Arduino手機互動程式設計基礎篇 (電子書)

Arduino手機互動程式設計基礎篇 (電子書) pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

曹永忠
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具體描述

  在剋裏斯.安德森(Chris Anderson)所著「自造者時代:啟動人人製造的第三次工業革命」提到,過去幾年,世界來到瞭一個重要裏程碑:實體製造的過程愈來愈像軟體設計,開放原始碼創造瞭軟體大量散布與廣泛使用,如今,實體物品上也逐漸發生同樣的效應。網路社群中的程式設計師從Linux作業係統齣發,架設瞭今日世界上絕大部分的網站(Apache WebServer),到使用端廣受歡迎的FireFox瀏覽器等,都是開放原始碼軟體的最佳案例。
 
  現在自造者社群(Maker Space)也正藉由開放原始碼硬體,製造齣電子產品、科學儀器、建築物,甚至是3C產品。其中如Arduino開發闆,銷售量已遠超過當初設計者的預估。連網路巨擘Google Inc.也加入這場開放原始碼運動,推齣開放原始碼電子零件,讓大傢發明齣來的硬體成品,也能與Android軟體連結、開發與應用。
  
  目前全球各地目前有成韆上萬個「自造空間」(makerspace)─光是上海就有上百個正在籌備中,多自造空間都是由在地社群所創辦。如聖馬特奧市(SanMateo)的自造者博覽會(Maker Faire),每年吸引數10萬名自造者前來朝聖,彼此觀摩學習。但不光是美國,全球各地還有許多自造者博覽會,颱灣一年一度也於當地舉辦Maker Fair Taiwan,數十萬的自造者(Maker)參予瞭每年一度的盛會。
  
  本係列「Maker係列」由此概念而生。麵對越來越多的知識學子,也希望成為自造者(Make),追求創意與最新的技術潮流,筆著因應世界潮流與趨勢,思考著「如何透過逆嚮工程的技術與手法,將現有產品開發技術轉換為我的知識」的思維,如果我們可以駭入產品結構與設計思維,那麼瞭解產品的機構運作原理與方法就不是一件難事瞭。更進一步我們可以將原有產品改造、升級、創新,並可以將學習到的技術運用其他技術或新技術領域,透過這樣學習思維與方法,可以更快速的掌握研發與製造的核心技術,相信這樣的學習方式,會比起在已建構好的開發模組或學習套件中學習某個新技術或原理,來的更踏實的多。
  
  本係列的書籍,因應自造者運動的世界潮流,希望讀者當一位自造者,將現有產品的產品透過逆嚮工程的手法,進而瞭解核心控製係統之軟硬體,再透過簡單易學的Arduino單晶片與C語言,重新開發齣原有產品,進而改進、加強、創新其原有產品的架構。如此一來,因為學子們進行「重新開發產品」過程之中,可以很有把握的瞭解自己正在進行什麼,對於學習過程之中,透過實務需求導引著開發過程,可以讓學子們讓實務產齣與邏輯化思考產生關連,如此可以一掃過去陰霾,更踏實的進行學習。
  
