描述

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簡介和動機：

有很多關(guān)于如何在您的項目中使用 arduino/genuino 101 的板載慣性測量單元 (IMU) 的優(yōu)秀教程。例如：，但缺少有關(guān)如何使用 Arduino/Genuino 101 的板載低功耗藍(lán)牙 (BLE) 傳輸此數(shù)據(jù)的信息。

本教程項目將演示一種使用 Evothings Workbench 通過 BLE 將原始 IMU 數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭苿釉O(shè)備的方法。本教程還將展示如何使用Smoothie.js庫 以圖形方式實時顯示 IMU 數(shù)據(jù)。

你需要什么

• Arduino/Genuino 101 板
• USB電纜
• Arduino IDE 1.6.8
• 我們定制的 arduino 草圖，imuble01.ino
• Evothings 工作臺和 Evothings 查看器?
• Smoothie.js來自 SmoothieCharts?
• 我們修改后的應(yīng)用文件index.html和app.js

軟件

該項目的代碼已注釋，我鼓勵您閱讀它。我不會提供所有代碼如何工作的逐行細(xì)分，而是強調(diào)我認(rèn)為最重要的領(lǐng)域。

對于 BLE 連接的 Arduino/Genuino 101 項目，了解所需軟件的整體布局非常重要。除了電路板上的 Arduino 草圖之外，您還必須編寫軟件才能在移動設(shè)備上運行。為了編寫草圖，我們使用熟悉的 Arduino IDE 以及我們項目所需的庫 CurieIMU 和 CurieBLE。

要為移動設(shè)備開發(fā)我們的軟件，有兩大類選項：

• 直接為我們希望與之交互的移動設(shè)備的操作系統(tǒng)編寫本機應(yīng)用程序。
• 使用 JavaScript/HTML/CSS 三重奏編寫一個 Web 應(yīng)用程序，它基本上可以在任何平臺上運行。

在我與 BLE 合作的最初努力中，我面臨的挑戰(zhàn)不僅是學(xué)習(xí) BLE，而且還必須了解這些選項。這就是 Evothings 的用武之地。Evothings 平臺是一個完整的“生態(tài)系統(tǒng)”。借助 EvothingsStudio，我們可以使用 JavaScript/HTML/CSS 編寫我們軟件的移動應(yīng)用程序組件。通過在我們的移動設(shè)備上運行 EvothngsViewer 應(yīng)用程序，我們可以訪問設(shè)備的原生功能，例如 BLE。Evothings 平臺包括一個名為 easyble.js 的庫，該庫具有通過 BLE 連接與您的 Arduino/Genuino 101 項目建立和通信的所有必要功能。

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如果您擔(dān)心不了解 HTML/CSS/JavaScript 會阻礙您，我可以保證在開始這些項目和使用 Evothings 之前，我沒有任何網(wǎng)絡(luò)編程經(jīng)驗。我確實有 C/Arduino C 和 Python 方面的經(jīng)驗，但沒有 HTML/CSS/JavaScript 方面的經(jīng)驗。evothings 網(wǎng)站包含大量優(yōu)秀的教程和文章 可幫助您入門。如果您有一些基本的編程知識，并且愿意通讀并學(xué)習(xí)一些有趣的代碼示例，那么請立即投入并使用這個非凡的工具！

Arduino草圖

我為 arduino 項目編寫軟件的首要原則是建立在其他人的工作之上，這個項目也不例外。我使用加速度計和陀螺儀原始數(shù)據(jù)訪問示例草圖作為我項目草圖的基礎(chǔ)。這些位于 CurieIMU 庫 ( http://www.arduino.cc/en/Reference/CurieIMU )參考頁面的底部。我從加速度計草圖開始，然后將相關(guān)的陀螺儀草圖元素剪切并粘貼到其中。

低功耗藍(lán)牙

當(dāng)我第一次開始使用 BLE 時，我對所有新術(shù)語感到不知所措。我希望它會像通過串行端口發(fā)送消息一樣簡單。如果您感到不知所措，請不要擔(dān)心，只需開始嘗試即可。您使用它的次數(shù)越多，您就越有信心在您的項目中使用 BLE！有許多很好的教程可以幫助您入門。開始學(xué)習(xí)的幾個好地方是 CurieBLE 庫參考和 Adafruit BLE 教程：

