1、普 通 高 中 教 科 书选择性必修信息技术普通高中教科书信息技术6开源硬件项目设计Kaiyuan Yingjian Xiangmu Sheji选择性必修 6开源硬件项目设计广东教育出版社广东教育出版社批准文号：粤发改价格2017434号 举报电话:12315定价：10.86元ook2020信息技术选择性必修1-6封面.indd 62020/12/3 下午3:55信息技术广东教育出版社普 通 高 中 教 科 书徐福荫 主编广州开源硬件项目设计Kaiyuan Yingjian Xiangmu Sheji6选择性必修 ook2020信息技术-8扉页.indd 82020/5/28 下午2:5222
2、前言 图书在版编目(CIP)数据信息技术选择性必修6：开源硬件项目设计 / 徐福荫主编广州：广东教育出版社，2019.12（2021. 1重印）普通高中教科书ISBN 978-7-5548-3033-8. 信. 徐. 计算机课高中教材. G634.671中国版本图书馆CIP数据核字（2019）第202802号 编写单位 广东教育出版社 主 编 徐福荫 副 主 编 朱光明 黄国洪 本册主编 龙丽嫦 胡永跃 核心编写人员 （以姓氏笔画为序） 张 封 高伟光 梁志成 董 宇 谭 琦 责任编辑 李杰静 责任技编 杨启承 陈 瑾 装帧设计 何 维信息技术 选择性必修6 开源硬件项目设计XINXI JIS
3、HU XUANZEXING BIXIU 6 KAIYUAN YINGJIAN XIANGMU SHEJI广 东 教 育 出 版 社 出 版（广州市环市东路472号12-15楼）邮政编码：510075网址：http:/广东新华发行集团股份有限公司发行广东新华印刷有限公司南海分公司印刷（佛山市南海区盐步河东中心路）890毫米1240毫米16开本9.25印张185 000字2019年12月第1版2021年1月第3次印刷ISBN 978-7-5548-3033-8定价：10.86元批准文号：粤发改价格2017434号 举报电话：12315著作权所有请勿擅用本书制作各类出版物违者必究如有印装质量或内容质
4、量问题，请与我社联系。质量监督电话：020-87613102 邮箱：gjs-购书咨询电话：020-8777243821X1359.indd 22021/3/11 11:42:011 1 1前 言信息技术作为当今先进生产力的代表，已经成为我国经济发展的重要支柱和网络强国的战略支撑。信息技术涵盖了获取、表示、传输、存储和加工信息在内的各种技术。自电子计算机问世以来，信息技术沿着以计算机为核心、到以互联网为核心、再到以数据为核心的发展脉络，深刻影响着社会的经济结构和生产方式，加快了全球范围内的知识更新和技术创新，推动了社会信息化、智能化的建设与发展，催生出现实空间与虚拟空间并存的信息社会，并逐步构建
5、出智慧社会。基于开源硬件的项目设计与开发有利于激发同学们创新的兴趣，培养同学们动手实践的能力，同时也是在信息技术课程中实现STEAM（科学、技术、工程、人文艺术与数学）教育的理想方法。本教科书是针对同学们个性化发展需要，按照开源硬件项目设计流程而设置的选择性必修模块。通过本教科书的学习，同学们能搜索并利用开源硬件及相关资料，体验作品的创意、设计、制作、测试、运行的完整过程，初步形成以信息技术学科方法观察事物和问题求解的能力，提升计算思维与创新能力。本教科书由“开源硬件的特征”“开源硬件项目流程”“基于开源硬件的作品设计与制作”三部分内容构成，围绕信息技术学科核心素养设计了“体验Arduino开
6、发平台”“基于开源硬件的感应灯开发规划”“基于开源硬件的感应灯制作”“基于开源硬件的教室空气质量监测仪开发”“教室空气质量监测仪的开源许可证与知识分享”项目范例。教师围绕“情境主题规划探究实施成果评价”的项目范例开展教学活动，帮助同学们掌握本教科书的基础知识、方法与技能，增强信息意识，发展计算思维，提高数字化学习与创新能力，树立正确的信息社会价值观和责任感，从而促进同学们的信息素养提升。本教科书要求同学们对现实世界中的真实性问题进行自主、协作、探究学习。同学们围绕“项目选题项目规划方案交流探究活动项目实施成果交流活动评价”的项目学习主线开展学习活动，体验“做中学、21X1359.indd 12
