从软体设计高度进行的Arduino硬体开发 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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本书介绍了以Arduino 为基础的创新产品构思、设计、实现与营运。
　
　　设计篇：介绍创新产品的设计方法。
　　实现篇：介绍开放原始码智慧硬体平台和各种感测器及模组。
　　应用篇：从四个方面的应用进行介绍，包含游戏类别产品开发、控制类别产品开发、互动类别产品开发和物联网开发。

　　无论是新手还是熟练开发人员，都能从本书中找到有用的资讯。针对目前快速发展的物联网及智慧硬体产业，提供产品创意及实现的完整过程，透过Arduino 开放原始码硬体平台，可以快速上手智慧硬体的研发，提供解决方案。
 

《从软体设计高度进行的Arduino硬体开发》图书简介 本书旨在为那些熟悉软件开发思维，希望将这种结构化、系统化的设计方法应用于新兴的电子原型制作领域，特别是基于Arduino平台的读者，提供一套全新的硬件开发范本。我们摒弃了传统电子学教材中那种偏重于元件规格和底层寄存器操作的叙事方式，转而采用一种面向对象、模块化、可维护性优先的视角来审视Arduino硬体开发过程。 本书的核心理念是：优秀的硬件设计，如同优秀的软件架构一样，必须具备清晰的层次划分、明确的接口定义和健壮的错误处理机制。 第一部分：重塑思维——软件架构视角下的硬件解构 本部分是全书的理论基石，它引导读者如何用“类”、“接口”、“抽象”和“设计模式”的思维去理解和操作物理世界中的硬件组件。 1. 硬件的“面向对象”抽象： 我们将详细探讨如何将传感器、执行器（如电机、继电器）视为具有特定“职责”和“状态”的“对象”。例如，一个温度传感器不再仅仅是一串ADC读数，而是一个具备`readTemperature()`、`setSamplingRate()`等明确接口的抽象类实例。我们将介绍如何构建基础的C++类结构来封装这些硬件行为，使得主程序逻辑摆脱对底层I/O端口的直接依赖。 2. 状态机在嵌入式系统中的应用与深化： 软件开发中的状态机（State Machine）是管理复杂流程的关键。本书将深入剖析如何将复杂的硬件交互——例如伺服电机的启动、运行、归位、安全停机——构建成一个精巧的状态迁移图。我们不仅关注`switch-case`的简单实现，更会引入有限状态自动机（FSM）框架，用于管理多个并发设备的状态同步，确保系统在复杂的输入组合下不会进入不可预测的状态。 3. 接口与依赖倒置原则（DIP）的实践： 电子原型开发的最大痛点之一是更换元件时需要大量修改代码。本书将着重介绍如何使用C++的纯虚函数和抽象基类来定义硬件接口标准（如`IActuator`, `ISensor`）。通过依赖倒置，我们将实现“代码不依赖于具体的硬件实现，而依赖于抽象的接口”，从而实现真正的热插拔式硬件升级。 第二部分：模块化与分层——构建可维护的固件架构 本部分侧重于将上述设计理念落实到实际的代码结构中，目标是创建出类似于成熟商业产品的、具有清晰分层和明确边界的Arduino固件。 1. 分层架构的引入： 我们将Arduino项目结构划分为至少三个清晰的逻辑层： 硬件抽象层（HAL）： 专门负责与Arduino底层寄存器、库（如Wire, SPI）直接交互，实现对特定芯片（如I2C总线上的EEPROM、特定型号的ADC芯片）的封装。 设备服务层（DSL）： 建立在HAL之上，提供高层级的设备操作，例如`MotorController::move_to_angle(90.0)`，此层不再关心是步进电机还是直流电机，只关注操作意图。 应用逻辑层（AL）： 系统的“大脑”，负责处理业务逻辑、解析用户输入、执行决策，完全不直接接触I/O端口。 2. 配置文件与编译时选择： 传统的Arduino项目倾向于在代码中硬编码引脚号和元件型号。本书将展示如何利用C++的预处理器指令（`ifdef`, `define`）和模板元编程，实现一套代码库对不同硬件版本的兼容。读者可以仅通过修改配置文件或编译选项，切换底层使用的传感器型号或执行器类型，而无需修改核心业务逻辑代码。 3. 健壮的错误与异常处理机制： 嵌入式系统经常面临物理世界的不可靠性（如传感器连接松动、电源波动）。我们将构建一套轻量级的嵌入式错误日志与恢复机制。重点讨论如何在资源受限的环境中，模拟软件工程中的“异常抛出与捕获”概念，确保系统在遇到硬件故障时，能够优雅地进入安全模式或记录错误信息，而不是简单地“挂起”。 第三部分：高级抽象——数据流与并发的模拟 本部分将探讨如何处理复杂系统中的时间同步和多任务协作，尽管Arduino（默认使用单核MCU）的并发能力有限，但通过精巧的设计，可以模拟出更高级的并行处理效果。 1. 异步事件驱动模型的初步探索： 传统的`loop()`函数是同步阻塞的。本书将介绍如何使用回调函数（Callbacks）和定时器中断来构建一个基础的事件驱动框架。例如，将一个长耗时的操作（如读取一个复杂的环境传感器）封装成一个任务，当数据准备好时，通过回调函数通知上层逻辑，从而释放主循环去处理其他任务，提高了系统的响应性。 2. 数据的“管道化”与流处理： 借鉴软件中的数据管道概念，我们探讨如何处理连续的传感器数据流。从原始模拟信号到最终决策输出，中间经过一系列的转换和过滤步骤（例如：ADC读取 -> 噪声滤波 -> 单位转换 -> 阈值判断）。本书将展示如何用链式调用的方式（模仿LINQ或Reactive Streams的理念）来定义这些数据处理步骤，使得数据流的路径清晰可见，易于调试和修改。 3. 版本控制与文档驱动的开发流程： 最后，我们将强调将软件工程的最佳实践引入硬件开发。如何使用Git进行细粒度的版本控制（代码与硬件连接图的同步）、如何利用Doxygen或类似工具从代码中自动生成接口文档，确保当多个开发者协作或项目维护周期延长时，硬件的实现细节能够被清晰地追溯和理解。 本书不教授如何焊接电路板或选择电阻电容的精确值，而是假设读者已具备基础的电子常识。其目标是提供一套严谨的、可扩展的、高内聚低耦合的软件设计范式，应用于Arduino的固件开发中，使开发者能够像构建复杂企业级软件一样去设计和实现嵌入式系统。

