Arduino藍牙手套第一部分-基礎

入門篇：Arduino藍牙手套第一部分 – 基礎

Arduino Bluetooth Gloves

本專案的目的是研發一種能夠檢測出操作員的手和手指方位的裝置，以實現機器人的控制。我們將介紹有關電阻和分壓器的基礎知識。另外，我們還將瞭解如何透過 I²C匯流排從陀螺儀和加速度計獲取測量值，以及如何建立 Arduino–PC藍牙連接。該裝置在積體到 Arduino藍牙手套中之後將會發揮出它的作用。

硬體

Arduino UNO
麵包板
電位計 0-10kOhm
電阻 10 kOhm
IMU 感測器
電線
Arduino 無線擴展板
Xbee USB 適配器
Bluetooth Bee
PC 藍牙適配器
USB A-B 資料線
微型 USB 資料線

軟體

Arduino IDE 1.6.7
LabVIEW

工具

萬用表

圖1： Arduino藍牙手套專案的基本示意圖

基於Arduino的採集系統組態在用戶的每只手上。Arduino研發板透過測量每個電位計的電阻來獲取手指彎曲（手指彎折）的資訊。在處理了來自慣性測量單元（IMU）的資料後，可以識別出用戶手的方位，該單元包括陀螺儀和加速度計。電池和無線資料傳輸模式使基於 Arduino的採集系統可用作一個可穿戴智慧手套。例如，它可以用作手動控制機器人手臂的通用輸入裝置。

旋轉測量

當旋轉從手指傳遞到電位器手柄時，可以透過測量每個電位計的電阻來識別手指的彎曲。可使用分壓器來測量電位計電阻。如果想要降低電壓並獲得某些固定值，可以在電路中使用分壓器，由兩個或多個電阻組成。

圖2：分壓器電路圖

V 是來自Arduino 5V電源的電壓； I 是流經電路的電流； R1是具有固定電阻值的電阻； R2 是具有可變電阻的電位計； V1和V2是電壓表。

電壓在電阻R1和R2處均產生壓降。V1和V2之和為V的值。根據歐姆定律：

Voltage for Arduino Bluetooth Gloves

用Arduino類比輸入代替V2電壓表，以測量電位計的電阻。

arduino bluetooth gloves Voltage divider circuit diagram

圖3：分壓器電路示意圖

圖4：安裝在麵包板上的分壓器電路

int sensorValue;
void setup()
{
  Serial.begin(9600);// initialize serial communication at 9600 bits per second
}

void loop()
{
  sensorValue = analogRead(A0);// read the input on analog pin 0
  Serial.println(sensorValue);// print out the value you read
  delay(100);        // delay in between reads for stability
}

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int sensorValue;

void setup()

{

Serial.begin(9600);// initialize serial communication at 9600 bits per second

}

void loop()

{

sensorValue = analogRead(A0);// read the input on analog pin 0

Serial.println(sensorValue);// print out the value you read

delay(100); // delay in between reads for stability

}

定向測量

慣性測量單元（IMU）是一種可以測量人體比力和角速度的電子裝置。透過對角速度的連續積分，我們可以獲得安裝有IMU感測器的物體的當前方向。

得益於MEMS技術，IMU感測器開始流行並被廣泛使用。大多數MEMS IMU感測器利用 I²C協議作為將測量結果發送到控制器的主要方式。

您必須為晶片提供電源（V和G），並將資料和時脈引腳（D和C）連接到相應的數位引腳（SDA和SCL），如圖5所示：

arduino bluetooth gloves sensor connection

圖5：IMU感測器連接

arduino bluetooth gloves sensor connected to the Arduino board

圖6：連接到Arduino研發板的IMU感測器

通常，來自不同製造商的IMU感測器都會具有相同的結構，即所有的MEMS晶片都連接到 I²C匯流排。因此，要從陀螺儀、加速度計和磁力計獲取測量值，您將僅使用這兩個引腳。

我們這裡使用的IMU感測器包含 STMicroelectronics晶片（ L3G4200D和 LIS331DLH ）。如果您使用包含不同MEMS晶片的IMU感測器，可以更改原始程式碼中的位址使其工作。