BLE 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了服務(wù)，這些服務(wù)是相關(guān)數(shù)據(jù)值的集合或集合。在 BLE 的世界中，這些值被稱為特性。每個服務(wù)和特征都由一個通用唯一標(biāo)識符 (uuid) 指定。對于官方接受的服務(wù)，這些 uuid 是為您指定的。信不信由你，我找不到慣性測量的標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)！所以對于這個應(yīng)用程序，我必須為我的“imu 服務(wù)”生成一個自定義 uuid。對于自定義服務(wù)，您必須創(chuàng)建自己的 128 位自定義 uuid。這很容易做到，并且有很多資源可以生成這些 uuid。我使用的是一個在線 uuid 生成器：

完成后，您可以使用 CurieBLE 庫創(chuàng)建 BLE 服務(wù)：

BLEService imuService("917649A0-D98E-11E5-9EEC-0002A5D5C51B"); // 自定義 UUID

BLECharacteristic imuAccCharacteristic("917649A1-D98E-11E5-9EEC-0002A5D5C51B", BLERead | BLENotify, 12 );

BLECharacteristic imuGyroCharacteristic("917649A2-D98E-11E5-9EEC-0002A5D5C51B", BLERead | BLENotify, 12 );

BLEUnsignedCharCharacteristic appButtonCharacteristic("917649A7-D98E-11E5-9EEC-0002A5D5C51B", BLERead | BLEWrite );

請閱讀 Arduino/Genuino 101 網(wǎng)站上的 BLE 代碼示例（https://www.arduino.cc/en/Tutorial/Genuino101CurieBLEHeartRateMonitor) 和此代碼中的注釋以進(jìn)一步了解如何設(shè)置您的 BLE 服務(wù)和特性。通過 BLE 發(fā)送浮點數(shù)：所有 BLE 數(shù)據(jù)都以字節(jié)形式傳輸。因此，無論您的數(shù)據(jù)是來自整數(shù)、字符還是浮點數(shù)，都必須將其轉(zhuǎn)換為字節(jié)才能通過 BLE 傳輸。無需將 IMU 數(shù)據(jù)作為浮點數(shù)傳輸，CurieIMU 接口允許您以整數(shù)形式訪問原始 IMU 數(shù)據(jù)。然而，這兩個示例應(yīng)用程序都將這些原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為具有物理意義的浮點數(shù)。這些轉(zhuǎn)換基于 CurieIMU 參考中推薦的公式。對于加速度計，建議使用以下公式將原始加速度計讀數(shù)轉(zhuǎn)換為 mg：

? ? ?浮動 g = (gRaw/32768.0)*getAccelerometerRange()

我們有什么選擇來處理這個問題？

• 我們可以通過 BLE 發(fā)送原始數(shù)據(jù)整數(shù)，并在我們軟件的移動應(yīng)用程序端實現(xiàn)推薦的方程。這將問題轉(zhuǎn)移到移動應(yīng)用程序上。
• 我們可以將浮點數(shù)轉(zhuǎn)換為字符串。字符串只是 char 數(shù)組，或者另一種看待它們的方式是字節(jié)數(shù)組。然后我們可以在移動應(yīng)用程序方面隨意轉(zhuǎn)換或解碼這些字節(jié)。這是 CurieBLE 庫 ( http://www.arduino.cc/en/Reference/CurieBLE ) 的教程/參考所暗示的解決方案。
• 我們可以使用一些 C 編程魔法將我們的浮點數(shù)轉(zhuǎn)換為它們的 char 數(shù)組或字節(jié)等價物，然后通過 BLE 將它們發(fā)送給移動應(yīng)用程序“解碼”。

選項 1 很好，但沒有教給我們?nèi)魏涡聳|西。此外，當(dāng)我們最終獲得只能作為浮點數(shù)使用的數(shù)據(jù)時，我們將回到我們開始的地方。英特爾居里模塊非常強大，那么為什么不使用它來執(zhí)行計算并讓移動應(yīng)用程序來處理其他瑣事呢？選項 2 是一種非常常用且可接受的方法，但涉及處理字符串和字符串轉(zhuǎn)換的所有開銷。

選項 3 可能是最復(fù)雜的，但也是最有效的。我們跳過了處理字符串的所有開銷。在這個選項中，我們還將學(xué)習(xí)如何使用代表我們數(shù)據(jù)的實際字節(jié)。我們將更深入地了解我們的計算機如何表示和存儲數(shù)字。我們還將獲得以 Arduino C 為核心的信心。最重要的是，這個選項也將為我們贏得一些嚴(yán)肅的“極客信譽”，因此作為優(yōu)秀的制造者和黑客，我們當(dāng)然會選擇選項 #3！

