数字制造讲义05-软硬件数据通信
Connect Everything
在我们制造东西的时候，目标也是把不同的物体和元件拼接成一个完整的、具有一定功能的物品。但是我们会面对一个比乐高困难得多的问题：不同的元件出身和禀赋可能天差地别，想要把它们连接到一起，得想出各种办法。
比如，我想做一个薯片罐头打击乐器，敲击罐头，就可以让 iPad 里面的乐器发出对应的声响。
想想看，我们要把哪些东西连接起来？
我们要连接敲击的平面和 iPad 中的 APP。可是并不存在这样的接口。怎么办？
一段电线连不起来，那我们用两段。可以先用 Arduino 帮我们收集敲击的信号，然后作为中转，再传给 APP。
可是， Arduino 怎么连接 iPad 呢？
你可能会说，可以用数据线呀！没错，不过，要用什么样的数据线呢？这取决于我们要传输什么样的数据。我们想要控制 APP 中的乐器，就需要包含 MIDI 信息的数据，于是要用 MIDI 数据线来传递。
所以，我们的问题拆分成了好几个：
如何连接敲击面和 Arduino (电路)
如何连接 Arduino 和 iPad(一头必需是 iPad 支持的端口，如 type-c)
如何从 Arduino 传输 MIDI 数据到 APP(一头必需是 MIDI 数据线)
条条小路通骡马
这节课我们学习有哪些方式把不同的东西连接在一起，让它们之间可以传递数据，完成一定的功能。
硬件和硬件、软件和硬件、软件和软件的数据通信，主要可以分为两大类型：有线和无线。
想要跟硬件沟通，需要用某种它能听懂的「语言」。但是这种语言在人类看来简直像天书，它是机器专用的代码——汇编语言（assembly language），是一种用于电子计算机、微处理器、微控制器，或其他可编程器件的低级语言。
有线
串口通信(Serial Communication)， 是最常见的通信方式。它是指外接设备和计算机之间，通过数据信号线、地线、控制线等，按位进行传输数据的一种通讯方式。 这种通信方式使用的数据线少，在远距离通信中可以节约通信成本，但其传输速度比并行传输低。
串口的概念跟并口相对应：
因为要跟机器直接打交道的语言（低级别的语言）比较难掌握，所以有许多更高级别的语言(近似人类语言)的库可以帮助我们通过串口跟机器沟通，例如 Python 语言的 pySerial。
Arduino 也是靠串口跟计算机通信。
在我们上传程序到板子之前，就需要选择用哪个串口通信。在 Port 选项上方，还有 Serial Monitor 工具（IDE右上角放大镜图标也可以），我们常常在调试程序时，打开串口监视器并查看里面的数据。
那么，Arduino 用什么数据线跟电脑的串口连接呢？
最常见就是 USB 数据线了。USB 是 Universal Serial BUS 的缩写，从名字可见其野心(不过讲真，数据接口类型太多，真的让人头疼死……)
来认认 USB 接口们，哪些是平常经常会见到的：
备受关注的 USB 4.0 就要来了，但是现实比较骨干，我们仍然需要跟各种各样的数据接口和数据线打交道，尤其是音频和视频的数据线，还远未到 USB 一统天下的时候。
这张图汇总了大部分音视频数据接口的长相，总有一款适合你：
USB 没有办法替代这么多的数据接口和数据线，其中很重要的一个原因是连接距离。音视频的连接长度常常跨越几米甚至上百米，这时候 USB 就傻眼了。
在远距离传输的场景下，互联网（广域网/局域网）就可以大显身手。在有线互联网中，我们通过 IP 地址访问和联通计算机。
IPv4地址分为 A、B、C、D、E 五类，出去特殊作用的 D、E 两类，剩下的 A、B、C 三类地址是常见的 IP 地址段。A 类地址的容量最大，可以容纳 16,777,214 个主机，B 类地址可以容纳 65,534 个主机，C 类地址可以容纳 254 个主机。
A类地址：10.0.0.0--10.255.255.255
B类地址：172.16.0.0--172.31.255.255
C类地址：192.168.0.0--192.168.255.255
无线
基于无线的连接越来越普遍，也越来越重要了。
为啥？
尤其在制作互动装置时，我们不希望被太多连线所缠绕和局限活动范围，所以需要借助无线连接的方式。