現在，讓我們進行測試程式吧！

您需要下載安裝IMU 程式館 (點擊Github上的“View Raw”來下載 IMU_Sensor.zip)。

將.ZIP Library 添加到 Arduino IDE (Sketch >> Include Library >> Add .ZIP Library…)

Adding .ZIP Library on Arduino IDE for bluetooth gloves

圖7： Arduino IDE上添加.ZIP Library

您將會在 Arduino libraries資料夾中看到 IMU_Sensor程式館（圖8）。現在，我們將使用“#include <imu.h>”測試IMU感測器。

IMU_Sensor library for arduino bluetooth gloves

圖8：Arduino libraries資料夾中出現的 IMU_Sensor程式館

#include <Wire.h> // Library for I²C
#include <imu.h> // Library for working with IMU modules

Gyroscope gyro; // Create an object to work with Gyroscope

Accelerometer accel; // Create an object to work with Accelerometer

void setup ()
{
Serial.begin (9600); // Open the serial port

Serial.println ("Begin init ..."); // Display a message on the beginning of the initialization

gyro.begin (); // Initialize the gyroscope
accel.begin (); // Initialization of accelerometers
Serial.println ("Init completed"); // Display a message about the successful initialization

Serial.println ("Gyroscope\t\t\tAccelerometer");
}

void loop ()
{
Serial.print (gyro.readX_DegPerSec ()); // Output angular velocity around the axis X
Serial.print ("\t");
Serial.print (gyro.readY_DegPerSec ()); // Output of the angular velocity around the Y axis
Serial.print ("\t");
Serial.print (gyro.readZ_DegPerSec ()); // Output of the angular velocity about the Z axis
Serial.print ("\t\t");

Serial.print (accel.readX_G ()); // Output of the direction and magnitude of acceleration along the X axis
Serial.print ("\t");
Serial.print (accel.readY_G ()); // Output of the direction and magnitude of acceleration along the Y-axis
Serial.print ("\t");
Serial.print (accel.readZ_G ()); // Output of the direction and magnitude of acceleration along the Z axis
Serial.print ("\t\t");

Serial.println ("");
delay (300);
}

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#include <Wire.h> // Library for I²C

#include <imu.h> // Library for working with IMU modules

Gyroscope gyro; // Create an object to work with Gyroscope

Accelerometer accel; // Create an object to work with Accelerometer

void setup ()

{

Serial.begin (9600); // Open the serial port

Serial.println ("Begin init ..."); // Display a message on the beginning of the initialization

gyro.begin (); // Initialize the gyroscope

accel.begin (); // Initialization of accelerometers

Serial.println ("Init completed"); // Display a message about the successful initialization

Serial.println ("Gyroscope\t\t\tAccelerometer");

}

void loop ()

{

Serial.print (gyro.readX_DegPerSec ()); // Output angular velocity around the axis X

Serial.print ("\t");

Serial.print (gyro.readY_DegPerSec ()); // Output of the angular velocity around the Y axis

Serial.print ("\t");

Serial.print (gyro.readZ_DegPerSec ()); // Output of the angular velocity about the Z axis

Serial.print ("\t\t");

Serial.print (accel.readX_G ()); // Output of the direction and magnitude of acceleration along the X axis

Serial.print ("\t");

Serial.print (accel.readY_G ()); // Output of the direction and magnitude of acceleration along the Y-axis

Serial.print ("\t");

Serial.print (accel.readZ_G ()); // Output of the direction and magnitude of acceleration along the Z axis

Serial.print ("\t\t");

Serial.println ("");

delay (300);

}

IMU sensor outputs for arduino bluetooth gloves

圖9：IMU感測器輸出

無線資料傳輸

可以使用 Bluetooth Bee（無線藍牙BT模組）來建立無線連接。 Bluetooth Bee模組帶有板載天線。它的作用就像一個透明序列埠，可與各種藍牙適配器和藍牙手機配合使用。