選項#3：

所有數(shù)據(jù)類型在內(nèi)存中都有一個底層表示。了解浮點數(shù)的存儲和表示方式是我們解決方案的關(guān)鍵。Arduino C 使用 32 位或 4 個字節(jié)來表示和存儲一個浮點數(shù)。char 和 unsigned char 數(shù)據(jù)類型都使用 4 位或 1 字節(jié)來表示和存儲 char 數(shù)據(jù)。

unsigned char 是 CurieBLE 庫中數(shù)據(jù)交換的“貨幣”：

/**

* 設(shè)置 Characteristic 的當(dāng)前值

* @param value 要設(shè)置的新值，作為字節(jié)數(shù)組。數(shù)據(jù)存儲在內(nèi)部副本中。

* @param length 數(shù)組中要寫入的有效數(shù)據(jù)的長度，以字節(jié)為單位。

* 不得超過為此特征設(shè)置的 maxLength。

* @return bool true 設(shè)置值成功，錯誤為 false

*/

bool setValue(const unsigned char value[], unsigned short length);

如您所見，為了使用setValue()函數(shù)更改特征的值，我們需要將數(shù)據(jù)作為 char 數(shù)組傳遞（unsigned char 數(shù)組與字節(jié)數(shù)組相同）。

所以現(xiàn)在的問題變成了，我們?nèi)绾蝹鬟f一個浮點數(shù)和一個無符號字符數(shù)組？我們可以通過使用 C 語言union來做到這一點。union關(guān)鍵字允許我們讓不同數(shù)據(jù)類型的變量在內(nèi)存中共享相同的空間。由于 C 中的浮點數(shù)占用 4 個字節(jié)，我們希望與 4 個無符號字符的數(shù)組共享 4 個字節(jié)的內(nèi)存空間。

從某種意義上說，編譯器并不真正關(guān)心我們?nèi)绾谓忉屪止?jié)，它只是保留空間并允許我們使用這個空間，就好像它是我們聯(lián)合中的一種數(shù)據(jù)類型一樣。但是，當(dāng)我們在程序中使用變量時，我們必須非常小心，以確保正確考慮變量的大小和類型。

實際上，在我們的例子中，我們需要從加速度計和陀螺儀中分別考慮 3 個浮點數(shù)。每個軸一個浮點數(shù)。我們可以為每個變量考慮一個單獨的變量、聯(lián)合和 BLE 特征。但是，知道每個浮點數(shù)的長度為 4 個字節(jié)，并且每次 BLE 傳輸最多可以發(fā)送 20 個字節(jié)，我們可以使用 2 個聯(lián)合、2 個 3 個浮點數(shù)的數(shù)組發(fā)送完整的加速度計和陀螺儀數(shù)據(jù)集，并且只需2 個特性，每個特性 12 個字節(jié)。這不僅會使我們的代碼更具可讀性和可管理性，而且效率更高。

為此，我們將使用聯(lián)合來共享 3 個浮點數(shù)數(shù)組（需要 12 個字節(jié)）和一個 12 個無符號字符數(shù)組之間的空間。這樣做是這樣的：

聯(lián)盟

{

? ? ?浮動一個[3]；

? ? 無符號字符字節(jié)[12]；

} 數(shù)據(jù)；

當(dāng)從 IMU 讀取數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)換為浮點數(shù)時，我們將其分配給聯(lián)合體的浮點元素：

? ?CurieIMU.readAccelerometer(axRaw, ayRaw, azRaw);

? ?accData.a[0] = convertRawAcceleration(axRaw);

? ?accData.a[1] = convertRawAcceleration(ayRaw);

? ?accData.a[2] = convertRawAcceleration(azRaw);

不幸的是，我們還沒有完成。如果我們嘗試將聯(lián)合傳遞給setValue()函數(shù)，我們的編譯器會抱怨并且不讓我們繼續(xù)。完成這項工作還需要一個步驟。我們必須讓編譯器相信我們的并集實際上是一個無符號字符數(shù)組，方法是這樣轉(zhuǎn)換。演員表是一種編程魔法，它允許我們將一種數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換為另一種數(shù)據(jù)類型（https://www.arduino.cc/en/Reference/Cast）。在某些情況下，這可能會導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，但在我們的例子中，由于我們只是處理字節(jié)，我們根本不會丟失任何信息。然而，為了執(zhí)行這個轉(zhuǎn)換，我們確實需要使用一些指針魔法：