7、021/3/11 11:42:0222前言学中创、创中乐”的项目学习理念和“从实践入手、先学先教、先练后讲”的项目学习策略，将知识建构、技能培养与思维发展融入运用数字化工具解决问题和完成任务的过程中，从而促进信息意识、计算思维、数字化学习与创新、信息社会责任的信息技术学科核心素养达成。本教科书设置了“项目范例”“项目选题”“项目规划”“方案交流”“探究活动”“项目实施”“成果交流”“活动评价”等学习栏目，指导同学们开展项目学习活动。其中，“项目范例”是教师通过“情境”“主题”“规划”“探究”“实施”“成果”“评价”等活动，引导同学们了解开展项目学习活动的全过程；“项目选题”是同学们从真实世界选
8、择自己感兴趣的项目主题；“项目规划”是同学们根据项目选题，制订自己的项目方案；“方案交流”是同学们展示交流自己设计的项目方案，师生共同探究、完善其方案；“探究活动”是同学们通过“问题”“观察”“分析”“查阅”“阅读”“思考”“交流”“实践”“实验”“调查”“讨论”“拓展”“体验”等活动，获取知识和技能的过程；“项目实施”是同学们运用在项目学习过程中所获得的知识和技能来完成项目方案；“成果交流”是教师组织同学们展示交流项目成果，共享创造、分享快乐；“活动评价”是教师组织同学们开展项目评价活动。本教科书各章首页的导言，叙述了本章的学习目的与方式、学习目标与内容，让同学们对整章有个总体认识。每章设置
9、了“本章扼要回顾”，通过知识结构图把每章的主要内容及它们之间的关系描述出来，这有助于同学们建立自己的知识结构体系。每章结尾的“本章学业评价”设计了基于学业要求的测试题，并通过本章的项目活动评价，让同学们综合评价自己在信息技术知识与技能、解决实际问题的过程与方法，以及相关情感态度与价值观的形成等方面，是否达到了本章的学习目标。此外，本教科书为同学们提供了配套学习资源包，里面含有拓展阅读资料、开源硬件编程软件，以及实验案例的源代码等，为同学们开展项目实验的准备和实验过程提供帮助。当然，同学们还可以自己收集素材，让自己的项目学习作品更有特色。21X1359.indd 22021/3/11 11:42
10、:031 1目录目 录目 录CONTENTS 第一章 认识开源硬件项目 1项目范例 体验Arduino开发平台21.1 开源硬件的特征及发展历程4111 开源硬件 5112 开源硬件的特征6113 开源硬件的发展历程81.2 利用开源硬件进行创新9121 开源硬件的设计和开发创新9122 开源硬件的应用9123 开源硬件对信息技术创新的意义121.3 开源硬件系统的组成及开发环境13131 开源硬件项目13132 开源硬件系统的一般组成 14133 开源硬件项目的开发平台 15 第二章 开源硬件项目的开发流程与方案设计 33项目范例 基于开源硬件的感应灯开发规划342.1 开源硬件项目开发的基
11、本流程36211 创意 38121X1359.indd 12021/3/11 11:42:0522目录212 设计 38213 制作 39214 测试 39215 运行 392.2 开源硬件项目开发的创意策划40221 项目选题的策划40222 项目构思的创意策划 412.3 开源硬件项目开发的方案设计47231 项目功能需求分析47232 项目功能组件设计48233 项目元器件选型50234 项目设计图样绘制52235 项目技术方案制订55 第三章 开源硬件项目的制作 59项目范例 基于开源硬件的感应灯制作603.1 项目作品的硬件搭建63311 硬件搭建的器材63312 硬件搭建的步骤67
12、313 硬件搭建的安全防护683.2 项目作品的程序设计69321 用图形化编程工具编程69322 用文本代码编程工具编程 703.3 项目作品的功能测试与运行74331 项目作品的功能测试74332 项目作品的系统调试74333 项目作品的运行7621X1359.indd 22021/3/11 11:42:063 3目录 第四章 开源硬件项目输入输出组件及综合应用项目开发 79项目范例 基于开源硬件的教室空气质量监测仪开发804.1 开发板的I/O信号控制82411 开发板的I/O信号类型82412 开发板的数字和模拟引脚 83413 开发板信号处理的程序函数83414 开发板串口使用854
13、.2 开源硬件项目的输入组件88421 传感器88422 环境检测类传感器常见模块90423 物理测量类传感器常见模块944.3 开源硬件项目的输出组件98431 执行器组件常见模块98432 显示组件常见模块1024.4 综合应用项目开发106441 教室空气质量监测仪项目的创意策划106442 教室空气质量监测仪项目的技术方案设计108443 教室空气质量监测仪项目的程序设计114444 教室空气质量监测仪项目的调试和运行 116 第五章 知识分享与知识产权 121项目范例 教室空气质量监测仪的开源许可证与知识分享1225.1 知识分享与开源精神124511 知识分享背景下的开源精神125
