如何构建Arduino无线网关开发平台

Arduino是一个开源电子原型设计平台，专门用于接收来自传感器的输入。这使其成为无线网关开发的绝佳平台。通过以太网连接，网关可用于将传感器和执行器链接到Internet，以用于智能手机和平板电脑上的应用程序。可以为这些平台开发应用程序，然后利用来自网络的数据并从世界上任何地方远程控制执行器。

广泛的开源软件为构建项目提供了宝贵的资源。它基于灵活，易用的硬件和软件，适用于设计人员，业余爱好者以及任何对创建交互式环境感兴趣的人。

有各种各样的Arduino板可用，都使用Arduino编程语言。这基于Wiring，它具有与C ++相同的语法和库，但具有简化和修改。为了使该语言易于使用，Arduino开发环境基于基于Java的Processing开源IDE。开发可以在PC或Mac上作为主机在Windows，Mac OSX或Linux下完成，也可以在主板上完成。可以使用Arduino编程语言和工具在Linux上开发网关软件。

Arduino Nano板是一款小型，完整且面包板友好的板，基于用于Arduino Nano 3.0的ATmega328处理器或用于Arduino Nano 2.x系列的ATmega168。它只缺少直流电源插孔，可以使用Mini-B USB电缆而不是标准电缆。 Nano是专门设计的，目前由Gravitech生产。 16 MHz处理器的建议输入电压为7-12 V，具有14个数字I/O引脚，每个引脚具有40 mA的直流电流，可用于为无线模块供电。

ATmega168版本中有16 KB的Flash或ATmega328中有32 KB，其中引导加载程序使用2 KB。同样，ATmega168有1 KB的SRAM和512字节的EEPROM，带有ATmega168或2 KB的SRAM和1 KB的EEPROM。

Arduino主板的价值在于业余爱好者开发的开源软件系列，以及硬件的灵活性。制造商提供电路布局，并且很容易为无线功能构建附加卡或屏蔽。可以制作或购买无线屏蔽以向设计添加无线链接。

图1：Arduino Nano板。

Linux上的Arduino IDE

Arduino最常见的开发平台是Linux，它同样是开源的。根据正在使用的Linux的分布，需要一些其他程序。

关键工具是Arduino IDE 1.0.1，因为它使用内部预构建GCC（GNU编译器集合）编译器。这排除了所有工具链问题，包括Java运行时包6或7 -nopenjdk-7-jre或oracle JRE 7.

Arduino软件下载包括两个附加依赖项的自定义版本：

RXTX，用于与Arduino板等串行设备通信的Java和本机库

avrdude，一个将程序上传到AVR微控制器的应用程序（如Arduino板上的程序）

来自的avrdude修改了Arduino以确保在上传之前Arduino板的自动重置功能正常运行（如果没有，则上传将失败）。 Arduino版本的源代码也可以在开源存储库GitHub上找到。

Arduino附带的RXTX经过修改，支持Arduino Uno和Mega 2560主板使用的/dev/ttyACM格式的设备。它们使用ATmega8U2代替FTDI芯片进行USB串行通信。

无线屏蔽

XBee®屏蔽允许Arduino板使用ZigBee®进行无线通信。它可以在室内100英尺或室外300英尺（带视线）进行通信。屏蔽的简单性意味着它可以用作串行或USB替代品来创建简单的无线点对点连接，或者使用命令模式，它可以配置为各种广播和网状网络选项作为无线网关。屏蔽将每个XBee引脚分成通孔焊盘，并提供母引脚头，以便使用数字引脚2至7以及屏蔽覆盖的模拟输入。数字引脚8至13不受屏蔽的阻碍，因此它们可以使用电路板本身的接头。

图2：Arduino无线屏蔽。

XBee屏蔽有两个跳线，用于确定Arduino板上微控制器（ATmega8或ATmega168）与FTDI USB转串口芯片之间的串行通信。当跳线位于XBee位置时，XBee模块的DOUT引脚连接到微控制器的RX引脚，DIN连接到TX。

有两个模块需要正确配置才能相互通信（尽管使用默认设置，所有模块应该能够相互通信）。它们需要位于ID参数设置的同一网络上。模块需要位于CH参数设置的同一通道上。最后，模块的目标地址（DH和DL参数）确定其网络和通道上的哪些模块将接收它传输的数据。这可以通过以下几种方式实现：

如果模块DH为0且DL小于0xFFFF（即16位），则该模块传输的数据将由任何模块接收，其16位地址MY参数等于DL。

如果DH为0且DL等于0xFFFF，则所有模块都将以广播模式接收模块的传输。

如果DH非零，或者DL大于0xFFFF，传输只能由序列号等于发送模块目的地址的模块接收，即点对点连接。

但是，这个地址匹配将会仅发生在同一网络和通道上的模块之间。如果两个模块位于不同的网络或通道上，则无论其地址如何，它们都无法通信。电路板和屏蔽可以直接一起工作，但有时可能需要从Arduino电路板上运行的代码配置XBee模块。这需要开关处于Micro位置并使模块进入配置模式，它需要三个加号：+++并且前后需要至少一秒，在此期间没有其他字符被发送到模块。请注意，这包括新行或回车符。设置配置模式后，模块将发回两个字符“OK”，然后回车。

