Arduino與樂高EV3藍(lán)牙通訊

文/俞晗熠

Arduino是一款便捷靈活、方便上手的開源電子平臺，可以連接上百種模組，讓普通人也可以制作出有趣的創(chuàng)意電子制作。但在制作創(chuàng)意作品時，如果涉及到機(jī)械結(jié)構(gòu)，設(shè)計制作機(jī)械部件就比較麻煩，較為費(fèi)時費(fèi)力。而樂高積木中有多種積木結(jié)構(gòu)件，能輕松制作出各種復(fù)雜機(jī)械結(jié)構(gòu)，如果把Arduino與樂高結(jié)合，能快速地把有創(chuàng)意變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)作品。

LEGO MINDSTORMS EV3 是第三代樂高機(jī)器人，它是丹麥樂高公司在2013年上市的，擁有大量的粉絲。但樂高EV3比較封閉，能與計算機(jī)或另一臺EV3進(jìn)行通訊，與其它設(shè)備難以通訊。有人利用一塊叫Bricktronics的轉(zhuǎn)接板讓Arduino連接樂高積木，Bricktronics可以直接連接樂高電機(jī)與傳感器，這樣Arduino就可以代替樂高程序塊，用Arduino直接控制樂高電機(jī)與傳感器。有人也編寫了APP，讓手機(jī)也可以通過藍(lán)牙控制樂高EV3。所以我對樂高EV3的藍(lán)牙通訊機(jī)制進(jìn)行了研究，讓Arduino也可以通過藍(lán)牙模塊與樂高程序塊進(jìn)行通訊，用這個方法就不需要專用的轉(zhuǎn)接板，只需要一塊普通的藍(lán)牙模塊，就可以讓Arduino與樂高互相通訊，協(xié)同工作。下面主要介紹其實(shí)現(xiàn)方法。

1 Arduino與樂高程序塊通訊的原理

用樂高EV3 Programmer圖形化編程軟件編寫過藍(lán)牙通信的人都應(yīng)該用過叫“消息傳遞”的指令塊，就是用它對藍(lán)牙信號進(jìn)行讀或?qū)懖僮?。但它對一般的藍(lán)牙信號是不能識別的，因為EV3有專用的藍(lán)牙處理協(xié)議，要讓Arduino與樂高EV3進(jìn)行通訊，要就認(rèn)真分析EV3的藍(lán)牙信號處理協(xié)議，讓Arduino模擬成樂高設(shè)備，發(fā)送EV3能識別的藍(lán)牙信號。如圖1。

2 Arduino與樂高的藍(lán)牙連接

用HC05或HC06藍(lán)牙模塊一個，把藍(lán)牙模塊的VCC連接到Arduino的5V，GND連接到Arduino的GND。藍(lán)牙上的TXD與RXD分別連接到Arduino的數(shù)字端口0和1端口（即RXD與TXD）。

表1

圖1

檢查無誤后連接USB上電會看到藍(lán)牙模塊有紅色指示燈快速閃爍。打開樂高程序塊，進(jìn)入設(shè)置菜單的Bluetooth選項，將Visibility和Bluetooth勾選，然后進(jìn)入Connections選項搜索藍(lán)牙設(shè)備，找到對應(yīng)的藍(lán)牙模塊。連接時一般會要求輸入配對密碼，密碼一般為1234。連接成功后，藍(lán)牙模塊上紅色指示燈慢速閃爍，在樂高EV3顯示幕左上角也會顯示已連接圖標(biāo)，而還未連接時顯示的是。此時，已完成Arduino與樂高的底層連接，但還不能互相通訊。如圖2、圖3所示。

3 理解樂高EV3的藍(lán)牙通訊協(xié)議

在樂高EV3中，可以無需編寫用戶程序通過直接運(yùn)行命令對EV3進(jìn)行下載、上傳、讀取輸入值等各種操作。官方學(xué)名為direct commands（直接命令），這類似于Windows里面的命令控制臺中的命令。“消息傳遞”指令塊的實(shí)質(zhì)就是通過“直接命令”進(jìn)行藍(lán)牙的接收與發(fā)送。我們用Arduino向EV3發(fā)信息時，也只要按照EV3藍(lán)牙的協(xié)議格式發(fā)送出去，EV3就能順利解包，接收到信息。接收EV3發(fā)來的信息時，也只要根據(jù)藍(lán)牙的協(xié)議格式來提取所需信息就行了。表1是藍(lán)牙協(xié)議格式的寫法。

“消息傳遞”指令塊支持接收或發(fā)送文本、數(shù)字或邏輯三種類型的值，如果要發(fā)送“1234”這個字符串的話。LL部分內(nèi)容為0x05,0x00，pp部分的內(nèi)容就是 0x31,0x32,0x33,0x34 ，如果要發(fā)送數(shù)值，EV3協(xié)議是用32位浮點(diǎn)數(shù)表示的。

4 用Arduino發(fā)送EV3藍(lán)牙直接命令的實(shí)例

圖2

圖3

圖4

給消息標(biāo)題為’abc’的消息傳遞指令塊發(fā)送一個邏輯值為1（真值）指令?？梢栽贏rduino IDE中輸入下面的代碼，然后上傳到Arduino中。因為上傳時也是使用0和1號數(shù)字端口，所以在上傳程序前要斷開藍(lán)牙模塊，不然會發(fā)生沖突，使上傳不成功。

程序上傳到Arduino成功后，重新接好藍(lán)牙模塊，然后在樂高圖形化編程窗口中編寫如下程序。建立藍(lán)牙連接，運(yùn)行程序后就可以在顯示屏上顯示出邏輯值1。如圖4所示。

因為EV3中傳送數(shù)值是用浮點(diǎn)數(shù)表示，所以在發(fā)送時先要把數(shù)值轉(zhuǎn)換成float類型，然后拆解成無符號位char后發(fā)送。可以用聯(lián)合類型Union方便地進(jìn)行拆分，因為union中可以定義多個成員，各成員共享同一塊內(nèi)存。下面的函數(shù)就是發(fā)送一個數(shù)值型信息到EV3主要部分代碼

EV3可以用“切換”指令塊根據(jù)接收到的不同數(shù)值執(zhí)行相應(yīng)的動作，如馬達(dá)轉(zhuǎn)動、屏幕顯示、播放聲音等，Arduino可以連接各種各樣的傳感器，而樂高EV3的傳感器比較少。 Arduino與EV3的結(jié)合，就為樂高EV3擴(kuò)展了眾多的傳感器，讓創(chuàng)意的實(shí)現(xiàn)又增加了一條途徑。

理解了樂高EV3的藍(lán)牙通訊協(xié)議后，我們也可以讓手機(jī)與樂高EV3連接，自己編寫程序讓手機(jī)與EV3交互，開發(fā)出個性化的APP來。