14、512 互联网常用知识分享平台 12721X1359.indd 32021/3/11 11:42:0644目录5.2 开放源代码与知识产权129521 知识产权及其历史130522 常见的开源许可证131附录1 部分术语、缩略语中英文对照表138附录2 项目活动评价表13921X1359.indd 42021/3/11 11:42:081 1随着信息技术的蓬勃发展和国内“大众创业，万众创新”热潮的兴起，创客（Maker）、创客空间等概念得以迅速传播，引发了社会大众对创客的广泛关注。开源硬件现已成为创客们的常用工具，它不仅能被艺术家、设计师、工程师等专业人员用于艺术创作、科技创新，而且能使普通的
15、业余爱好者自己动手将创意转化为实物作品或产品，体验或感受开源硬件的魅力。本章将通过“体验开源硬件开发平台”项目，进行自主、协作、探究学习，让同学们认识开源硬件的特征与发展，理解利用开源硬件进行信息技术创新的意义，从而将知识建构、技能培养与思维发展融入运用数字化工具解决问题和完成任务的过程中，促进信息技术学科核心素养达成，完成项目学习目标。 开源硬件的特征及发展历程 利用开源硬件进行创新 开源硬件系统的组成及开发环境第一章认识开源硬件项目21X1359.indd 12021/3/11 11:42:1022第一章 认识开源硬件项目体验Arduino开发平台项目范例情 境随着全球创客运动的兴起，国内
16、“大众创业，万众创新”热潮风起云涌，创客创业的活力不断被激发，“互联网+创意智造”成为小微企业产品研发的创新路径，也为中国成长为创造大国提供动力引擎。开源硬件是创客运动的宠儿，其中Arduino是典型代表之一。基于Arduino开发平台，即使是非电子专业人群，也可以开发制作许多有趣的、互动的项目，为生活带来更好的创意体验，解决更多的问题。究竟什么是开源硬件和开源硬件开发平台？它们与创客是什么关系？学习利用开源硬件进行项目开发对信息技术应用创新有什么意义？主 题体验Arduino开发平台规 划根据项目范例的主题，在小组中组织讨论，利用思维导图工具，制订项目学习规划，如图1-1所示。图1-1 “体
17、验Arduino开发平台”项目规划21X1359.indd 22021/3/11 11:42:133 3 体验Arduino开发平台探 究根据项目学习规划的安排，通过网络资料搜索、文献阅读和动手探究，开展“体验Arduino开发平台”项目学习探究活动，如表1-1所示。表1-1 “体验Arduino开发平台”项目学习探究活动探究活动学习内容知识技能认识Arduino开发平台开源和开源软件的含义。开源硬件的概念与特征。了解开源硬件发展历程。常用的开源硬件。认识开源硬件的特征和发展。了解开源硬件的发展历程。知道常用开源硬件的名称、功能和特征。开源硬件的设计和开发创新。开源硬件的应用领域。利用开源硬件
18、进行信息技术创新的意义。理解利用开源硬件进行信息技术创新的意义。体验基于Arduino开发平台的项目开源硬件项目的组成。开源硬件项目的开发平台。知道利用开源硬件进行项目开发的项目组成。实 施实施项目学习各项探究活动，进一步认识开源硬件的特征和发展，理解利用开源硬件进行信息技术创新的意义。成 果在小组开展项目范例学习过程中，利用思维导图工具梳理小组成员在“头脑风暴”活动中的观点，建立观点结构图，运用多媒体创作工具（如演示文稿、在线编辑工具等），综合加工和表达，形成项目范例可视化学习成果，并通过各种分享平台发布，共享创造、分享快乐。例如，运用在线编辑工具制作的“体验Arduino开发平台”可视化报
19、告，可以在教科书配套学习资源包中查看，其目录截图如图1-2所示。图1-2 “体验Arduino开发平台”可视化报告目录截图21X1359.indd 32021/3/11 11:42:1444第一章 认识开源硬件项目评 价根据教科书附录2的“项目活动评价表”，对项目范例的学习过程和学习成果在小组或班级上进行交流，开展学习活动评价。项目选题同学们以36人组成一个小组，选择下面一个参考主题，或者自拟一个感兴趣的主题，开展项目学习。1体验Arduino的其他型号开发板与软件2体验micro:bit开发平台3体验Raspberry Pi（树莓派）开发平台项目规划各小组根据项目选题，参照项目范例的样式，利