前言

第一篇：设计篇
Chapter 01  程式设计方法
1.1 流程图
1.1.1 流程图示准符号
1.1.2 流程图基本结构
1.2 N-S 图
1.3 PAD 图
Chapter 02  EDA 设计工具
2.1 Fritzing
2.1.1 软体简介
2.1.2 软体用法简介
2.1.3 Arduino 电路范例
2.1.4 Arduino 范例支援与程式设计
2.2 Virtual Breadboard
2.2.1 软体简介
2.2.2 软体用法简介
2.3 Proteus
2.3.1 软体简介
2.3.2 软体用法简介
2.3.3 Arduino 范例
2.4 EAGLE
2.4.1 软体简介
2.4.2 软体用法简介
2.4.3 Arduino 元件函数库汇入

第二篇：实现篇
Chapter 03  开放原始码硬体概述
3.1 开放原始码硬体的概念
3.2 主流开放原始码硬体简介
3.2.1 Arduino   
3.2.2 Raspberry Pi  
3.2.3 BeagleBone
3.2.4 Netduino
Chapter 04  Arduino 平台
4.1 Arduino 的特点
4.2 Arduino 开发环境
4.2.1 Arduino IDE 的安装
4.2.2 Arduino IDE 的使用  
4.3 程式语言
4.3.1 Arduino 程式设计基础
4.3.2 数位I/O 介面的操作函数
4.3.3 模拟I/O 介面的操作函数
4.3.4 进阶I/O Pulseln(pin,state,timeout)  
4.3.5 时间函数
4.3.6 中断函数
4.3.7 序列埠通讯函数
4.3.8 Arduino 的函数库函数
Chapter 05  Arduino 资料获取
5.1 温湿度撷取
5.1.1 原理
5.1.2 实验程式
5.2 水位撷取
5.2.1 原理
5.2.2 实验程式
5.3 光强撷取
5.3.1 原理
5.3.2 实验程式
5.4 气体感测器
5.4.1 原理
5.4.2 实验程式
5.5 超音波感测器
5.5.1 原理
5.5.2 实验程式
5.6 压力感测器
5.6.1 原理
5.6.2 实验程式
5.7 风速感测器
5.7.1 原理
5.7.2 实验程式
5.8 拍照模组
5.8.1 原理
5.8.2 实验程式
Chapter 06 Arduino 显示控制
6.1 LED
6.1.1 原理
6.1.2 电路图
6.1.3 实验程式
6.2 数位管
6.2.1 原理
6.2.2 电路图
6.2.3 实验程式
6.3 点阵
6.3.1 原理
6.3.2 点阵的使用方法
6.3.3 实验程式
6.4 液晶LCD
6.4.1 原理
6.4.2 电路图
6.4.3 接脚扩充
6.4.4 实验程式
Chapter 07 Arduino 电流量控制
7.1 直流马达
7.1.1 原理
7.1.2 电路图
7.1.3 实验程式
7.2 步进马达
7.2.1 原理
7.2.2 电路图
7.2.3 实验程式
7.3 伺服
7.3.1 原理
7.3.2 电路图
7.3.3 实验程式
7.4 继电器
7.4.1 原理
7.4.2 电路图
7.4.3 实验程式
Chapter 08 Arduino 通讯控制
8.1 SPI 序列埠通讯
