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[Arduino机器人课程] 用Android控制Arduino小车

本文发表于《中国信息技术教育》杂志，作者：温州中学谢作如，南京师范大学刘正云

用Arduino做一辆小车，原本是一个入门的项目，很多人都做过。但是，这辆小车如果能用Android手机或者平板来控制，无疑就有趣多了。在MIT的App Inventor帮助下，编写Android系统上的App程序，也能够以搭积木的形式完成。同样，Arduino方面的代码，也能够采用一款图形化的编程插件——ArduBlock来编写。用Android控制Arduino小车，就成为一个技术门槛很低，却非常具有挑战性的综合性任务了。

一、项目描述

本项目指设计一辆能够通过Android手机控制的小车，小车控制板采用开源硬件Arduino。通过手机屏幕或者手机的重力传感器，能控制小车的前进、后退、左转、右转、原地转等各种功能。本项目的难度设计为小学生都能完成，所以小车的程序我们选择用ArduBlock编写，手机的程序由App Inventor编写。

因为Arduino机器人的形式很多，如智能灯、机械臂，人形机器人等等，所以这个项目具有一定的可扩展性，还可以实现更多的功能。

二、通讯分析

Android手机和Arduino小车的通讯方式很多，但是蓝牙方式无疑是最简单、最方便的选择，因为蓝牙已经成为Android手机的标配。App Inventor中有蓝牙的编程模块，能实现通过蓝牙来读取和发送数据。大部分的Arduino控制板，都预设了蓝牙模块的接口，而蓝牙模块的价格也相对低廉，淘宝上随处可买。

手机控制小车的程序设计分为手机程序和小车程序，即上位机与下位机两个部分。手机（上位机）部分通过手机自带的蓝牙发送控制命令，如前进、后退、左右转等。小车（下位机）部分则根据蓝牙模块（串口）收到的命令，做出相应的动作。具体的通讯过程如图1所示。

图1 手机和小车通讯示意图

在这个项目中，设计手机和小车的通讯数据格式是关键，即手机发送的数据分别代表什么命令。考虑到我们使用的ArduBlock教育版只能获取串口数据中的数字，所以我们设计了下面的通讯协议，分别定义了数据和命令对应关系，如表1。

表1 通讯协议表

三、Arduino小车搭建和程序设计

（一）硬件搭建

我们选择了DFrobot公司的RoMeo V1和MiniQ小车底盘，这是我们设计的开源课程《Arduino创意机器人》中使用的机器人套件，如图2。《Arduino创意机器人》课程是国内第一个完全开源的STEM课程，所有的教学资源，如微视频、电子教材、教学设计等都能在网上下载，关于小车的搭建步骤详见我们的课程资源，这里不再叙述。

图2 Arduino小车

《Arduino创意机器人》课程资源下载地址：http://pan.baidu.com/s/1qWFJ0EK

一般而言，蓝牙模块有四条线需要和Arduino连接，分别为5V、GND、TX和RX。5V和GND要和Arduino上的5V和GND一一对应，但是RX接在Arduino的TX上，TX要接在Arduino的RX上。因为我们选择的蓝牙模块也DFrobot公司的，小车使用的控制板为RoMeo V1,上面已经集成了蓝牙模块接口，插上就可以直接使用，不用另外接线，如图3。

图3 插上蓝牙模块的Arduino小车

RoMeo V1上使用的模块为DF-BluetoothV3蓝牙串口模块。

（二）程序编写

小车的程序比较简单，先将串口读取到的数值负值给变量a，再使用“如果”模块进行判断即可。这里的数值“1”、“2”、“3”、“4”、“9”分别根据通讯协议（数据和命令对应表）来设置小车的动作，具体代码见图4。