20、用思维导图工具，制订相应的项目方案。方案交流各小组将完成的方案在全班进行展示交流，师生共同探讨、完善相应的项目方案。1.1 开源硬件的特征及发展历程2015年3月，政府工作报告首次将“创客”写入，并提出推进“大众创业，万众创新”，强调“让人们在创造财富的过程中，更好地实现精神追求和自身价值”，一时间激发了人们创业、创新的热情。2015年6月，深圳市举办首届国际创客周活动，聚焦智能硬件和“互联网+”，促进国内外创客文化交流（图1-3）。富有创新、创造精神的创客，与“大众创业，万众创新”联系在了一起，引发了人们的广泛关注。自此，我国跟随全球创客运动的脚步，掀起了创图1-3 首届国际创客周活动展21
21、X1359.indd 42021/3/11 11:42:155 5 1.1 开源硬件的特征及发展历程客热潮。实际上，不论是创业还是创新，不论是成为电子设计爱好者还是成为创客，都与开源硬件密不可分，在一定程度上都得益、依赖于开源硬件及其平台。1.1. 1 开源硬件1开源与开源软件在1998年OSI（Open Source Initiative，开放源代码促进会）成立时，“开源”一词被正式使用，旨在推动开源软件的发展。所谓开源，是指开放源代码（open-source），是一种软件公布方式。源代码（source）是可供人阅读的计算机指令文本，是软件产品最直接、最完整的技术描述。商业软件公司通常采取申
22、请版权或者商业加密的方式对软件源代码实施严格保护，以防止其技术思想被窃取，从而保证软件的销售盈利。开放源代码软件，即开源软件，是指源代码完全公开，可自由分发，任何人都可免费获取的软件。开源软件由世界各地的志愿者通过网络合作的方式完成。开源软件独特的研发和发布方式，使它取得了令人瞩目的成绩。今天，开源软件在全球已被广泛应用于各行各业，改变着世界软件业的发展轨迹。例如，操作系统类开源软件有Linux、Android（安卓系统）等，应用类开源软件有MySQL、PHP、Python、Firefox等。2开源硬件开源硬件在开源软件的基础上定义，指源代码开放的硬件（设备、机器或者其他实物），允许他人重新制
23、造、修改、分发等。开源硬件的源代码，指开源硬件的设计，包括项目组成、概述、原始设计文件、辅助设计文件、物料清单、软件、照片和解释说明等。开源硬件的核心体现在电路原理图、物料清单、PCB（电路板）图等。例如，Arduino开发板、micro:bit开发板等。硬件与软件的不同之处在于硬件资源始终致力于创造实物产品，3D打印、无人驾驶飞机等都是利用开源硬件的例子。目前，比较流行的开源硬件有Arduino、Raspberry Pi、micro:bit等。其中，Arduino是开源硬件界第一个获得大规模成功的项目，且产生了大量的衍生产品。近年来，我国自主研发的专门用于教育的开源硬件也相继投入使用。得益于
24、创客运动，开源精神和开源文化从电子爱好者、开源硬件社区开始，逐步走向大众，使更多人能通过各种开源分享，将创意转化为现实，进而改变世界。探究活动讨 论上网搜索或到图书馆查阅资料，与同学讨论开源软件、开源硬件、开源运动的含义。21X1359.indd 52021/3/11 11:42:1566第一章 认识开源硬件项目阅 读创客与创客运动“创客”中的“创”是指创造，“客”是指从事某种活动的人。对于创客的定义，目前没有明确的界定，狭义上是指那些酷爱科技、热衷实践、乐于分享，努力把各种创意转变为现实的人；广义上是指有创意，并且能够付诸实践进行创新的人。创客们结合开源硬件和互联网，将各种创意变为各式各样的
25、产品，如电子服装、健康手环、智能手表、食物烹饪器等。创客运动，可以理解为“互联网+DIY”，即人人都可以像科学家、发明家一样，利用一切资源，将创意实现，并通过互联网平台快速分享给全世界。创客运动起源于美国，近年风卷全世界，在中国的兴起时间虽短却发展迅猛。创客空间，是创客开展制作、活动、交流、合作的工作空间，配备有各种资源工具，拥有运营团队等。创客空间不仅为创客们提供了各种设计、开发及测试创意产品的设备和资源，更为创客们提供了各种提升创客能力的讲座、培训和课程。创客空间，是学习的空间，是思维碰撞的空间，更是创新和创造的空间。查 阅上网搜索或到图书馆查阅资料，进一步了解国内外创客、创客空间、创客运