? ?unsigned char *acc = (unsigned char *)&accData;

讓我們翻譯一下：

首先，&accData獲取我們 12 個字節(jié)的內(nèi)存位置的地址。然后，(unsigned char *)&accData告訴編譯器我們認(rèn)為這個內(nèi)存位置被視為一個無符號數(shù)組字符。實際上，這是一個指向該內(nèi)存位置第一個字節(jié)的指針。最后，unsigned char *acc將變量acc分配給這個指針。要處理的內(nèi)容很多，但多讀幾遍就會明白。如果沒有，只需按原樣使用模式發(fā)送數(shù)據(jù)。對陀螺儀數(shù)據(jù)重復(fù)完全相同的命令模式。?現(xiàn)在我們可以繼續(xù)使用移動應(yīng)用程序了。

JavaScript/HTML/CSS 移動應(yīng)用程序：

為了開發(fā)我們的移動應(yīng)用程序，必須學(xué)習(xí) JavaScript/HTML/CSS 似乎是一件苦差事。但是，時間和精力將是值得的！它將為您的項目打開許多機會，并允許您利用許多令人興奮的庫進(jìn)行編程。一個這樣的庫，smoothie.js將在此處討論。為了幫助您學(xué)習(xí)如何使用 JavaScript/HTML/CSS，Evothings 網(wǎng)站和 Evothings 工作臺提供了大量示例和教程來幫助您。就本項目而言，我發(fā)現(xiàn)最簡單的方法是修改 TI SensorTag CC2650 示例。此示例代碼遵循功能強大的結(jié)構(gòu)，易于閱讀，并且已經(jīng)具有我們項目所需的大部分功能。每個示例都有一個包含許多文件的目錄樹，乍一看可能看起來很復(fù)雜，但出于我們的目的，我們只需要修改示例根目錄中的兩個文件 index.html 和app.js ，并將smoothie.js庫添加到我們的項目目錄。下面的項目配方涵蓋了這些步驟

移動應(yīng)用程序的亮點：

沒有什么可以替代閱讀代碼，但我將在這里介紹一些亮點。請記住，我們的 IMU 數(shù)據(jù)將作為無符號字符或字節(jié)數(shù)組通過 BLE 發(fā)送。幸運的是，JavaScript 提供了易于使用的函數(shù)來將這些字節(jié)轉(zhuǎn)換回任何形式的數(shù)據(jù)。這是一個代碼片段，它將我們的加速度計字節(jié)轉(zhuǎn)換回 JavaScript 中的浮點數(shù)：

? ?var ax = new DataView(data).getFloat32(0, true);

? ?var ay = new DataView(data).getFloat32(4, true);

? ?var az = new DataView(data).getFloat32(8, true);

字節(jié)通過 data 變量傳遞到我們的函數(shù)中。此數(shù)據(jù)用于實例化 DataView。一旦我們有了這個，我們就可以調(diào)用 DataView 對象的許多方法之一來將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為我們想要的表示形式。在?這種情況下，我們要將其轉(zhuǎn)換回浮點數(shù)。還記得我們從 Arduino/Genuino 101 IMU 創(chuàng)建的浮點數(shù)是 4 字節(jié)還是 32 位長？getFloat32 ()函數(shù)專門用于處理 32 位浮點表示。我們發(fā)送到getFloat32()的參數(shù)功能非常重要。第一個是一個數(shù)字，這個數(shù)字在我們的例子中是 0、4 或 8，表示我們的 4 字節(jié)浮點數(shù)的第一個字節(jié)的字節(jié)偏移或索引。第二個參數(shù) true 表示我們的浮點數(shù)是小端格式。就是這樣，很簡單。我們現(xiàn)在可以將所有的 分配給一個變量ax、ay或az來表示沿每個軸的加速度。

現(xiàn)在，擁有這些數(shù)據(jù)的實時滾動圖形表示不是很巧妙嗎？當(dāng)然會！為了實現(xiàn)這一點，我們將使用Smoothie.js庫。我相信這說明了使用 JavaScript/HTML/CSS 為連接設(shè)備開發(fā)移動應(yīng)用程序的力量。幾乎所有您能想到的用途都有免費且易于使用的庫和框架。

