luò)ID：

發(fā)送命令預(yù)期響應(yīng)

ATID3331 OK

檢查設(shè)置已生效：

發(fā)送命令預(yù)期響應(yīng)

ATID 3331

除非將更改寫入非易失性內(nèi)存，否則它們只會(huì)生效模塊失去動(dòng)力。要永久保存更改，請(qǐng)以相同方式使用ATWR命令：

發(fā)送命令預(yù)期響應(yīng)

ATWR確定

將模塊重置為工廠設(shè)置，使用ATRE命令：

發(fā)送命令預(yù)期響應(yīng)

ATRE確定

請(qǐng)注意，與其他命令一樣，重置將不會(huì)是永久性的，除非您按照ATWR命令執(zhí)行。

Laird嵌入式無線解決方案的Arduino ModFLEX Shield使用SiFLEX02，結(jié)合了高性能802.15.4無線電和微控制器，經(jīng)濟(jì)高效，預(yù)先認(rèn)證，I/O連接器與Arduino開源平臺(tái)兼容。

該模塊具有900 MHz DSSS收發(fā)器，帶有RF放大器電路的Atmel無線電，以及Atmel ATRXMEGA微控制器，使其具有與主板相同的環(huán)境。它預(yù)先加載了運(yùn)行在Atmel 802.15.4 MAC之上的主機(jī)串行接口。屏蔽具有完整的調(diào)試和編程功能，可以開發(fā)自定義應(yīng)用程序，并且可以輕松地將ZigBee堆棧或MAC加載到模塊上以創(chuàng)建自定義網(wǎng)絡(luò)。

該模塊具有250 mW的輸出功率，可提供2英里的視距范圍以及1 Mbps RF數(shù)據(jù)速率。

其他無線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

通過使用面包板原型系統(tǒng)，可以使用獨(dú)立的無線模塊為Arduino板構(gòu)建屏蔽。這允許其他設(shè)備用于創(chuàng)建屏蔽以處理其他拓?fù)?，例?a href="http://www.wenjunhu.com/tags/wi-fi/" target="_blank">Wi-Fi。

圖3：用于連接無線模塊的Arduino面包板。

Microchip的RN-171模塊是一個(gè)獨(dú)立的完整TCP/IP無線網(wǎng)絡(luò)模塊，可與原型板一起使用以提供Wi-Fi連接。由于其小巧的外形和極低的功耗，RN-171非常適合移動(dòng)無線應(yīng)用，如Arduino屏蔽。

圖4：Microchip Wi-Fi模塊。

它集成了2.4 GHz無線電，TCP/IP協(xié)議棧，實(shí)時(shí)時(shí)鐘，加密加速器，電源管理和模擬傳感器接口。該模塊預(yù)裝了固件，以簡(jiǎn)化集成并最大限度地減少應(yīng)用程序的開發(fā)。在最簡(jiǎn)單的配置中，硬件僅需要四個(gè)連接（PWR，TX，RX和GND）來創(chuàng)建無線數(shù)據(jù)連接。 RN-171還包括一個(gè)內(nèi)置的HTML客戶端，可自動(dòng)將串行UART數(shù)據(jù)或傳感器數(shù)據(jù)發(fā)布到Web服務(wù)器。

其他拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括用于連接機(jī)器對(duì)機(jī)器（M2M）網(wǎng)絡(luò)的Bluetooth?。

萊爾德科技無線M2M AC4490 900 MHz無線電模塊使用經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證的FHSS技術(shù)，無需額外的站點(diǎn)許可即可替代工業(yè)環(huán)境中的數(shù)英里電纜。該模塊包括抗干擾功能，可與其他網(wǎng)絡(luò)協(xié)同工作，同時(shí)保持?jǐn)?shù)據(jù)完整它可以通過使用12針接頭的原型面包板連接到Arduino板。

AC4490的功能包括插入式安裝，多種即時(shí)控制命令，以及用作直接電纜更換的功能，無需特殊的主機(jī)軟件進(jìn)行通信。所有跳頻，同步和RF系統(tǒng)數(shù)據(jù)發(fā)送/接收由模塊執(zhí)行。

圖5：Laird藍(lán)牙M2M模塊。

無線電模塊可實(shí)現(xiàn)超過20英里的開放場(chǎng)范圍，在900 MHz頻段內(nèi)具有高傳播，并包括1 W功率傳輸選項(xiàng)和接收鏈中的靈敏低噪聲放大器。它支持單播（一對(duì)一尋址）和廣播（一對(duì)多尋址）模式，以及具有硬件和/或軟件ACK指示的確認(rèn)模式（ACK）API，以確保已接收到數(shù)據(jù)。還有一個(gè)信標(biāo)模式和一個(gè)動(dòng)態(tài)無線電數(shù)據(jù)表，可保留多達(dá)12個(gè)無線電模塊的數(shù)據(jù)。

Internet連接

構(gòu)建無線網(wǎng)關(guān)的另一方面是將其連接到Internet，這很簡(jiǎn)單，使用以太網(wǎng)屏蔽，特別是如果它可以使用以太網(wǎng)供電（PoE）技術(shù)。 Arduino ETH Shield包含一個(gè)PoE模塊，允許Arduino板使用以太網(wǎng)庫(kù)連接到LAN。它包括一個(gè)帶有源電壓轉(zhuǎn)換器的微型SD卡連接器和板載復(fù)位控制器，可通過以太網(wǎng)供電。

結(jié)論

將Nano等低成本處理器板與XBee等無線屏蔽相結(jié)合，可以創(chuàng)建易于開發(fā)的無線控制器。通過添加具有自身功率的以太網(wǎng)屏蔽，該組合可以成為將模塊，傳感器和執(zhí)行器鏈接到Internet的無線網(wǎng)關(guān)，以便智能手機(jī)和平板電腦等設(shè)備可以控制它們。 Arduino IDE提供了一個(gè)強(qiáng)大的開發(fā)環(huán)境，項(xiàng)目的開源特性允許輕松獲取庫(kù)和代碼并用于構(gòu)建網(wǎng)關(guān)。