26、动的情况及创客给社会带来的影响。1 . 1 . 2 开源硬件的特征开源硬件是开源文化的重要组成部分，具有开放性、成本低和标准化三个特征。1开放性开源硬件最典型的特征是开放性，且重视分享、透明和工作的传承。开发者通过公开硬件设计的所有信息，使得他人能够在此基础上使用部分或全部硬件的设计方案，进行二次开发。标记为开源硬件的，无论是授权完全开源或部分开源一定要明确必须做到的和可选做的事项。（1）必须做到的事项：允许任何人研究、修改、发布、制作和销售此硬件。提供可公开访问的设计文件和文档（源文件），格式容易获得。明确设计的哪部分（如果不是全部）是许可发布的。不要暗示衍生品依然要由原设计师制造、销售、保
27、修或其他形式的认可。未经许可不得使用其他公司的商标。不可公开销售非商业性的或无衍生品修改的开源许可的硬件。21X1359.indd 62021/3/11 11:42:157 7 1.1 开源硬件的特征及发展历程（2）可选做的事项：要求给出版权归属。根据开源硬件的定义使用开源硬件标志来标注硬件。要求衍生的作品采用与原设计不同的名称或版本号。硬件可以直接复制或在其基础上创作衍生品。衍生品需要兼容的开源硬件许可证。2成本低由于硬件设计的修改成本比较高，开放开源硬件的硬件设计信息可以使开发成本、开发风险大为降低，使学习成本以及利用它进行应用项目设计的实验成本也一起降低，从而能够被绝大多数人所接受。3标
28、准化标准化是实现进一步开放性目标的重要手段。开源硬件设计实现了软件和硬件的标准化。软件标准化包括软件接口、编程环境、库文件、引导程序和编程工具等方面的标准。硬件标准化包括电子元器件、机械硬件、物理通信、硬件界面、模块化设计等方面的标准。当开源硬件产品与其他硬件产品通信时，一般采用USB、蓝牙或Wi-Fi等主流标准协议。所有这些标准，都利于开源硬件更容易被修改或重新设计。开源硬件的发展有力地促进了接口技术的标准化和开发流程的标准化。如图1-4所示，各种不同标准的连接插头，彼此不能共用，给人们造成极大不便，从而形象地表达开源硬件标准化的重要性。阅 读Arduino是全球流行的、热门的开源硬件平台之
29、一。Arduino创始团队中有一位成员是意大利一所高科技设计学校的教师，他的学生经常抱怨找不到既便宜又好用的微控制器。2005年，这位教师与学校的一位工程师访问学者决定自己设计电路板，并为电路板设计编程语言。电路板完工后，他们把设计图放到网上。然而，版权法虽然可以监管开源软件，但却很难用于监管硬件上。为了保持设计的开放源代码理念，他们决定采用Creative 图1-4 各种不同标准的连接插头21X1359.indd 72021/3/11 11:42:1588第一章 认识开源硬件项目Commons（知识共享，简称CC）授权方式公开硬件设计图。在这样的授权下，任何人都可以生产Arduino电路板的
30、复制品，甚至还能重新设计和销售原设计的复制品。人们不需要支付任何费用，甚至不用取得Arduino团队的许可。然而，如果重新发布了引用设计，就必须声明原始Arduino团队的贡献。如果修改了电路板，则最新设计必须使用相同或类似的CC授权方式，以保证新版本的Arduino电路板也会一样是自由和开放的。唯一被保留的只有Arduino这个名字，在没有官方授权的情况下不能使用它。短短几年，Arduino在全球积累了大量用户，推动了开源硬件、创客运动，甚至推动了硬件创业领域的发展。如今，越来越多的芯片厂商和开发公司都宣布自己的硬件支持Arduino。1 . 1 . 3 开源硬件的发展历程开源软件的历史比开
31、源硬件早二三十年，开源硬件的历史紧紧跟着开源软件的历史发展足迹。1开源硬件的产生1997年推出的“开源硬件认证计划”，允许硬件制造商对硬件进行认证，要求凡是获得认证的硬件设备，都要承诺对外公开其驱动程序接口的编程文档。这样，供应商就可在获得认证的设备包装上添加开源硬件标志，并在广告中指出他们的设备是经过认证的。购买了认证设备的用户即便是遇到操作系统变更或制造商倒闭，仍可以由第三方为他们的设备编写新的软件。这是开源原则首次应用于硬件。1998年，开源硬件的概念纷纷被提出。例如，有人推出“开放硬件规范项目”；有人表示想开办企业将开源软件的原则应用到硬件设计和开发中；更有人推出了开放设计电路网站，旨
