用 Arduino 與 ESP32 打造空氣品質監測應用（3）- Arduino 踩雷篇

本篇文章為系列文第三篇：

感測器介紹篇 - DHT11 與 MH-Z14A
資料溝通篇 - UART
Arduino 踩雷篇
（未上映）WiFi 篇：為了省下 Debug 的時間，我額外購買了 ESP32 開發版，本身已經含有 WiFi 跟藍芽功能
（未上映）MQTT 篇：為了把資料傳給其他設備，使用了 MQTT 這個輕薄短小的通訊協定
（未上映）Grafana / Web 篇：資料存在資料庫當然要用炫炮的方式顯示出來啊！這裡使用了 Grafana + Promethus 以及 Svelte 來顯示資料。

這篇會聊聊在 Arduino 以及語言上不熟悉而踩到的一些地雷。

CPU 讀取資料順序不同（Big Endian 與 Little Endian）

因為 CPU 指令集架構不同，所以讀資料的順序也會不一樣，中文稱作位元組順序（Endianness）。從高位元組開始讀取的話叫做 Big-Endian，從低位元組開始讀取的話則叫做 Little Endian，透過下面的圖解釋應該會更清楚：

big-endian and little-endian difference

Arduino 是以 Little Endian 作為讀取順序，在這裡可以找到解答。除了上面提到的記憶體之外，只要是讀取資料的順序不同，都可以用 Big Endian 跟 Little Endian 來描述。

記憶體由於方便管理的關係，OS 會將記憶體的空間切成固定的大小，所以如果儲存連續資料時空間不夠的話就會將資料放到下個空間裡，要取用值的時候再把它們加起來。

之所以會遇到這個問題，是因為當初耍小聰明直接將 ppm 設為一個 unsigned short 指標，這樣一來應該就會自動幫我們計算出正確的數字才對，不用在自己手動寫 bit shift，範例像下面這樣子：

struct Co2Result {
  byte startByte;
  byte command;
  byte high;
  byte low;
  unsigned short ppm;
};
Co2Result *result = malloc(sizeof(Co2Result));
result->startByte = response[0];
result->command = response[1];
result->high = response[2];
result->low = response[3];
result->ppm = &result->high;

因為 short 的大小為 2byte，所以將指標指向 result->high 的話向後讀取 2byte，效果應該等同於 result->high<<8 + result->low 才對。

short 指標測試結果

測試後發現結果會是一個非常奇怪的數字，我想是因為位元讀取順序的不同而導致的。乖乖用 bit shift 之後就可以拿到正確的數字了：

result->ppm = (result->high << 8) + result->low;

C 的資料結構會依平台不同

舉例來說，像是 int 就可能會是 2 bytes 或 4 bytes，一般的 long 有可能是 8 bytes 也有可能是 4 bytes。在像是 Java 等語言中不會出現資料型別在其他平台上有不同的結果，因為資料型別的定義是來自於程式語言實作本身。所以在 C/C++ 當中會出現像 uint8_t 這種型別，讓平台可根據需要定義不同大小的資料型別。

雖然對習慣寫 C 的人來說應該是家常便飯，不過在求算資料結構的大小時，應該使用 sizeof 來計算而不應該假設每個平台當中的資料型別大小都是固定的。

善用 `byte` 資料型別

在 Arduino 當中提供了一個資料型別叫做 byte。背後的定義跟 unsigned char 一樣，只是時常搞不懂 uint8_t char int 的差別，在這邊一次釐清。

byte 跟 unsigned char 是一樣的，背後都是指派 8bit 的記憶體給變數。唯一的差別只是 unsigned char 的含意給使用者的感覺比較廣泛，而 byte 更清楚表達了這個數字是在 0 ~ 255 之間（unsigned）， arduino 推薦使用 byte 作為 consistency。
uint8_t 跟 byte 還有 unsigned char 其實都是差不多的概念，有點像 alias。在 C/C++ 當中，不同平台可能會將 int 定義為 8bit 或 16bit，所以通常會定義 uint8_t 來表達更精準的含意。

善用標頭檔拆分函式

在做 Arduino 專案的時候程式碼的架構相對小很多，把全部的功能塞在 loop 跟 setup 當中也不會讓程式碼太難讀，不過一旦電路變得更複雜一些，把全部實作塞在同一個檔案就有點雜亂了。

雖然 Arduino IDE 的副檔名叫做 .ino，本質上背後還是 C++，因此支援 C++ 的語法，只是沒辦法使用標準函式庫。要撰寫模組，並且使用 Arduino 的函式的話，只要加入 Arduino.h 就可以了。

#include "Arduino.h"
#include <string.h>

另外如果是用 vscode 撰寫的話，會發現 Arduino 的內建函式庫沒辦法被 include，直接引入的話雖然編譯會過，不過編輯器上會出現紅線，這時候可以加入 .vscode/c_cpp_properties.json 讓 vscode 可以找到正確的標頭檔。如下所示：（macOS 版本為例，Linux 或 Windows 可能要另外找一下 Arduino 的安裝位置在哪裡）

{
  "configurations": [
    {
      "name": "Mac",
      "includePath": [
        "${workspaceFolder}/**",
        "/Applications/Arduino.app/Contents/Java/hardware/**",
        "/Applications/Arduino.app/Contents/Java/hardware/arduino/**"
      ],
      "defines": [],
      "macFrameworkPath": [
        "/Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Platforms/MacOSX.platform/Developer/SDKs/MacOSX.sdk/System/Library/Frameworks"
      ],
      "compilerPath": "/usr/bin/clang",
      "cStandard": "c11",
      "cppStandard": "c++17",
      "intelliSenseMode": "clang-x64"
    }
  ],
  "version": 4
}

其他

noInterrupet() 跟 cli() 是一樣的。在 Arduino.h 當中是這樣定義的

#define interrupts() sei()
#define noInterrupts() cli()

Arduino 直接用 std:string 會有問題，std 在 Arduino 上避免使用會比較好，所有那些美好的 C++ 功能在 Arduino 上統統用不了。可以參考論壇中的內文，社群上似乎有人嘗試著讓 std library 也可以在 Arduino 上運作。不知道進度如何。

這一趟實驗結果下來，我發現透過 Arduino 來學習各種比較底層的知識是個不錯的方法，既有內建的 Serial Port 可供 debug，USB 接起來 IDE 安裝一下馬上就可以上傳程式碼省掉各種麻煩，同時背後的實作也可以在 Github 上找到程式碼。同時也讓我想要找時間補足一下對於 C/C++ 的知識了（只有在大學課程時有碰過）

另外本篇文章由於對 Arduino 的不熟悉，雖然已經盡力找資料完善論述，但難免會有不完整或是出錯的地方，還請大家不吝指教。

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