2.1 Arduino IDE

Arduino 是一个基于易于使用的硬件和软件的开源电子平台。 硬件包含各种型号的Arduino电路板，这些电路板就像是Arduino的大脑和身体，能够连接各种电子元件，比如传感器、LED灯等。

Arduino 软件 （IDE） 是一个在计算机上运行的程序开发环境，你可以在这里编写代码，然后上传到Arduino电路板上，让电路板按照你的指令去工作。Arduino IDE可在 Windows、Macintosh OSX 和 Linux 操作系统上运行。

Arduino 软件作为开源工具发布，可供经验丰富的程序员进行扩展。Arduino-ESP32是由乐鑫开发和维护的针对ESP32开发板的开发包。

本书使用的Arduino IDE版本为2.3.6

2.1.1 ESP32开发板安装

为了能够使用 Arduino IDE 开发 ESP32，需要向 Arduino IDE 板管理器添加一个额外的源，然后安装 ESP32。我们需要先添加 ESP32 开发板附加网址。打开【文件】菜单下的【首选项】。

把https://espressif.github.io/arduino-esp32/package_esp32_index.json 粘贴到文本框内

选择左侧导航“开发板管理器”

找到”esp32”这个开发板进行安装，本书例子使用 2.0.17 的版本。

2.1.2第三方库的安装

ArduinoIDE还提供了众多的第三方库，即包含各类传感器、显示屏等硬件驱动相关的库，也包含PubSubClient、ArduinoJSON等各类软件库。

选择左侧导航”库管理”，然后查询需要的库安装后，程序中通过include引用库。

本书中要使用的第三方库在对应小节内说明。

2.2 控制信号输出：点亮LED

想像一下，如果ESP32芯片是一个大脑，那么GPIO（通用输入输出接口）就是它的神经末梢，用于感知外界信息（输入）和输出控制信号，例如感知一个按键的按下、获取传感器数据、点亮一个LED和输出控制舵机转动的信号等等。

下面以点亮板载LED为例来说明GPIO的输出操作。

Arduino的digitalWrite函数用于GPIO输出，LED就是发光二极管，导通时发光。

实例1：LED灯的简单控制

const int LED_PIN = 4;

void setup() {
  pinMode(LED_PIN, OUTPUT);
}

void loop() {
  digitalWrite(LED_PIN, HIGH);
}

上面的Arduino程序包含一个setup()函数和一个loop()函数，setup()在运行时只执行一次，一般放初始化相关的代码；而loop()会反复执行，一般放主代码。

本例中，在setup()中用pinMode()将接LED灯的引脚4设置为OUTPUT，然后在loop()中用digitalWrite()设置引脚4 为1（输出高电平）点亮LED。

上传程序并运行

将开发板用连接到电脑的USB端口，在ArduinoIDE中通过选择对应开发板和端口

然后点击上传按钮

程序将上传到开发板中并开始执行。

在上例中，digitalWrite()放在setup()内也是可以的，loop()函数要理解loop()函数的用法，我们来看一个LED呼吸灯的实现。

实例2：LED呼吸灯

const int LED_PIN = 4;

void setup() {
  pinMode(LED_PIN, OUTPUT);
}

void loop() {
  digitalWrite(LED_PIN, HIGH);
  delay(500);
  digitalWrite(LED_PIN, LOW);
  delay(500);
}

本例中，在loop()函数内，首先用digitalWrite()输出1点亮LED，然后用delay()延时500ms(注意在延时期间，引脚的输出是保持为1的，所以LED一直亮着)，接着用digitalWrite()输出0熄灭LED,再次用delay()延时500ms（LED一直熄灭），loop()执行完毕后被主程序再次调用，周而复始以达到呼吸灯的效果。

delay()函数

delay()是阻塞式的延时函数，但程序遇到这个函数时，要等待指定的毫秒(ms)数。时间到了才会继续执行后面的代码。

2.3 掌握程序在做什么：串口输出

串口用于不同设备间互相传输数据，比如在电脑上实时输入指令来控制Arduino 板做出相应的反应、Arduino 板将程序运行日志传输给电脑进行显示。

Arduino采用USART通信模式，支持硬串口和软串口两种实现方式。

ESP32有3组USART串口，引脚分别是（1,3）、（10,9）、（17,16）

在Arduino中，Serial是预定义好的串口类实例，下面通过一个实例来学习串口输出的操作。

实例3：使用串口输出程序运行信息

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  Serial.println("初始化完成.");
}

void loop() {
  Serial.print("主程序");
  Serial.println("运行中.");
  Serial.printf("Hello %s\n", "World!");
  // code...
  delay(3000);
}

本例中，在loop()函数内，首先用Serial.begin()设置串口波特率为115200，波特率是串口的传输速率，指1秒中传输多少位码（1个字节是8个位码），然后用Serial.println()输入内容；在loop()函数中，分别用print()、printf()和printf()来输出内容。

l print()：输出字符串内容

l println(): 输出字符串内容并换行

l printf(): 格式化输出字符串，可使用%s, %d, %f等格式化符输出字符串、整数和浮点数等

上传代码到开发板运行，然后打开串口监视器并设置波特率为115200即可看到从开发板串口输出的内容。

在后面的项目代码内，我们将使用串口来输出日志用于调试程序和了解程序运行情况。

关于串口的其它操作在后面案例中讲解。

2.4 Arduino程序是如何执行的？

在C语言中，程序是从main函数开始执行的，下面是一个简单的示例代码。

#include <studio.h>
int main(const char* args) {
    printf(“Hello, World!\n”);
    return 0;
}

在Arduino中，程序实际上也从main函数开始执行的，对于ESP32系列，这个函数是由Arduino-ESP32开发板库提供的，伪代码如下：

int main() {
    // init code...

    setup();

    for (;;) {
       loop();
    }
}

可以看出，因为各类开发板的初始化要求差异，这个main函数只能是由对应的开发板库提供。

而Arduino的价值在于屏蔽底层细节，提供相对统一的编程接口，降低学习和迁移不同开发板间的成本。

2.5 如何开发一个项目

本书所有项目均采用迭代式开发方式进行开发。

迭代式开发是一种将软件开发过程分解为多个短周期的迭代，每个迭代包含需求分析、设计、实现与测试等环节的软件开发方法。

需求分析的主要目的是确定项目的范围和目标，明确项目的功能和特性，并将期转化为可理解和可执行的任务。

设计阶段的主要目的是将需求转化为可执行的设计方案，并提供清晰的开发目标和方向。

开发阶段的主要目的是将设计方案转化为具体的代码，实现系统的核心功能和业务逻辑。

测试阶段的主要目的是发现和修复系统上的问题和错误，确保系统的质量和稳定性。