32、在通过合作的方式设计出低成本的开放设计电路。这些雏形概念的出现有力地推动了开源硬件运动的发展，但大多数项目尝试在一两年内就逐渐销声匿迹了。2开源硬件的发展2005年前后，由于OpenCores、RepRap、Arduino等几个主要的开源硬件项目的出现，开源硬件再次成为焦点。2007年，TAPR创建了第一个硬件许可证，也是第一个针对硬件的开源许可证。2009年，这些开源硬件推动者组建了“开源硬件设计联盟”，每年召开一次开源硬件峰会。2011年，开源硬件协会（OSHWA）正式创立。这是一个教育型非营利组织。开源硬件协会建设有开源硬件社区（标识如图1-5所示），不定期举办会议，开展有社会价值的开源
33、硬件使用场景教育活动，服务社群，帮助开展STEM教育，鼓励开源硬件项目向教育和经济等领域开放。开源硬件协会进一步明确了开源硬件的1.0定义。图1-5 开源硬件社区标识21X1359.indd 82021/3/11 11:42:159 9 1.2 利用开源硬件进行创新查 阅围绕“开源硬件运动”或“开源硬件历史”搜索查阅相关资料，按照以下要求，自行设计表格，记录、分析其特点及发展历程。（1）要对资料进行分析，甄别信息来源的可信性、权威性。（2）要对资料进行格式过滤，筛选和加工查阅到的信息。交 流各小组以“认识开源硬件”为主题在班级或在学校网络学习空间进行分享交流。1.2 利用开源硬件进行创新在当今
34、智能设备和移动互联网浪潮下，开源硬件技术的兴起，有效地降低了硬件技术的开发门槛。随着开源硬件的广泛应用，一大批相关企业和创客不断产生，他们怀着新颖的想法，自己动手创造，进行各种各样的自主创新活动。1.2. 1 开源硬件的设计和开发创新开源硬件倡导开放、分享，按一定授权方式将资料公开在网络社区，鼓励读者修改开源硬件及其项目，促进该硬件或其项目不断修正、迭代发展，并制作出衍生产品。基于开源硬件的定义，开源硬件授予了使用者复制的权利。开源硬件衍生品的项目，特别是3D打印领域和Arduino社区中的项目，其设计制作、变化一般可分为四类：功能改变；设备形式改变；成本改变；为更好地设计与制造改变，使产品的
35、零部件更易制造或供应。所有这些变化，都是促进开源硬件设计与开发本身的创新发展。1.2. 2 开源硬件的应用开源硬件的发展，为制造业、教育、医疗、农业等各行各业的发展和社会服务带来了极大的便利，使得人们的学习更个性、工作更便捷、生活更美好。1开源硬件在制造业中的应用开源硬件已逐渐应用于制造业的设计、生产与产品之中。例如，一款安全高效的开源21X1359.indd 92021/3/11 11:42:151010第一章 认识开源硬件项目激光切割机Lasersaur，可以满足用户对于激光切割的任何需求，而无须掌握任何运行、维护和更改的专业知识，如图1-6所示。Blackfoot则是另一款基于开源硬件的
36、数控机床，可以提供免费、低成本的自动化制造解决方案，如图1-7所示。对于全球首款开源DIY汽车，用户只需购买基础零件，并下载组装指南，就可以像搭积木那样自行组装汽车，组装车最高时速可达85 km/h。如图1-8所示为某款开源DIY汽车展示图。2开源硬件在教育中的应用开源硬件近年也广泛运用在教育行业中。随着开源硬件的发展以及各种相关论坛的兴起，教师可以便捷地获得大量的开源工具用于教学；学校的课程学习可以方便地运用各种各样的开源硬件开发板，帮助同学们感性地认识和动手实践；教与学的方式也更加灵活多样。此外，随着硬件价格的下降以及更多开源软件的推广，学习的门槛将会进一步降低，未来将会有更多人利用开源硬
37、件进行学习。3开源硬件在医疗中的应用开源硬件在医疗设施领域也是大有可为。例如，基于开源硬件的开放性脑机界面（BCI） 图1-6 开源激光切割机Lasersaur 图1-7 开源数控机床Blackfoot图1-8 某款开源DIY汽车展示图21X1359.indd 102021/3/11 11:42:1611 11 1.2 利用开源硬件进行创新（图1-9），涵盖了多种医疗技术，包括功能性核磁共振影像、人工耳蜗植入装置、脑电图等。虽然这类医疗应用技术目前仍然十分昂贵，但未来通过硬件资源的开放会变得更加普及，造福全人类。4开源硬件在农业中的应用我们的世界正在经历人口爆炸式的增长，所以很多政府与公司都希
38、望尽量提高农业生产的产量。如图1-10所示的一款开源的自动化精准农业机械FarmBot的外观很像数控铣床和3D打印机，它主要采用X、Y、Z三轴定向，可以装备任何农用设备。另外，通过FarmBot的软件包，用户还可以对农场进行图形化设计，告诉FarmBot应该完成的操作，从而实现犁地和种子播撒等。其实，开源硬件的应用还有很多。当前，开源硬件已经对制造业、教育、医疗、农业等领域产生广泛而深远的影响。图1-9 开放性脑机界面图1-10 自动化标准农业机械FarmBot21X1359.indd 112021/3/11 11:42:161212第一章 认识开源硬件项目调 查查阅资料，举例说明开源硬件对各