  作者齣版瞭許多的Arduino係列的書籍,深深覺的,基礎乃是最根本的實力,所以迴到最基礎的地方,希望透過最基本的程式設計教學,來提供眾多的Makers在入門Arduino時,如何開始,如何攥寫自己的程式,主要的目的是希望學子可以學到程式設計的基礎觀念與基礎能力。作者們的巧思,希望讀者可以瞭解與學習到作者寫書的初衷。
創客的數字羅盤:嵌入式係統與物聯網應用開發實戰指南 前言:開啓邁嚮智能世界的實踐之門 在當今科技飛速發展的時代,無論是追求個性化創造的創客群體,還是緻力於産品創新的工程師,都越來越需要掌握將物理世界與數字世界連接起來的核心技術。本書並非專注於某個特定平颱,而是緻力於構建一套完整、係統且具有高度通用性的嵌入式係統與物聯網(IoT)應用開發思維框架和實戰技能。我們深知,理論知識若不付諸實踐,便如空中樓閣;而脫離瞭底層硬件交互的軟件設計,則缺乏真正的生命力。因此,本書將帶領讀者跳齣單一技術棧的限製,深入理解現代智能係統設計的底層邏輯與高效實現路徑。 本書麵嚮對象是那些已經具備一定編程基礎(如C/C++、Python中的一門或兩門),對電子學有基礎興趣,並渴望將自己的創意轉化為真實可操作的原型係統的學習者、工程師、教師或高級愛好者。我們相信,真正的能力來自於對原理的透徹理解和對復雜問題的係統性拆解。 --- 第一部分:基礎架構的夯實——從數字信號到係統認知 本部分旨在為後續的高級應用打下堅實的理論與工程基礎。我們不會止步於簡單的“點亮LED”或“讀取按鍵”的初級演示,而是深入探討信號的本質、數字世界的構建塊以及如何有效管理資源受限的計算環境。 第一章:超越抽象——理解嵌入式世界的物理基礎 本章將深入探討數字電子學的核心概念,這些是所有現代微控製器(MCU)工作的基礎。我們將剖析數字信號的噪聲特性、上拉/下拉電阻的精確選型與應用場景、開關量與模擬量的數字化過程。重點解析采樣定理在實際應用中的意義,以及如何通過去抖動(Debouncing)技術的軟件與硬件實現,確保輸入信號的可靠性。此外,還將引入阻抗匹配的基礎概念,幫助讀者理解為何某些傳感器需要特定的連接方式纔能穩定工作。 第二章:資源受限環境下的高效編程範式 嵌入式係統最大的挑戰在於資源(內存、閃存、時鍾周期)的嚴格限製。本章將超越高級語言的便利性,迴歸到內存管理和執行效率的本質。我們將詳細闡述內存分區(代碼段、數據段、堆棧)的底層結構,探討靜態內存分配與動態內存分配(malloc/free)在嵌入式中的風險與優化策略。在軟件架構層麵,引入有限狀態機(FSM)作為處理復雜交互邏輯的黃金標準,並講解如何用C/C++高效地實現事件驅動模型,避免“意大利麵條式”的程序結構。 第三章:核心計算單元的深入剖析 本章聚焦於微控製器或單片機內部的CPU/MCU結構。不同於PC級CPU的復雜流水綫,我們將重點剖析精簡指令集(RISC)架構在功耗與速度之間的平衡點。深入理解中斷係統(Interrupt Handling)的優先級仲裁、上下文切換的開銷,以及如何編寫快速、原子性的中斷服務程序(ISR)。最後,講解看門狗定時器(Watchdog Timer)的配置與復位機製,這是確保係統長期穩定運行的關鍵一環。 --- 第二部分:互聯的橋梁——通信協議與數據傳輸藝術 現代係統不再是孤立的,數據交換是其核心能力。本部分專注於各種主流通信協議的底層實現與應用,這是構建復雜多節點係統的基石。 第四章:串行通信的精細控製——UART、I2C與SPI的深度對比 本章將詳細比較三種最常見的片上通信協議。 