发送命令预期响应

+++确定

一旦进入配置模式，AT命令可用于控制模块。命令字符串的格式为ATxx（其中xx是设置的名称）。要读取设置的当前值，请发送命令字符串，然后发送回车符。要为设置写入新值，请发送命令字符串，紧接着是新设置（中间没有空格或换行符），然后是回车符。例如，要读取模块的网络ID（确定它将与之通信的其他XBee模块），请使用‘ATID’命令：

发送命令预期响应

ATID 3332 《 br》

更改模块的网络ID：

发送命令预期响应

ATID3331 OK

检查设置已生效：

发送命令预期响应

ATID 3331

除非将更改写入非易失性内存，否则它们只会生效模块失去动力。要永久保存更改，请以相同方式使用ATWR命令：

发送命令预期响应

ATWR确定

将模块重置为工厂设置，使用ATRE命令：

发送命令预期响应

ATRE确定

请注意，与其他命令一样，重置将不会是永久性的，除非您按照ATWR命令执行。

Laird嵌入式无线解决方案的Arduino ModFLEX Shield使用SiFLEX02，结合了高性能802.15.4无线电和微控制器，经济高效，预先认证，I/O连接器与Arduino开源平台兼容。

该模块具有900 MHz DSSS收发器，带有RF放大器电路的Atmel无线电，以及Atmel ATRXMEGA微控制器，使其具有与主板相同的环境。它预先加载了运行在Atmel 802.15.4 MAC之上的主机串行接口。屏蔽具有完整的调试和编程功能，可以开发自定义应用程序，并且可以轻松地将ZigBee堆栈或MAC加载到模块上以创建自定义网络。

该模块具有250 mW的输出功率，可提供2英里的视距范围以及1 Mbps RF数据速率。

其他无线拓扑结构

通过使用面包板原型系统，可以使用独立的无线模块为Arduino板构建屏蔽。这允许其他设备用于创建屏蔽以处理其他拓扑，例如Wi-Fi。

图3：用于连接无线模块的Arduino面包板。

Microchip的RN-171模块是一个独立的完整TCP/IP无线网络模块，可与原型板一起使用以提供Wi-Fi连接。由于其小巧的外形和极低的功耗，RN-171非常适合移动无线应用，如Arduino屏蔽。

图4：Microchip Wi-Fi模块。

它集成了2.4 GHz无线电，TCP/IP协议栈，实时时钟，加密加速器，电源管理和模拟传感器接口。该模块预装了固件，以简化集成并最大限度地减少应用程序的开发。在最简单的配置中，硬件仅需要四个连接（PWR，TX，RX和GND）来创建无线数据连接。 RN-171还包括一个内置的HTML客户端，可自动将串行UART数据或传感器数据发布到Web服务器。

其他拓扑结构包括用于连接机器对机器（M2M）网络的Bluetooth®。

莱尔德科技无线M2M AC4490 900 MHz无线电模块使用经过现场验证的FHSS技术，无需额外的站点许可即可替代工业环境中的数英里电缆。该模块包括抗干扰功能，可与其他网络协同工作，同时保持数据完整它可以通过使用12针接头的原型面包板连接到Arduino板。

AC4490的功能包括插入式安装，多种即时控制命令，以及用作直接电缆更换的功能，无需特殊的主机软件进行通信。所有跳频，同步和RF系统数据发送/接收由模块执行。

图5：Laird蓝牙M2M模块。

无线电模块可实现超过20英里的开放场范围，在900 MHz频段内具有高传播，并包括1 W功率传输选项和接收链中的灵敏低噪声放大器。它支持单播（一对一寻址）和广播（一对多寻址）模式，以及具有硬件和/或软件ACK指示的确认模式（ACK）API，以确保已接收到数据。还有一个信标模式和一个动态无线电数据表，可保留多达12个无线电模块的数据。

Internet连接

构建无线网关的另一方面是将其连接到Internet，这很简单，使用以太网屏蔽，特别是如果它可以使用以太网供电（PoE）技术。 Arduino ETH Shield包含一个PoE模块，允许Arduino板使用以太网库连接到LAN。它包括一个带有源电压转换器的微型SD卡连接器和板载复位控制器，可通过以太网供电。

结论

将Nano等低成本处理器板与XBee等无线屏蔽相结合，可以创建易于开发的无线控制器。通过添加具有自身功率的以太网屏蔽，该组合可以成为将模块，传感器和执行器链接到Internet的无线网关，以便智能手机和平板电脑等设备可以控制它们。 Arduino IDE提供了一个强大的开发环境，项目的开源特性允许轻松获取库和代码并用于构建网关。