39、行各业的影响，填写表1-2。表1-2 开源硬件对各行各业的影响实例开源硬件应用领域开源硬件的影响实例制造业教育医疗农业文化娱乐家居其他结论：1 . 2 . 3 开源硬件对信息技术创新的意义开源硬件对信息技术创新以及人才培养等都具有明显的积极意义。1降低项目设计的技术门槛，促进了人们参与的广度以Arduino为例，其具有良好的可扩展性，可以根据项目需求，像搭积木一样接入扩展模块。由于Arduino相应的软件系统也是开源的编程环境，且简单易学，利于更多人参与和创造。2公开且容易获得的技术资源，促进了人们参与的深度开源硬件开发平台，如Arduino拥有众多的电子设计爱好者，其专业的开源硬件协会组织和
40、社区网站提供了相关的技术文档、扩展库、系统库等资料，便于人们获取、学习。3动手做项目的学习方式，促进了人们参与的效度基于开源硬件开发平台的研发，使得学习者从一个完整项目设计的角度去理解所学的知识体系，从而加深和促进对知识结构的理解，并通过“边实践、边探究”的项目学习模式，激发学习者的动手能力和创造能力。4开源降低了开发风险和项目成本，提升了人们创新的意愿与可行性使用开源硬件进行项目设计，可以更高效地对产品进行开发、完善和迭代，不仅减少了重复开发，降低了试错风险和成本，更缩短了产品原型的开发周期，提升了人们创新的意愿。开源对创新具有积极的意义。但是，开源并不反对知识产权，也不代表作者放弃了知识产
41、权，也并不意味着可以由他人进行创意剽窃和肆无忌惮地盗版，开源也要尊重和保护21X1359.indd 122021/3/11 11:42:161313 1.3 开源硬件系统的组成及开发环境知识产权，遵循开源许可协议，以保障开源运动的健康发展。讨 论下面列出了三个关于“创客与创新”的思考问题，以小组为单位选择其中一个问题，搜索、查阅资料，然后形成观点，并在班级或在学校网络学习空间进行讨论交流。（1）创意、创客与创业有什么关系？（2）为什么说创客是跟开源硬件绑在一起的？ （3）为什么说开源有利于创新？项目实施各小组根据项目选题及拟订的项目方案，结合本节所学知识，开展开源硬件开发板探究活动。1了解常用
42、开源硬件和本组所选开源硬件开发板的名称、外观、控制器芯片型号、输入输出引脚、电源口及工作电压等。2利用本组所选开源硬件开发板进行实验电路连接、交互控制功能体验及操作。1.3 开源硬件系统的组成及开发环境1.3. 1 开源硬件项目开源硬件项目，既指硬件设计本身，也常泛指利用开源硬件进行开发制作的项目，即指由开源硬件系统与制作材料搭建而成的物理运算装置。在本教科书中，开源硬件项目的含义主要指后者，且项目装置主要介绍开源硬件系统部分。创客和电子设计爱好者都可以通过开源社区分享各种开源硬件项目，了解国内乃至世界各地充满创意的、有趣的项目。例如，如图1-11所示是一个可供参图1-11 基于Arduino
43、的互联网花盆21X1359.indd 132021/3/11 11:42:171414第一章 认识开源硬件项目观者参与的基于Arduino的互联网花盆项目，参观者可以为植物提供阳光（控制LED亮度）、空气（控制风扇开关）和水（控制水泵开关）。探究活动查阅上网查阅Arduino衍生的各种创意作品。例如，声光玩具，可搜索关键词“Arduinotoy”；自动机械化，可搜索关键词“宠物喂食器”；四轴飞行器，可搜索关键词“ArduSat”；3D打印机，可搜索关键词“3D Printer”；等等。1 . 3 . 2 开源硬件系统的一般组成开源硬件系统一般由开源硬件开发平台、输入组件和输出组件组成，如图1-
44、12所示。开源硬件开发平台，实质是开源的电子平台，由硬件和软件两部分组成。其中，硬件部分是由微控制器（为单片机）与外围元器件集成的一块电路主板；软件部分是集成开发环境。从利用该硬件进行应用产品开发的角度而言，开源硬件承担了系统的中控、开发平台的作用，因此，亦被称为控制板或开发板。同时，由于开源硬件系统部分是产品实验开发的电子原型，因而开源硬件平台又被称为电子原型平台。“原型”是在新产品开发阶段所制作的模型，用于试验新产品的功能、造型和材料。输入组件是指能将产生的数字信号或模拟信号输入到开发板的元器件，如按钮、光敏传感器等。输出组件是指能输出光、声音、驱动等信号的元器件，如LED、蜂鸣器、电机等
