如何用 JavaScript 控制 Arduino？

Arduino 运行 C 语言，而主控端运行 JavaScript，一次要编写和维护两种程序。既然浏览器和服务器都用 JavaScript，若 Arduino 也能用 JavaScript 控制，那岂不完美？

这就是 Rick Waldron 设计 Johnny-Five 库文件的原因。Johnny-Five 是1986 年上映的科幻电影“Short Circuit（直译为“短路”，译作“霹雳五号”）”当中的机器人主角的名字。电影中的机器人原本是人工智能军武，由于雷击造成短路，让它有了自我意识而开始一连串的故事。

 

霹雳五号：用 JavaScript 控制 Arduino

 

Johnny-Five（以下称“霹雳五号”）是在电脑或树莓派之类的高端控制板上运行的 Node.js 包，通过电脑上的 JavaScript 运行所有程序逻辑，而 Arduino 控制板只充当乖乖听话的“外设接口”。

 

实际的硬件接线如下，电脑或树莓派通过USB 接口（ 或GPIO 串口引脚）与 Arduino 板控制相连。

《完美图解Arduino 互动设计入门》的17-3 节提到，有一种在电脑软件和微处理器之间传递数据的通用消息格式，叫作 Firmata。“霹雳五号”的 JavaScript 代码和 Arduino 控制板就是用 Firmata 协议来沟通的。

 

Arduino IDE 提供了一个“StandardFirmata” 程序， 让 Arduino 控制板能收发 Firmata 消息。我们不需要了解 Firmata 的语法，霹雳五号的 JavaScript 程序会搞定一切。

 

除了霹雳五号，普遍用于儿童电脑教育的 Scratch，也是运用 Firmata 协议与 Arduino 控制板沟通的。

霹雳五号不仅支持 Arduino 控制板， 也支持 Raspberry Pi、 
BeagleBone Black、Intel Galileo、Edison 等控制板，详细的列表与说明，请参阅：http://johnny-five.io/platform-support/。

 

霹雳五号的基本结构

和 Arduino 的C 语言不同，霹雳五号程序至少包含三大要素：

  ◆  引用“johnny-five”库文件。
  ◆  创建 board 对象，通过它跟Arduino控制板的串口相连。
  ◆  创建连接回调函数。
基本程序架构如下：

霹雳五号会自动查找连接在USB 串口的Arduino 控制板，也可以通过代码明确指定串口（若是通过树莓派的GPIO 串口连接Arduino 控制板的，就一定要设置串口名，否则会产生错误）。

如下是在不同的操作系统上指定USB 串口的方式，星号（*）代表串口编号：

// Windows 系统 var board = new five.Board({ port:"COM*"}); // Mac OS X 系统 var board = new five.Board({ port:"/dev/tty.usbmodem****"}); // Linux(Raspberry Pi) 系统 var board = new five.Board({ port:"/dev/ttyUSB*"}); // 树莓派GPIO 串口 var board = new five.Board({ port:"/dev/ttyAMA0"});

用霹雳五号指挥 Arduino 闪烁 LED
实验说明：学习霹雳五号的基本程序架构以及相关设置；编写JavaScript 代码令 Arduino 控制板的 13 脚闪烁。

实验材料：Arduino UNO 控制板，一片。

实验代码：请先添加一个存放Node 程序的文件夹，这里将此文件夹命名为blink。然后打开终端窗口，在blink 路径下运行下面的安装霹雳五号模块的指令：

> npm install johnny-five

安装完毕后，在此路径下添加一个index.js 文件，并输入闪烁LED 代码（请自行修改串口名）。

Arduino 控制板要上传StandardFirmata 程序，请打开Arduino IDE 中的“文件”→“示例”→“Firmata”→“StandardFirmata”，并上传到Arduino 控制板。

实验结果：在终端窗口中输入“node index.js”指令，Node 将响应连接状况并且初始化一个REPL 环境（参阅下文说明），紧接着，操控Arduino 的程序将开始运行，让13 脚的LED 开始闪烁。

若运行Node 程序时，终端窗口中出现类似于下面的错误消息，则代表无法跟Arduino 控制板连接：

1440865565684 Connected /dev/ttyAMA0 1440865575745 Device or Firmware Error A timeout occurred while connecting to the Board.
Please check that you've properly flashed the board with the correct firmware.

请检查代码里的USB 端口名是否正确， 以及Arduino 控制板是否上传了 StandardFirmata 程序。

 

霹雳五号与Arduino 的C 语言代码架构比较

Arduino 的编程语言是简化版的C/C++，它提供了许多标准Ｃ语言所没有的指令，例如setup()、loop()、delay()、digitalRead() 等。同样地，霹雳五号也向Arduino 看齐， 
提供了在标准JavaScript 语言中不存在，但是简单易懂的指令和对象，方便我们操控微电脑。

通过比较使用Arduino 的C 语言和霹雳五号的JavaScript 代码来控制LED，霹雳五号不需要事先设置Arduino 引脚的模式（即：输入或输出），也不需要通过循环控制 LED 闪烁，因为霹雳五号把一些常用的电子元器件控制模式都写成对象（参阅下文），我们无须理会背后的运作细节。

