面试题：Visual Basic与Arduino复杂互动 - 多设备协同控制

Question

有多个Arduino设备，分别连接不同类型的传感器（如湿度传感器、光照传感器）和执行器（如电机、舵机）。使用Visual Basic编写一个主控制程序，实现根据不同传感器数据联动控制多个执行器。要求考虑系统的稳定性、实时性以及可扩展性，详细阐述整体架构设计、通信协议设计以及关键算法实现。

Answer 1

整体架构设计

1. 硬件层：多个Arduino设备，每个设备连接特定的传感器和执行器。例如，一个Arduino连接湿度传感器和控制灌溉的电机，另一个连接光照传感器和控制窗帘开合的舵机。
2. 通信层：Arduino与Visual Basic主控制程序之间可通过串口通信。Arduino将传感器数据通过串口发送，Visual Basic程序从串口接收数据。为确保稳定性，要处理好串口波特率匹配、数据校验等问题。
3. 应用层（Visual Basic程序）：
   • 数据接收模块：负责从串口读取Arduino发送的传感器数据。
   • 数据分析与决策模块：根据接收到的传感器数据，按照预设逻辑决定如何控制执行器。例如，当湿度低于一定阈值，启动电机进行灌溉。
   • 执行器控制模块：根据决策结果，通过串口向相应的Arduino发送控制指令，控制执行器动作。
   • 用户界面模块：提供可视化界面，方便用户查看传感器数据、设置控制参数等，增强系统的可操作性。

通信协议设计

1. 数据格式：采用固定长度的数据包格式。例如，数据包由包头（1字节，用于标识数据包开始，如0xAA）、传感器类型（1字节，区分不同传感器，如0x01表示湿度传感器，0x02表示光照传感器）、数据长度（1字节）、数据内容（N字节，具体传感器数据）、校验和（1字节，前面所有字节的校验和）组成。
2. 发送协议：Arduino按上述格式封装传感器数据并发送。例如，湿度传感器读取数据后，封装数据包发送给Visual Basic程序。
3. 接收协议：Visual Basic程序接收数据时，先验证包头，再根据数据长度读取完整数据包，计算校验和并验证。若校验和正确，解析数据；否则丢弃该数据包并等待下一个。

关键算法实现

1. 数据平滑算法（提高稳定性）：对于传感器数据，采用滑动平均滤波算法。例如，建立一个长度为N的数组存储最近N个传感器数据，每次新数据到来，将旧数据依次后移，新数据存入数组开头，然后计算数组中所有数据的平均值作为当前有效数据。这可减少传感器噪声影响，提高系统稳定性。
2. 实时调度算法（保证实时性）：在Visual Basic程序中，采用基于事件驱动的调度机制。例如，使用Timer控件定时检查串口是否有新数据到达，有数据则触发数据接收事件进行处理。对于执行器控制，根据预设逻辑尽快响应传感器数据变化，确保实时性。
3. 扩展算法（支持可扩展性）：采用模块化设计思想。例如，将不同传感器和执行器的处理逻辑封装成独立模块，新的传感器或执行器接入时，只需编写对应的模块并在主程序中注册，修改配置文件指定新设备的通信地址、控制逻辑等，即可方便扩展系统功能。