45、。图1-12 开源硬件系统的一般组成21X1359.indd 142021/3/11 11:42:171515 1.3 开源硬件系统的组成及开发环境1.3. 3 开源硬件项目的开发平台开源硬件开发平台多种多样，其中Arduino、Raspberry Pi和micro:bit是主流开发平台。与其他电子硬件开发平台相比，Arduino具有价格实惠、尺寸和型号多、易于与其他设备相连、编程简易等优点，广受电子设计爱好者追捧。因此，我们将采用Arduino作为开源硬件开发平台的范例。Arduino开发平台主要包含硬件和软件两大部分。硬件部分是可做电路连接的Arduino电路板，软件部分包括一个编程语言环
46、境和在开发板上运行的程序。1 硬件部分（1）Arduino开发板。以Arduino UNO为例，开发板由一块Atmel AVR单片机、一个晶体振荡器和一个5 V直流电源组成。它可以连接各种输入设备，一般通过传感器传入信息；也可以驱动各类输出设备；还可以做一些物理、化学类的科学实验，快速实现一些简单的创意。Arduino的开发板有多种型号，其中最常用的型号是Arduino UNO，如图1-13所示。如无特殊说明，我们所述的Arduino开发板即指Arduino UNO。就像计算机一样，Arduino也会持续推出新的版本与型号，软件也会更新。Arduino开发板的版本型号很多，每个型号都有不同的名
47、字，例如Arduino LEONARDO、Arduino UNO、Arduino NANO等。虽然型号不同，但连接方式几乎都一样。开发板上各引脚的含义如表1-3所示。图1-13 Arduino UNO开发板实物图21X1359.indd 152021/3/11 11:42:181616第一章 认识开源硬件项目表1-3 Arduino开发板各引脚说明名称含义名称含义RESET复位IOREF输入输出参考电压，预留SCL时钟线3.3 V3.3 V电压SDA双向数据线5 V5 V电压AREF基准电压输入GND接地或地线013数字输入/输出：0，13/5/6/9/10/11：模拟输出0，255VIN电源
48、输入电压TX串行发送A0A5模拟输入0，1023RX串行接收数字输出0，1调 查上网或到图书馆查阅其他开源项目的工具书，调查了解Arduino开发板连接引脚的使用方法，包括供电电压、数字I/O（输入输出）、模拟输入、GND等。（2）Arduino驱动。Arduino开发板和进行软件开发的计算机连接，一般需要通过USB线连接。当Arduino开发板第一次连接到计算机时，计算机需要安装驱动程序，之后再连接则无须再安装。第一步，安装驱动程序。当Arduino开发板第一次连接到计算机时，计算机会提示“安装驱动程序”。打开计算机“设备管理器”，查找并点击“Arduino Uno”设备进行安装，如图1-1
49、4所示。这时，只要按照弹出的安装提示，在Arduino IDE安装目录中的Drivers文件夹中查找驱动程序，就能实现对Arduino驱动程序的安装。驱动安装完毕，以后再将Arduino开发板与图1-14 找到“Arduino Uno”设备21X1359.indd 162021/3/11 11:42:181717 1.3 开源硬件系统的组成及开发环境计算机连接，则不再提示“安装驱动程序”。第二步，分配Arduino开发板的端口号。Arduino开发板与计算机通信是通过串口进行的。因而在第一次安装Arduino设备驱动时，在计算机“设备管理器”的端口一项中会增加一个串口设备，并分配给Arduin
50、o开发板一个串口号。例如，在图1-15中，Arduino开发板与计算机通信的串口号为COM4。不同的计算机分配给Arduino开发板的串口号可能各不相同。（3）Arduino扩展板。Arduino开发板上输入、输出和传感器的接口有限，通常需要使用扩展板来增加接口，进而实现特定功能的扩展。Arduino扩展板通常具有和Arduino开发板一样的引脚位置，可以堆叠接插到Arduino上，如图1-16（a）所示，有利于简化在开发板上接插元件的搭建过程，更快速地搭建出项目。Arduino扩展板还可分为传感器扩展板、网络扩展板和原型扩展板等，可以根据需要进行选择。如图1-16（b）所示为原型扩展板与Ar