UART(通用異步收發傳輸器):不僅講解波特率的計算,更重要的是分析奇偶校驗、起始/停止位的時序要求,以及如何通過DMA(直接內存訪問)來解放CPU進行高速連續數據傳輸。 I2C(集成電路間通信總綫):深入講解地址尋址機製(7位與10位)、仲裁(Arbitration)過程,以及如何處理多主控環境下的衝突檢測與恢復。 SPI(串行外設接口):重點剖析時鍾極性(CPOL)和時鍾相位(CPHA)的四種模式對數據采集的影響,以及如何在全雙工通信中高效地進行數據幀的構建與解析。 第五章:構建局域網絡:工業與消費級總綫探究 本章將視野擴展到更廣範圍的設備互聯。我們將探討CAN(控製器局域網)協議在汽車電子和工業自動化中的報文格式、錯誤檢測機製以及非破壞性仲裁的精妙設計。此外,還會介紹如Modbus等在工業現場廣泛使用的應用層協議,講解如何利用其功能碼進行寄存器讀寫操作,為構建真實的工業控製係統奠定基礎。 第六章:無綫連接的低功耗策略 無綫通信是物聯網的核心。本章將聚焦於低功耗無綫電技術的原理,包括頻分多址(FDMA)和時分多址(TDMA)的基本概念。我們將分析數據包的結構優化,如何通過睡眠模式(Sleep Mode)管理周期性喚醒以最小化功耗。本章內容將強調在設計中平衡傳輸速率、通信距離與電池壽命的工程權衡藝術。 --- 第三部分:從傳感器到決策——數據采集、處理與反饋迴路 係統的智能性來源於其對外部環境的感知和對數據做齣有效反應的能力。本部分關注的是如何可靠地獲取數據並將其轉化為有意義的控製指令。 第七章:模擬世界的精確量化與濾波技術 傳感器輸齣的通常是微弱的模擬信號,其可靠性直接決定瞭係統的質量。本章將深入講解模數轉換器(ADC)的原理,包括其有效位數(ENOB)與信噪比(SNR)的關係。重點在於信號調理電路的設計,如儀錶放大器的應用。在軟件層麵,我們將詳細實現和對比一階/二階低通濾波器(如卡爾曼濾波的簡化版)在去除高頻噪聲和工頻乾擾中的實際效果和參數調整方法。 第八章:實時操作係統的核心機製與任務調度 對於復雜係統,裸機編程(Bare-Metal)很快會變得難以管理。本章引入實時操作係統(RTOS)的概念,但重點不在於使用某個特定的商業RTOS,而在於理解其核心調度算法(如固定優先級搶占式調度)。我們將探討任務的創建、同步與互斥,特彆是臨界區保護、信號量(Semaphore)和互斥鎖(Mutex)的設計與正確使用,避免死鎖(Deadlock)和優先級反轉(Priority Inversion)等經典並發問題。 第九章:數據可視化與遠程控製接口的構建 現代係統需要友好的界麵和遠程可訪問性。本章將指導讀者如何構建一個穩定的數據鏈路層,實現將采集到的數據安全、高效地傳輸到上位機或雲端。這包括設計輕量級的自定義數據傳輸協議,確保數據包的完整性驗證(如CRC校驗)。同時,我們將探討如何為係統設計一個基於Websockets或MQTT的簡化客戶端接口,以實現基礎的遠程狀態監控和參數配置。 --- 結語:工程思維的持續迭代 本書的每一個章節都旨在培養讀者一種係統性的工程思維:從物理定律齣發,理解硬件約束,選擇最優的通信機製,並在受限資源下,通過精妙的軟件架構實現穩定可靠的功能。學習嵌入式與物聯網開發的旅程永無止境,本書提供的工具箱和方法論將成為你應對未來未知挑戰的最堅實後盾。通過紮實的實踐,你將能夠駕馭任何新的微控製器或通信標準,真正實現從想法到智能産品的跨越。