注意：

1.如果电机M1和M2为150时小车没有前进，反而转弯了，只要调整电机的接线即可。

2.如果用Arduino下载程序出现错误，请先把蓝牙模块取下，等下载成功后再插入。

图4 ArduBlock代码

（三）小车通讯测试

给小车下载程序后，应先做通讯协议方面的测试。这里的测试分为两步：

第一步：使用串口监视器测试。

先用Arduino的串口监视器，通过USB串口给小车发送1、2、3、4、9的数字，看小车是否能做出相应的动作。别忘了要把小车的轮子悬空哦！

第二步：使用手机蓝牙串口工具测试。

如果你的电脑有蓝牙适配器，可以试着连接Arduino的蓝牙模块，然后通过串口监视器发送数据，如果成功，就说明蓝牙模块工作正常。当然也可以直接跳过这一步，直接用手机的蓝牙连接，用“蓝牙串口助手”发送数据来测试。

一般来说，如果第一步测试通过而第二步没有成功，请检查蓝牙模块的波特率。ArduBlock使用的串口波特率是9600，蓝牙模块的波特率也要设置为9600才能正常通讯（DFRobot的蓝牙模块默认波特率就是9600）。蓝牙模块的波特率可以通过AT命令来设置，请查阅技术文档或者询问蓝牙产品的技术人员。总之，蓝牙的波特率要和代码中一致才可以正常通讯。

注意：如果使用DFRobot的V7扩展板，一定要记着把板子上的小开关扳到“RUN”一档！

四、Android程序设计

（一）App界面设计

App Inventor分为在线版和离线版两种，二者在使用上没有什么区别。如果网络够快，就用在线版吧。不过如果是大班教学，应该要自己搭建一个离线版的服务器。

控制Arduino小车的App软件在编写上并不难。我们在界面设计上并没有花多大功夫，主要还是侧重于其功能实现，如图5。

图5 App的界面设计和控件

App中添加的控件如下：

Button（上、下、左、右箭头以及stop按键）:按键,按下后通过蓝牙发送相应的数字；

ListPicker(Select Device):按下它，会访问到一个列表，用来存储蓝牙信息；

HorizontalArrangement/VerticalArrangement：用于排版，使页面整齐美观；

BluetoothClient：蓝牙连接客户端控件，主要用于配对蓝牙，连接以及通信；

Notifier：警示窗口，当软件运行出现意外时，会提示相关信息，以避免程序崩溃。

（二）App功能实现

1.连接蓝牙

点击Select Device时，应该出现选择蓝牙设备的界面，如图6。

图6 蓝牙设备列表

选择ListPicker1控件的BeforePicking事件，编写如下代码，如图7。

图7 App代码

需要说明的是，图6中列出的是手机已经配对过的蓝牙设备。如果还没有配对，请先使用手机系统自带的蓝牙管理器来配对设备。

为了使App操作更加简洁，我们可以让选择设备后，手机就开始连接蓝牙，连接蓝牙的代码要写在ListPicker1控件的AfterPicking事件中，如图8。

图8 App代码

2.发送数据

App主要通过上下左右四个箭头控制小车前进、后退、左右转，通过stop键让小车停止，代码分别如图9。

图9 App代码

这样一来，按下不同的按钮，手机就会通过蓝牙发送不同的数据。虽然上述的代码并不是很完善，但是已经基本具备了上位机的功能。赶紧编译程序，安装到手机上试试吧。

四、拓展应用

这个手机控制小车的项目还是比较简单的，最大的不足是无法动态调速。当然，我们可以设计一个摇杆来发送更加复杂的数据给Arduino小车：如1200表示前进200，2100表示后退100等等。只要设计好通讯协议，编写代码并不困难。图10是我设计的一个用摇杆控制小车速度和方向的App界面。

图10 App界面

因为Android手机上有重力加速度传感器（AccelerometerSensor）和方向传感器（OrientationSensor）。如果利用这两个传感器来控制小车的方向和速度，项目的可玩性就更强了。当然，我们要设计的通讯协议也要复杂起来了。

五、总结

在这个项目的基础上，我们还可以实现很多其他的功能，比如解决单独使用语音模块控制小车声音干扰的问题，制作出无线控制的语音识别模块，或者是直接调用Google的语音库，制作出手机语音控制的机器人小车......不要小看图形化编程软件，App Inventor和ArduBlock已经足够强大了，赶紧动手吧！

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