8.1.1 原理
8.1.2 电路图及使用
8.1.3 实验程式
8.2 红外线通讯
8.2.1 原理
8.2.2 电路图及使用
8.2.3 实验程式
8.3 RFID 通讯
8.3.1 原理
8.3.2 电路图及使用
8.3.3 实验程式
8.4 Ethernet 通讯
8.4.1 原理
8.4.2 电路图及使用
8.4.3 实验程式
8.5 WiFi 通讯
8.5.1 原理
8.5.2 电路图及使用
8.5.3 实验程式
8.6 BlueTooth 通讯
8.6.1 原理
8.6.2 电路图及使用
8.6.3 实验程式
8.7 XBee 通讯
8.7.1 原理
8.7.2 电路图及使用
8.7.3 实验程式

第三篇：应用篇
Chapter 09 游戏类别开发
9.1 Jumping Pong
9.1.1 功能构思
9.1.2 设计原理
9.1.3 参考程式
9.2 打地鼠游戏机
9.2.1 功能构思
9.2.2 设计原理
9.2.3 参考程式
Chapter 10 控制类别开发
10.1 蓝牙控制智慧车
10.1.1 功能构思
10.1.2 设计原理
10.1.3 参考程式
10.2 可抓取机械手臂
10.2.1 功能构思
10.2.2 设计原理
10.2.3 参考程式
Chapter 11 互动类别开发
11.1 虚拟爵士鼓
11.1.1 功能构思
11.1.2 设计原理
11.1.3 参考程式
11.2 触控按键互动设计
11.2.1 功能构思
11.2.2 设计原理
11.2.3 参考程式
Chapter 12 物联网开发
12.1 植物生长帮手
12.1.1 功能构思
12.1.2 设计原理
12.1.3 参考程式
12.2 环境资讯撷取系统
12.2.1 功能构思
12.2.2 设计原理
12.2.3 参考程式
12.3 家居灯光控制系统
12.3.1 功能构思
12.3.2 设计原理
12.3.3 参考程式
Chapter 13 智慧农业设计与开发
13.1 简介
13.2 系统逻辑结构图
13.3 开发板选型
13.3.1 开发板简介
13.3.2 参考程式
13.4 感知层的设计
13.4.1 流程图
13.4.2 Arduino 的GET、POST 程式
13.5 平台层的设计
13.5.1 建立RESTFul WCF 服务
13.5.2 相关资料库设计
13.5.3 平台资料介面开发
13.5.4 Fiddler 测试REST 服务
13.5.5 撰写平台图片资料接收
13.5.6 Arduino 请求平台

序

　　2014 年是物联网元年，智慧硬体发展方兴未艾，其广泛用于家居、电器、工业控制等各个领域，而代表着个性化、订制化和智慧化的工业4.0 时代也已经悄悄来临。智慧产品需要满足不同消费者的多样性需求，未来智慧硬体的市场极大，这为创客创新产品，自主创业提供了无限空间，必将形成大众创业、万众创新的发展局面。

　　那么，如何才能在未来的发展中佔得先机，毫无疑问是拥有良好素质的人才，换言之，具有良好创新意识的创客就是未来社会发展的重要力量，创客的基本素质决定着未来产品的竞争力。

　　「设计篇」为创新构思提供了实际的设计工具，使得创新构思以实际的形式表现出来，本篇主要包含软体设计方法和硬体设计方法两部分，将为产品实现提供概要设计和详细设计，保障构思的产品能够顺利实现。