為了檢查藍牙模組配置，請將切換置於AT模式。當模組處於AT模式時，使用者或主機微控制器可以透過經序列埠發送預定義的AT指令來對其進行配置。在AT模式下，您可以從BT模組獲取服務資料並更改某些設定（名稱，序列傳輸速率，同位和停止位）。

Bluetooth Bee for arduino bluetooth gloves

圖10：切換置於AT模式的 Bluetooth Bee

將BT模組和 Xbee適配器堆疊在一起，然後透過微型USB電纜將 Xbee適配器連接到PC。LED燈必須處於打開狀態。

Xbee adapter for arduino bluetooth gloves

圖11： Bluetooth Bee 放置於 Xbee適配器上

啟動 Arduino IDE, 從Tools >> Serial Port 功能表中選擇與 Xbee適配器對應的COM 埠。

打開 Arduino的序列監視器 (Tools >> Serial Monitor 或者 Ctrl+Shift+M)。如果COM埠沒有正常顯示，請安裝 Xbee USB適配器驅動程式。從相應的選項欄中選擇“Both NL & CR”, “38400”來更改PC的序列設定，以讀取來自 Xbee適配器的資訊，或寫入需要輸入到 Xbee 適配器中的資訊。

發送 “AT” 並接收到 “OK”。

arduino for bluetooth gloves

發送 “AT+UART?” 並接收序列設定，如 “9600,0,0”。

arduino for bluetooth gloves

如果您接收到的序列設定不是 “9600,0,0”，那麼發送 “AT+UART=9600,0,0” 指令並接收到 “OK”。

arduino for bluetooth gloves

斷路序列監視器，斷開 Xbee適配器與微型 USB資料線和BT模組的連接。不要忘記向左旋轉切換來斷路AT模式。

將 Bluetooth Bee放置在 Arduino無線擴展板上，將 Arduino與USB A-B資料線連接，如圖12所示。

Arduino Wireless Shield for bluetooth gloves

圖12：在 Arduino無線擴展板上的 Bluetooth Bee

完成此步驟後，您將可以使用默認的“我的藍牙裝置”視窗找到您的 Bluetooth Bee。將您的 Bluetooth Bee與預設密碼“1234”配對。請注意連接到您的裝置的是哪個COM埠，在下一步草圖中選擇該COM埠。

這是用於測試藍牙連接的 Arduino草圖。（請注意，當將 Bluetooth Bee 安裝到 Arduino無線擴展板上時，您將無法啟用草圖）。

#define LED 13 
int pause = 0;    // variable to store sent value
 
void setup() 
{ 
  pinMode(LED, OUTPUT); 
  Serial.begin(9600);  // open the serial port
} 
 
void loop() 
{ 
  if (Serial.available() > 0) {
    // read incoming serial data:
    String inStr = Serial.readString();
    Serial.println("Get Message:"+inStr);
    pause = inStr.toInt();
    }
  
  digitalWrite(LED, HIGH);   // turn the LED on (HIGH is the voltage level)
  delay(pause);              // wait for a second
  digitalWrite(LED, LOW);    // turn the LED off by making the voltage LOW
  delay(pause);              // wait for a second
}

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#define LED 13

int pause = 0; // variable to store sent value

void setup()

{

pinMode(LED, OUTPUT);

Serial.begin(9600); // open the serial port

}

void loop()

{

if (Serial.available() > 0) {

// read incoming serial data:

String inStr = Serial.readString();

Serial.println("Get Message:"+inStr);

pause = inStr.toInt();

}

digitalWrite(LED, HIGH); // turn the LED on (HIGH is the voltage level)

delay(pause); // wait for a second

digitalWrite(LED, LOW); // turn the LED off by making the voltage LOW

delay(pause); // wait for a second

}

Testing Bluetooth Bee connection for arduino bluetooth gloves

圖13：測試 Bluetooth Bee連接

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Ivan Petrov

一名嵌入式系統研發以及自動化領域的工程師。Ivan熱衷於透過以行動機器人技術、AI技術和控制理論為基礎構建項目來不斷挑戰自己。

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