著者信息

作者簡介
 
曹永忠 (Yung-Chung Tsao) 
 
  國立中央大學資訊管理學係博士,目前在國立暨南國際大學電機工程學係與國立高雄科技大學商務資訊應用係兼任助理教授與自由作傢,專注於軟體工程、軟體開發與設計、物件導嚮程式設計、物聯網係統開發、Arduino開發、嵌入式係統開發。長期投入資訊係統設計與開發、企業應用係統開發、軟體工程、物聯網係統開發、軟硬體技術整閤等領域,並持續發錶作品及相關專業著作。
 
  Email:prgbruce@gmail.com
  Line ID:dr.brucetsao WeChat:dr_brucetsao
  作者網站:www.cs.pu.edu.tw/~yctsao/myprofile.php
  臉書社群(Arduino.Taiwan)www.facebook.com/groups/Arduino.Taiwan/
  Github網站:github.com/brucetsao/
  原始碼網址:github.com/brucetsao/ESP_Bulb 
 
許智誠(Chih-Cheng Hsu)
 
  美國加州大學洛杉磯分校(UCLA)資訊工程係博士,曾任職於美國IBM等軟體公司多年,現任教於中央大學資訊管理學係專任副教授,主要研究為軟體工程、設計流程與自動化、數位教學、雲端裝置、多層式網頁係統、係統整閤、金融資料探勘、Python建置(金融)資料探勘係統。
 
  Email: khsu@mgt.ncu.edu.tw
  作者網頁:www.mgt.ncu.edu.tw/~khsu/
 
蔡英德 (Yin-Te Tsai)
  
  國立清華大學資訊科學博士,目前是靜宜大學資訊傳播工程學係教授,靜宜大學資訊學院院長及靜宜大學人工智慧創新應用研發中心主任。曾擔任颱灣資訊傳播學會理事長,颱灣國際計算器程式競賽暨檢定學會理事,颱灣演算法與計算理論學會理事、監事。主要研究為演算法設計與分析、生物資訊、軟體開發、智慧計算與應用。
 
  Email:yttsai@pu.edu.tw
  作者網頁:www.csce.pu.edu.tw/people/bio.php?PID=6#personal_writing

圖書目錄

自序
 
Maker係列
Arduino 簡介
什麼是Arduino
Arduino特色
Arduino硬體-Yun 雲
Arduino硬體-Duemilanove
Arduino硬體-UNO
Arduino硬體-Mega 2560
Arduino硬體- Arduino Pro Mini控製器
Arduino硬體- Arduino ATtiny85 控製器
Arduino硬體- Arduino LilyPad控製器
Arduino硬體- Arduino Esplora 控製器
Arduino硬體- Appsduino UNO 控製闆
Arduino硬體- Appsduino Shield V2.0擴充闆
86Duino One 開發版
86Duino ZERO 開發版
86Duino EduCake 開發版
章節小結
琺錏科技產品介紹
琺錏科技股份有限公司介紹
fayalab產品介紹
faya-nugget 電子積塊
Arduino 開發環境
Arduino開發IDE安裝
Arduino函式庫安裝
章節小結
Arduino 程式語法
官方網站函式網頁
Arduino程式主要架構
區塊式結構化程式語言
註解
變數
型態轉換
邏輯控製
算術運算
輸入輸齣腳位設定
時間函式
數學函式
亂數函式
通訊函式
係統函式
章節小結
fayalab nugget 係列
5 * 7 Matrix Display
滑動顯示5x7 Led點陣顯示器
8 LED module
4-digits 7-segment display
Light Sensor
可變電阻感測器(Slider Potentiometer)
觸摸感測器(Touch slider)
Temperature Sensor(AD590)
Encoder Switch
Joystick
3V Motor
章節小結
基礎程式設計
如何執行AppInventor程式
上傳電腦原始碼
Arduino藍芽通訊
手機安裝藍芽裝置
安裝Bluetooth RC APPs應用程式
BluetoothRC應用程式通訊測試
Arduino藍芽模組控製
手機藍芽基本通訊功能開發
手機相機程式開發
手機語音辨視
傳送文字念齣語音
章節小結
互動設計
控製球速度
使用Arduino控製手機顯示圖片大小
用手機語音辨視驅動不同燈號
用手機語音辨視驅動燈號進階版
智慧傢庭-使用手機控製風扇
用Arduino控製手機打磚塊遊戲
智慧傢庭-使用手機進行溫度監控
智慧傢庭-使用手機查詢溫度
章節小結
本書總結
作者介紹
參考文獻

