讓Arduino成為Android的“可穿戴設備”

Android手機雖然已經附帶了多種傳感器，如方向、重力、距離、加速度等。并且早在Android2.3（gingerbread）系統中，Google就提供了11種傳感器供應用層使用。但是，并非所有Android手機都把這些傳感器配齊了，如溫度、濕度、氣壓之類的傳感器就不常見。為了使Android手機能支持更多的應用，越來越多的手機外設就涌現出來，可穿戴設備開發在短時間內就成為了硬件開發方面的“時尚”。其實，可穿戴設備的開發門檻并不高，通過Arduino，我們也可以初步體驗Android的“可穿戴設備”的開發。

可穿戴設備指直接穿在身上，或是整合到用戶的衣服或配件的一種便攜式設備。手機可穿戴設備將會給我們的生活、感知帶來很大的轉變。但是，可穿戴設備中的傳感器未必一定是手機中所沒有的，如最近很流行的智能手環，其核心傳感器就是加速度傳感器和陀螺儀，都是智能手機標配的傳感器。我們選擇了溫度和濕度傳感器，通過Arduino將傳感器數值發送給Android手機，以期通過這一項目來體驗可穿戴設備和手機的信息互動。

● 項目描述

本項目設計了一個簡單的通訊協議，讓Arduino能通過藍牙將各種傳感器（以溫度和濕度傳感器為例）的信息傳輸到Android手機，并顯示出來。本項目的難度設計為中小學生都能完成，Arduino的程序我們選擇用ArduBlock編寫，而手機的程序由App Inventor編寫。這個項目的流程如圖1所示。

● 項目分析

1.協議設計

與本欄目上期文章《用Android控制Arduino小車》一樣，首先需要為Android和Arduino設計通訊協議。這個協議規定了數據的格式以及數據代表的意義。針對ArduBlock教育版和App Inventor的特點，我設計了一個簡單的通訊協議，各類數據的含義說明如表1。

因為App Inventor沒有二進制的數據處理能力，這個通訊協議只能使用字符形式傳送數值。雖然效率不高，但也通俗易懂。之所以采用6個字符，是因為Arduino的A/d的轉換分辨率為10位，即0～1023之間，需要留下4個字符，第一個字符是為了標識模擬傳感器的針腳。而第二個字符永遠是1，并沒有實際作用，僅僅是因為在ArduBlock教育版可以使用“10000+傳感器值”的簡單表達式來補足傳感器數值不足4位時需要補上的“0”。

另外，ArduBlock教育版的串口打印會自動加上回車（這也是教育版為了簡化積木模塊而犧牲其更多功能的無奈之舉），回車和換行剛好要占去2個字節，實際一次傳輸的是8個字符（字節）。

如果拋開這兩款軟件，我建議可以參照S4A的通訊協議，效率較高，2個字節就能完成一個傳感器數據的傳送。

2.設備選擇

雖然這是一個測試的項目，并非開發真正意義上的可穿戴設備產品，但我還是物色了一款體積較小的Arduino板子，做出“可穿戴”的感覺來。經過比較，DFRobot公司推出的Bluno Nano主控板成了我的選擇。Bluno Nano集成了低功耗的藍牙4.0芯片，而且只有拇指大小，非常適合用來開發做可穿戴設備的原型（如下頁圖2）。

除了Bluno Nano主控板外，只有硬幣般大小的Microduino的產品也很適合做可穿戴設備的原型（如圖3）。

當然，如果僅僅想測試Arduino和Android的連接，可以找任何一款藍牙模塊來實現，具體可以參考本欄目的上期文章。至于溫度和濕度傳感器，網上可以選擇的店鋪很多，價格從幾元到十幾元不等，不再一一說明。

● 編程實現

1.Arduino程序

我們使用ArduBlock教育版來寫Arduino的代碼。ArduBlock教育版是一款經過優化的版本，界面清爽、分類清晰且命名規范，適合在中小學的課堂上使用。其串口輸出功能很簡單，就一個“串口打印加回車”積木模塊，這一積木模塊和Arduino代碼的對應關系如表2。

因為表1設計的協議，我編寫了從串口輸出模擬端口A0和A1值的代碼，每隔300毫秒傳輸一次數據。其中用“10000+傳感器值”的簡單表達式，補足了傳感器數值不足4位時需要添加的“0”。這樣加上回車換行，傳輸一個傳感器的數值剛好需要8個字節（如圖4）。

轉成Arduino代碼后為：

int _ABVAR_1_A0 = 0 ；

int _ABVAR_2_A1 = 0 ；

void setup（）

{

Serial.begin（9600）；

}

void loop（）

{

_ABVAR_1_A0 = （ analogRead（0） + 10000 ） ；

_ABVAR_2_A1 = （ analogRead（1） + 10000 ） ；

Serial.print（\"0\"）；

Serial.print（_ABVAR_1_A0）；

Serial.println（）；

Serial.print（\"1\"）；

Serial.print（_ABVAR_2_A1）；

Serial.println（）；

delay（ 300 ）；

}

注意：如果出現下載失敗的情況，請參照本欄目上期文章進行相應處理。

2.App Inventor程序

Android端App程序的主要功能是接收Arduino發送的數據，然后顯示在屏幕上。代碼并不復雜，除了常見的Label、TextBox、Button外，還需要ListPicker、BluetoothClient這幾個必要的控件。因為要實時接收數據，我還加上了Clock這一時間控件。具體界面如圖5所示。

App中所涉及控件的作用簡要說明如表3。

接下來，我們可以開始編寫代碼了，其中給ListPicker1控件寫選擇藍牙設備的代碼。需要注意的是，這個控件僅能顯示手機已經配對過的藍牙設備（如圖6）。

給Button1控件編寫Click事件，為了使程序更加完善，我添加了針對各種意外情況，會顯示不同提示的代碼（如圖7）。

Clock1控件的TimerEnabled屬性默認值為1，當連接了藍牙設備，TimerEnabled就修改為true。Clock1控件Timer事件代碼如圖8所示。

因為代碼篇幅過長，影響了截圖，這里我僅僅寫了一個傳感器。為了便于觀察，我將獲取的字符顯示在Label4上。

3.運行測試

編譯為APK文件，然后安裝。App的運行效果如圖9所示。Bluno Nano主控板上的藍牙默認配對碼是1234，連接上后，就能看到傳送過來的數據了。

● 拓展應用

在本項目中，Android僅僅將接收到的傳感器數據顯示出來，并沒有做進一步的處理，也沒有根據傳感器信息，控制Arduino執行相應的動作。一般來說，手機還要對可穿戴設備的數據進行進一步處理，并存儲在云服務器上，以便更加深入地進行分析。例如，智能手環可以統計用戶每天的運動路徑、消耗卡路里和攝入熱量，也能根據事先的設定，通過振動馬達來提醒用戶應該運動或者休息了。結合本欄目上一期文章的內容，相信讓中小學生實現這樣的功能并不會很難。

● 總結

本項目還可以應用在某些特殊場合，如無線抄水電表，甚至也可以把Android作為Arduino的藍牙顯示屏來使用。藍牙4.0的功耗很低，應用范圍很廣，Android手機結合Arduino后，功能將大大提高。從本質上看，可穿戴設備和智能家居、物聯網并沒有太大的區別，App Inventor編程的價值就在于其和硬件結合緊密，讓學生們玩玩最新的技術吧。