Arduino 的C 语言程序经过编译之后，保存在微控器里面运行。霹雳五号的 JavaScript 程序则是在电脑上运行的，Arduino 无法独立运作。换句话说，如果电脑关机或者拔除USB 连接，霹雳五号程序和Arduino 控制板就没有作用了……看到这里，读者一定感到疑惑，这种运作模式好吗？

视情况而定。若只为了闪烁LED，当然不好。但若是在电脑上运行Node 网站服务器或者复杂的运算，同时需要与外界环境交互时，那就不失为一种良好的解决方案。

此外，树莓派和其他高端微控制板，甚至是能安装Windows 或Linux 系统的电视棒，也能运行Node 与霹雳五号，不一定要使用耗电量较高的电脑。

通过REPL 模式操控Arduino

霹雳五号会在运行阶段自动设置一种REPL 操作模式，也就是让我们在终端窗口中直接输入JavaScript 语句来操控Arduino。至于要开放哪些指令在终端窗口中操作，由 repl 对象的inject() 方法设置：

如下程序将提供Led 对象给REPL 模式操作，请将此程序文件命名为index.js，保存在上一节的blink 文件夹中：

运行此node.js 程序后，即可在终端窗口中测试上文提到的led 对象方法，回力例如led.on() 将点亮LED。

接着输入led.blink(500) 或led.strobe(500)，LED 将以500ms 时间间隔闪烁（默认间隔时间为100ms），直到输入led.stop() 为止。测试完毕后，按两次“Ctrl+C”快捷键退出程序。

 

repl 对象也能包含自定义函数，方便我们运行一连串事先定义好的语句。如下代码注入名为“on”和“off”的自定义函数，分别运行点亮和关闭LED 的方法。

运行此程序进入REPL 模式后，输入on() 可点亮LED ；输入off() 则关闭LED。

若程序不需要使用REPL 模式，则可以在创建Board 对象时取消。取消之后，程序里的REPL 相关代码将无法运行（会报错）。 

霹雳五号的方法与内置对象

霹雳五号提供的数字和模拟引脚控制指令，都刻意设计成和Arduino 的C 语言指令同名。例如：

  ◆  pinMode(引脚 , 模式 )：设置引脚模式。“模式”的可能值如下 ：

 ● 数字输入：Pin.INPUT
 ● 数字输出：Pin.OUTPUT
 ● 模拟输入：Pin.ANALOG
 ● PWM 输出：Pin.PWM
 ● 舵机信号：Pin.SERVO
  ◆  digitalWrite(引脚 , 信号 )：输出数字信号，可能值为 0 或 1。
  ◆  digitalRead(引脚 , 处理函数 ( 值 ))：读取数字输入信号。如下代码将读取数字 2 脚，武汉试管婴儿并将其值显示在终端窗口中：

  ◆  analogWrite(引脚 , 值 )：输出 0~255 的 PWM 值。
  ◆  analogRead(引脚 , 处理函数 (值 ))：读取模拟输入信号，可能值为 0~1023。如下程序片段，将读取A0 引脚的模拟输入值：

board.on("ready", function() { this.pinMode(0, five.Pin.ANALOG); // A0 引脚设置成模拟输入 this.analogRead(0, function(value) { // 持续读取A0 引脚值 console.log(value);
});
});

  ◆  loop(毫秒, 处理函数)：相当于Arduino的loop()循环函数，也是JavaScript的setInterval() 方法的简化版。如下代码将每隔0.5 秒变换一次13 脚的输出状态：

完整的API 指令列表， 请参阅霹雳五号官网的Board 类的API 单元（http://johnny-five.io/api/board/#api）。

霹雳五号也内置了常用的控制对象（Component Class，组件类），有助于精简代码。

  ◆  Button：读取开关或按钮的状态，支持上拉电阻设置。
  ◆  Led ：控制普通的发光二极管。
  ◆  Led.Matrix ：控制矩阵 LED显示器，内置 ASCII字符集。
  ◆  LCD ：支持并列连接或者用 I2C 接口串联的HD44780 液晶显示器。
  ◆  Sensor ：传感器，泛指读取所有模拟输入元器件的输入值。
  ◆  Servo ：控制普通或者 360°旋转的舵机。
  ◆  Motor ：控制碳刷电机，支持 H 桥式电路和 PWM 速度与转向控制。
  ◆  Ping：读取超音波测距模块的返回值。
  ◆  IR.Reflect.Array ：读取连接在模拟脚的数个反射或遮光型光电传感器。
  ◆  ShiftRegister ：控制并输出数据给 74HC595 位移寄存器。
  ◆  Thermometer ：读取温度值。

完整的控制对象列表和示例代码，请参阅霹雳五号官网的API 单元（http://johnny-five.io/api/）。

 

JavaScript 程序和霹雳五号并没有Arduino 的delay（延迟或暂停）指令，JavaScript 采用setTimeout() 函数来设置要延后运行的语句

或者，使用霹雳五号board 对象的wait() 方法（代表“等待”）。例如，如下程序一开始点亮13 脚的LED，经过3 秒之后，将它关闭：

JavaScript 也没有Arduino 的millis() 指令，JavaScript 提供的是 getTime() 函数和Date（日期）对象。
millis() 可返回从Arduino 开机到现在所经过的毫秒数。

getTime() 可返回从1970 年1 月1 日零时到现在所经过的毫秒数。