　　「实现篇」以构思和设计为基础的基础，对最后产品实现所需要的开放原始码硬体以及各种元件进行了介绍，包含开放原始码平台、各种感测器和模组，从功能、使用方法、电路的连接和实例程式等方面说明，以便迅速完成构思和设计的产品。

　　「应用篇」在前几篇的基础上，综合应用了各种技术，加强产品的整体效能和可实现性，对于好的产品，可以实现产品的营运，本篇从四个方面的应用进行介绍，包含游戏类别开发、控制类别开发、互动类别开发和物联网开发。

　　本书是作者在科学研究和实作教学中的经验归纳，一方面，作者目前的研究方向是物联网和智慧硬体研发，既有创新模式和方法的分析，也有产品设计、实现细节及程式码实现的案例。

　　本书无论是新手还是熟练开发人员，都能从书中找到有用的资讯。针对目前快速发展的物联网及智慧硬体产业，提供了产品创意及实现的完整过程，透过Arduino 开放原始码硬体平台，可以快速上手智慧硬体的研发，为大专院校学生、创客和电子同好提供了解决方案。
 

评分☆☆☆☆☆

聽聞《從軟體設計高度進行的Arduino硬體開發》這本書，讓我眼睛一亮。我過去在學習 Arduino 時，總覺得自己是在「拼湊」硬體，然後硬是把程式碼「塞」進去，很多時候感覺只是在解決眼前的小問題，缺乏長遠的規劃。這本書的名稱，正好點出了我一直以來渴望突破的瓶頸：如何更有系統、更有架構性地進行 Arduino 開發。 我很好奇，書中會不會深入探討如何為 Arduino 專案建立一套清晰的軟體架構。例如，它會不會引導我們思考如何將不同的功能模組化，讓程式碼更易於理解和維護？過去我寫的程式碼，常常是「大鍋炒」，所有東西都擠在一起，要找個 Bug 簡直像大海撈針。如果能有像「軟體工程」那樣的思維，先把架構設計好，再往裡面填充細節，那將會是天壤之別。 而且，隨著 Arduino 的應用範圍越來越廣，從簡單的感測器數據收集，到複雜的自動化控制系統，甚至與物聯網平台整合，程式碼的規模和複雜度都在不斷增加。這本書能否提供一些方法，讓我們能夠更有效地管理這種複雜性？例如，會不會討論如何利用一些進階的程式設計技巧，來提升程式碼的可讀性、可重用性和可測試性？我非常期待能從這本書中學到，如何在資源有限的 Arduino 微控制器上，實現更高級別的軟體設計理念。

评分☆☆☆☆☆

聽說有這本《從軟體設計高度進行的Arduino硬體開發》，我腦袋裡立刻就浮現了過去那些為了讓 Arduino 跑起來，而修改了無數次程式碼的經歷。總是覺得，自己好像是被硬體牽著鼻子走，程式碼寫得亂七八糟，有時候一個小小的改動，就會引起一連串的連鎖反應。這本書的書名，聽起來就像是提供了一個全新的視角，要把開發的重心從「硬體怎麼動」轉移到「軟體怎麼寫得更好」。 我非常好奇，書裡面會不會介紹一些與「軟體設計」相關的進階概念，然後說明它們如何巧妙地應用在 Arduino 的開發環境中。像是，有沒有可能學習如何建立更有彈性的程式架構，讓我們在未來需要升級硬體或擴展功能時，能夠更輕鬆地應對，而不是要從頭來過？又或者，書中會不會探討如何運用一些設計模式，例如單例模式、工廠模式，來優化 Arduino 的程式碼，讓它更具擴展性和可維護性？ 尤其是在處理一些較為複雜的專案時，例如需要同時讀取多個感測器的數據、控制多個馬達的運動，同時還需要透過藍牙或Wi-Fi與外部設備通訊，如果沒有一套良好的軟體設計，程式碼很快就會變得難以捉摸。這本書能否提供一些具體的指導，幫助我們在開發初期就建立起穩固的軟體基礎，避免後續開發過程中的種種問題？我真的很期待能從中學到，如何寫出更「聰明」、更有條理的 Arduino 程式碼。