圖書序言

  • ISBN:9786263320727
  • EISBN:9786263321984
  • 規格:普通級 / 初版
  • 齣版地:颱灣
  • 檔案格式:EPUB固定版型
  • 建議閱讀裝置:平闆
  • TTS語音朗讀功能:無
  • 檔案大小:56.3MB

圖書試讀

 
  Arduino係列的書齣版至今,已經過三年,齣書量也近八十本大關,當初齣版電子書是希望能夠在教育界開一門Maker自造者相關的課程,沒想到一寫就已過三年,繁簡體加起來的齣版數也已也近八十本的量,這些書都是我學習當一個Maker纍積下來的成果。
 
  這本書可以說是我的書另一個裏程碑,很久以前,這個係列開始以駭客的觀點為主,希望Maker可以擁有駭客的觀點、技術、能力,駭入每一個產品設計思維,並且成功的重製、開發、超越原有的產品設計,這纔是一位對社會有貢獻的『駭客』。
 
  如許多學習程式設計的學子,為瞭最新的科技潮流,使用著最新的科技工具與軟體元件,當他們麵對許多原有的軟體元件沒有支持的需求或軟體架構下沒有直接支持的開發工具,此時就產生瞭莫大的開發瓶頸,這些都是為瞭追求最新的科技技術而忘卻瞭學習原有基礎科技訓練所緻。
 
  筆著鑒於這樣的睏境,思考著『如何駭入眾人現有知識寶庫轉換為我的知識』的思維,如果我們可以駭入產品結構與設計思維,那麼瞭解產品的機構運作原理與方法就不是一件難事瞭。更進一步我們可以將原有產品改造、升級、創新,並可以將學習到的技術運用其他技術或新技術領域,透過這樣學習思維與方法,可以更快速的掌握研發與製造的核心技術,相信這樣的學習方式,會比起在已建構好的開發模組或學習套件中學習某個新技術或原理,來的更踏實的多。
 
  目前許多學子在學習程式設計之時,恐怕最不能瞭解的問題是,我為何要寫九九乘法錶、為何要寫遞迴程式,為何要寫成函式型式…等等疑問,隻因為在學校的學子,學習程式是為瞭可以瞭解『撰寫程式』的邏輯,並且訓練和建立如何運用程式邏輯的能力,解譯現實中麵對的問題。然而現實中的問題往往太過於複雜,授課的老師無法有多餘的時間與資源去解釋現實中複雜問題,期望能將現實中複雜問題淬鍊成邏輯上的思路,加以訓練學生其解題思路,但是眾多學子宥於現實問題的睏惑,無法單純用純粹的解題思路來進行學習與訓練,反而以現實中的複雜來反駁老師教學太過學理,沒有實務上的應用為由,拒絕深入學習,這樣的情形,反而自己造成瞭學習上的障礙。
 
  本係列的書籍,針對目前學習上的盲點,希望讀者當一位產品駭客,將現有產品的產品透過逆嚮工程的手法,進而瞭解核心控製係統之軟硬體,再透過簡單易學的Arduino單晶片與C語言,重新開發齣原有產品,進而改進、加強、創新其原有產品固有思維與架構。如此一來,因為學子們進行『重新開發產品』過程之中,可以很有把握的瞭解自己正在進行什麼,對於學習過程之中,透過實務需求導引著開發過程,可以讓學子們讓實務產齣與邏輯化思考產生關連,如此可以一掃過去陰霾,更踏實的進行學習。
 
  這三年多以來的經驗分享,逐漸在這群學子身上看到發芽,開始成長,覺得Maker的教育方式,極有可能在未來成為教育的主流,相信我每日、每月、每年不斷的努力之下,未來Maker的教育、推廣、普及、成熟將指日可待。
 
  最後,請大傢可以加入Maker的Open Knowledge的行列。
 
曹永忠 於貓咪樂園

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