而且，多种多样的无线数据传输，也是 IOT(Internet of Things 物联网)的基础设施。
那么蓝牙呢？蓝牙的应用也越来越普遍了。
蓝牙是一种点对点的通信方式，主要目的是服务移动设备。蓝牙的功耗以及成本比 wifi 低一些，但是传输距离很短，一般用于近距离设备的通信，例如耳机和手机。
https://v.qq.com/txp/iframe/player.html?width=500&height=375&auto=0&vid=a05428d2mlx科技情报局：NFC、蓝牙和 WiFi 有什么区别？
除了 wifi 和蓝牙，还有 ZigBee、RF、WiMax 等等传输方式，我们不太会接触到，这里就略过了。
传输音乐数据
音乐和乐器是我们不变的主题。那么我们要深入了解一下如何传输音乐相关的数据。
MIDI
音乐数字接口（Musical Instrument Digital Interface，简称 MIDI ）是一个工业标准的电子通讯协议，为电子乐器等演奏装置（如合成器）定义各种音符或弹奏码，让电子乐器、电脑、手机或其它的舞台演出配备彼此连接，调整和同步，可以即时交换音乐数据。 MIDI 不传送声音，只传送包括音调和音乐强度的数据、音量、颤音和相位等参数，还有设定节奏的时钟信号。在不同的电脑上，输出的声音也因音源器不同而有差异。
回顾 MIDI 的历史，简直就像回顾数字时代的陈年往事：
https://v.qq.com/txp/iframe/player.html?width=500&height=375&auto=0&vid=n08561s7vijWHAT IS MIDI 什么是 MIDI
MIDI 1.0 于 1983 年 8 月发布。35 年过去了，MIDI 终于在今年 1 月迎来了 2.0 版本。
当然，现阶段我们常用的还是 5 脚的 MIDI 数据线，和 0~127 的整数型数字：
课上演示的从 MAX 发送 MIDI 数据给 Ableton，记得自己动手试一试哦！
从移动端发送 MIDI 数据给其他设备，可以使用类似 KnobLab 的 APP，它支持多种传输方式：
OSC
OSC（Open Sound Control）是用于连接声音合成器、计算机和其他多媒体设备的协议，用于辅助音乐表演或节目控制之类（共享音乐表现数据如手势、参数和音符序列）的目的。OSC 的优势包括互动性，准确性，灵活性等。
来听听看 OSC 的作者之一 Matt Wright 是如何介绍它的：
https://v.qq.com/txp/iframe/player.html?width=500&height=375&auto=0&vid=f08563i3n66Open Sound Control OSC intro
OSC 常常用来替代 MIDI，因为它的分辨率更高、可传递的参数更丰富。OSC 消息使用 UDP / IP 和以太网通过 Internet和局域网传输。
OSC 已广泛应用于音乐表演、机器人、视频性能接口、分布式音乐系统和进程间通信等领域，在实验音乐控制器中更是必不可少。
那么怎么使用 OSC 传输数据呢？
在触摸设备如 iOS 上，用 TouchOSC 最方便不过了(不过要收费)。
在移动端下载 TouchOSC，在桌面端下载编辑器，在编辑器里面可以创建自定义的操作面板。然后在移动端设置输入和输出端口。接下来就可以在 Max/MSP 里面接收和发送 OSC 数据了。因为 OSC 通过 UDP 协议传输，所以使用 udpsend 和 udpreceive 对象：
Max 接收到数据后，可以看到 OSC 的数据格式类似文件路径 URI：/{序号}/{参数名} {参数值}。
这样我们就把手机和电脑连接起来，并且在手机上实现个性化的控制。
除了移动端的 TouchOSC，OSCulator 也是一款好用的 OSC 控制器，感兴趣的同学可以自行研究一下。
当然，Arduino 和 Max 也是可以方便地勾搭上的：
本周的作业，是研究 Arduino 如何触发 Ableton 或 Max 里面的声音采样，以及如何使用 OSC 跟 Arduino 通信。
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