评分☆☆☆☆☆

這本《從軟體設計高度進行的Arduino硬體開發》聽起來完全打中我的痛點。我一直以來都是那種「先把硬體接起來，再看看程式碼怎麼寫」的開發者，很多時候，專案進行到一半，就會發現程式碼越來越難以管理，像是疊床架屋一樣。所以，聽到這本書強調的是從軟體設計出發，我真的覺得耳目一新。 我很好奇，書中會不會探討如何將一些較為成熟的軟體設計原則，例如模組化、介面設計，甚至是一些較為進階的設計模式（Design Patterns），應用到 Arduino 的程式碼撰寫上。想像一下，如果能把不同的功能模組化，就像樂高一樣，需要什麼就組合什麼，那開發速度肯定會大幅提升。而且，如果能事先定義好模組之間的介面，將來更換硬體元件時，程式碼需要修改的部分也會更少。 再者，對於一些稍微複雜的專案，例如需要處理多個感測器輸入、控制多個致動器，並且還需要與雲端或其他設備進行通訊的場合，程式碼的邏輯判斷和流程控制就變得非常重要。這本書若能提供一套結構化的軟體設計方法，幫助我們理清這些複雜的邏輯，讓程式碼更易讀、易懂、易維護，那絕對是無價的。我特別期待它能分享一些實際的範例，展示如何透過軟體設計的技巧，來優化 Arduino 專案的效能和穩定性。

评分☆☆☆☆☆

這本《從軟體設計高度進行的Arduino硬體開發》，光聽書名就讓我想起我以前大學寫嵌入式系統的痛苦回憶。那時候，根本哪懂什麼軟體設計，就是一股腦地把東西接上去，然後開始寫 C 語言，常常寫到一半就卡住，不知道是硬體問題還是程式碼寫錯。這本書感覺就是直指核心，告訴你，別再被硬體綁死了，先把你腦中的想法、邏輯，用軟體設計的方式梳理清楚，再來跟硬體溝通。 我很好奇，書裡會不會講到一些軟體工程裡常見的測試方法，例如單元測試、整合測試，然後教我們怎麼把它們應用到 Arduino 這種嵌入式平台。畢竟，我們常常寫完一段程式碼，就直接燒錄到板子上測試，有時候問題出現了，卻很難追溯是哪個環節出了錯。如果能有系統地學習如何測試，肯定能省下不少時間。 而且，現在 Arduino 的應用越來越廣泛，從簡單的 LED 閃爍，到控制機器手臂、甚至是一些小型機器人，邏輯都變得越來越複雜。如果我們還停留在傳統的程序式寫法，那專案的複雜度一高，程式碼就會變得像一團亂麻，要修改、要除錯，簡直是個夢魘。這本書的「軟體設計高度」這個角度，或許能提供一套更優雅、更具擴展性的開發思維。我特別想知道，書裡會不會介紹一些狀態管理、事件驅動這類軟體架構的觀念，並且說明它們如何能讓 Arduino 的程式碼更清晰、更有條理，甚至更容易與其他系統整合。

评分☆☆☆☆☆

喔，這本書，聽書名《從軟體設計高度進行的Arduino硬體開發》就覺得蠻特別的。我平常接觸Arduino，多半是從硬體端出發，想著哪個感測器可以接，哪個馬達可以轉，然後再去找對應的程式碼來湊。但這本書好像是反其道而行，從軟體架構的角度切入，讓我很想知道，這樣到底會碰撞出什麼火花。 想像一下，過去我可能常常在除錯時，一頭霧水地在各種函式庫和硬體引腳之間來回比對，花了很多時間才釐清問題。如果這本書能提供一套有邏輯、有系統的軟體設計思維，就像是為我們的Arduino專案蓋一層堅固的骨架，之後再往上堆疊硬體元件，是不是就能大大提高開發效率，減少無謂的摸索？尤其是在處理比較複雜的專案時，比如物聯網裝置、自動化控制系統，光是程式碼就可能寫到上千行，如果沒有好的軟體架構，光是閱讀和理解都快讓人暈頭轉向了。 我蠻期待書裡會不會介紹一些進階的軟體設計模式，像是物件導向、狀態機，甚至是更像嵌入式Linux那種層層剝離的架構，應用在Arduino這樣資源有限的微控制器上。而且，台灣的創客社群其實很活躍，很多人都有自己的專案想法，但常常會被硬體的複雜性或是程式碼的管理所困擾。如果這本書能提供一些實用的方法論，讓大家能更結構化、更有組織地進行開發，那絕對是造福廣大的Arduino愛好者。我很好奇，它會不會討論到如何將軟體設計的原則，例如模組化、可測試性，有效地應用到Arduino的程式碼中，讓整個專案更容易維護和擴展。