Smoothie.js庫在?http://smoothiecharts.org/??網(wǎng)站上?有完整的描述。為了學(xué)習(xí)如何使用該庫，作者創(chuàng)建了一個 10 分鐘的教程（http://smoothiecharts.org/tutorial.html）。在查看示例并閱讀他們的教程后，您應(yīng)該能夠輕松地使用他們的代碼來創(chuàng)建自己的繪圖。作者還創(chuàng)建了一個構(gòu)建器頁面 ( http://smoothiecharts.org/builder/ )，允許您以圖形方式自定義繪圖。根據(jù)您的意愿對繪圖進(jìn)行格式化后，您可以從構(gòu)建器頁面底部的文本框中剪切代碼并將其直接粘貼到您的應(yīng)用程序中。

我們將從smoothiecharts.org 主頁下載smoothie.js庫到我們的移動應(yīng)用程序目錄中以使用它。請按照以下項目配方中的說明執(zhí)行此操作。index.html 中的以下行允許我們在應(yīng)用程序中使用該庫：

這就是教學(xué)的內(nèi)容。讓我們做這個項目吧！

硬件：

Arduino/Genuino 101。

因為 Arduino/Genuino 101 帶有板載 BLE 和 IMU 功能，所以無需制作電路！只需通過 USB 將您的計算機連接到您的計算機以上傳草圖并訪問 Arduino 軟件 (IDE) 的串行監(jiān)視器窗口以進(jìn)行調(diào)試。

項目配方：

我假設(shè)您已經(jīng)安裝了 Arduino IDE、對英特爾居里的板級支持以及所有必要的庫。如果沒有，請在此處獲取說明：https://www.arduino.cc/en/Guide/Arduino101。

1) 下載并安裝 EvothingsStudio 和 EvothingsViewer ( http://evothings.com/download/ )。按照此處特定于您的操作系統(tǒng)和移動平臺的說明進(jìn)行操作。

2) 啟動 Evothings Workbench 并單擊示例選項卡。

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3) 復(fù)制 TI SensorTag CC2650 演示應(yīng)用程序并為其命名。

4) 使用文件瀏覽器，進(jìn)入 EvothingsStudio/MyApps 目錄，找到您在步驟 3 中重命名的項目的主目錄。

5) 選擇 index.html 文件并將其重命名為 index_old.html。

6) 選擇 app.js 文件并將其重命名為 app_old.js。

7) 現(xiàn)在將本項目教程中的 index.html 和 app.js 文件復(fù)制到新項目的主目錄中。

8) 創(chuàng)建一個名為 Smoothie 的目錄。

9) 轉(zhuǎn)到 smoothiecharts.org 并單擊標(biāo)有下載 Smoothie.js 的按鈕。Smoothie.js 庫的文本應(yīng)顯示在您的瀏覽器中。

10) 單擊瀏覽器的文件選項卡，然后選擇將頁面另存為。在步驟 8 中創(chuàng)建的 Smoothie 目錄中將此頁面另存為 Smoothie.js。

11) 使用 USB 電纜將您的 Arduino/Genuino 101 連接到您的計算機。

12) 使用您的 Arduino IDE 1.6.8，將 imu_ble.ino 草圖上傳到 Arduino/Genuino 101。

13) 打開串口連接。在建立 BLE 連接之前，不會從 arduino/genuino101 imu 發(fā)送數(shù)據(jù)，因此此時您不應(yīng)期望看到任何串行數(shù)據(jù)。

14) 返回 EvothingsWorkbench 并從 Connect 選項卡中獲取您的連接密鑰。

15) 在您的移動設(shè)備上啟動 EvothingsViewer 并輸入連接密鑰。

16) 點擊移動應(yīng)用主頁上的開始按鈕。

17) 建立連接后，您應(yīng)該會在移動設(shè)備上看到以下消息，狀態(tài)：數(shù)據(jù)流活動 - 加速度計。值應(yīng)該在 Arduino IDE 串行窗口上流式傳輸，并且線條應(yīng)該在加速度計和陀螺儀圖上滾動。

18) 搖晃、扭轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)動 Arduino/Genuino101！

結(jié)論：

您可以選擇多種方法來收集、傳輸和顯示 IMU 數(shù)據(jù)，但我相信這里介紹的方法是最有教益的方法。仔細(xì)閱讀代碼并對其進(jìn)行試驗確實沒有替代品。你的努力會得到回報。作為創(chuàng)客，我們越是真正了解我們的項目是如何運作的，我們就越能完成：

“投入勞動力的最佳紅利總是來自尋求更多的知識，而不是更多的權(quán)力。” 1906 年 3 月 12 日簽署威爾伯和奧維爾賴特。”

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