第14章 Raspberry Pi UART Serial 通訊：與 Arduino 進行序列資料交換

發布日期：2026-10-04 ｜更新日期：2026-10-11

1. 前言

前面的 Raspberry Pi 通訊章節，我們已經學過：

I²C
SPI

現在要進入第三種非常重要、也非常常見的硬體通訊方式：

UART

UART 全名：

Universal Asynchronous Receiver-Transmitter

中文通常稱為：

通用非同步收發器

對電子與嵌入式系統而言，UART 幾乎無所不在。

例如：

Arduino
GPS Module
ESP32
ESP8266
STM32
LoRa Module
Bluetooth Module
RFID Module
PLC
Industrial Controller
Debug Console

很多設備都可以透過 UART 進行資料交換。

本章要完成一個非常實用的系統：

Raspberry Pi
     │
     │ UART
     ▼
Arduino UNO R3

讓 Raspberry Pi 與 Arduino 之間可以：

Raspberry Pi → Arduino
Arduino → Raspberry Pi

雙向交換資料。

更重要的是，我們會處理一個不能忽略的電氣問題：

Raspberry Pi GPIO = 3.3V Logic

Arduino UNO R3 = 5V Logic

Raspberry Pi 官方明確警告，所有 Raspberry Pi UART 都使用 3.3V 邏輯電位，直接連接 5V 訊號可能造成硬體損壞；Arduino UNO R3 官方規格則標示其 Operating Voltage 為 5V，D0/RX 與 D1/TX 是 ATmega328P 的 TTL Serial UART。

因此本章不只會教：

程式怎麼寫

還會完整說明：

線要怎麼接
為什麼不能直接接
如何降壓
如何共地
Baud Rate 如何設定
Python 如何讀寫 Serial
Arduino 如何解析命令

這也是進入多控制器整合系統非常重要的一章。

2. 什麼是 UART？

UART 是一種：

Serial Communication

也就是：

序列通訊

資料會一個 Bit、一個 Bit 依序傳送。

例如我們要傳：

ASCII：

Binary：

01000001

UART 就會依照設定好的傳輸格式，將這些 Bit 依序送出去。

基本架構：

Device A
   │
   │ TX
   ▼
Device B RX

反方向：

Device B
   │
   │ TX
   ▼
Device A RX

因此最基本的雙向 UART：

Device A TX ────── Device B RX

Device A RX ────── Device B TX

Device A GND ───── Device B GND

3. UART 最重要的三條線

最基本 UART 通訊通常只需要：

TX
RX
GND

其中：

UART 基本訊號與功能
訊號	功能
TX	Transmit，傳送
RX	Receive，接收
GND	Ground，共同電位參考

最重要的規則：

TX 接 RX，RX 接 TX。

不是：

TX → TX
RX → RX

而是：

TX → RX
RX ← TX

4. UART 接線基本原則

正確：

Device A             Device B

TX ----------------> RX

RX <---------------- TX

GND ---------------- GND

錯誤：

TX ---------------- TX

RX ---------------- RX

這也是 UART 初學者最常犯的錯誤之一。

5. 為什麼一定要共地？

假設 Raspberry Pi 說：

HIGH = 3.3V

這個：

3.3V

是相對於：

GND

測量的。

如果 Arduino 與 Raspberry Pi 沒有共同 Ground：

Raspberry Pi GND   ×   Arduino GND

兩邊就可能沒有相同的電位參考。

因此非隔離式 UART 系統通常必須：

Raspberry Pi GND
       │
       └──────── Arduino GND

也就是：

Common Ground

6. UART 為什麼叫 Asynchronous？

UART 中的：

代表：

Asynchronous

也就是：

非同步

與 SPI 不同，UART 沒有：

SCLK
Clock

這條時脈線。

SPI：

MOSI
MISO
SCLK
CS

UART：

TX
RX
GND

UART 雙方是靠事先約定好的：

Baud Rate
Data Bits
Parity
Stop Bits

維持同步。

7. Baud Rate 是什麼？

Baud Rate 是 Serial 通訊非常重要的設定。

常見：

例如：

9600 baud

在典型 UART 設定下可以近似理解成：

每秒傳送 9600 個 Symbol

對一般二進位 UART 而言，常近似視為：

9600 bit/s

但一個 Byte 不只包含 8 個 Data Bit。

8. 最常見 UART 格式：8N1

很多 Serial Device 使用：

8N1

代表：

8 Data Bits
No Parity
1 Stop Bit

一個典型 UART Frame：

Idle
 │
 ▼
Start Bit
 │
 ├── Data Bit 0
 ├── Data Bit 1
 ├── Data Bit 2
 ├── Data Bit 3
 ├── Data Bit 4
 ├── Data Bit 5
 ├── Data Bit 6
 ├── Data Bit 7
 │
 ▼
Stop Bit

所以：

1 Byte Data

實際常需要約：

10 bits

傳輸。

9. 9600 Baud 每秒大約能傳多少 Byte？

使用：

8N1

一個 Byte 約需要：

10 bits

因此：

9600 ÷ 10

約：

960 Bytes / second

這只是概略值，但非常有助於理解 UART 的資料量。

例如溫溼度：

T=25.6,H=68.2

每秒傳一次，9600 baud 已經非常足夠。

10. Raspberry Pi UART 腳位

在 Raspberry Pi 40-pin GPIO Header 上，常見 UART 腳位是：

Raspberry Pi UART GPIO Pin 對照表
功能	BCM GPIO	Physical Pin
TXD	GPIO14	Pin 8
RXD	GPIO15	Pin 10
GND	—	Pin 6 等

也就是：

GPIO14 = TX
GPIO15 = RX

對 Raspberry Pi 1～4 等常見型號，主要外部 UART 通常使用 GPIO14 / GPIO15。Raspberry Pi 官方文件也將 GPIO14 定義為 TX、GPIO15 定義為 RX。

11. Raspberry Pi 5 要特別注意

如果你使用：

Raspberry Pi 5

不能直接假設：

/dev/serial0

一定就是 GPIO14 / GPIO15。

Raspberry Pi 5 預設 primary UART 為：

UART10

並暴露在主機板上的 dedicated debug UART Header；在特定設定下才會將 UART 配置到 GPIO14 / GPIO15。

因此 Raspberry Pi 5 使用者尤其應該先：

ls -l /dev/serial*

確認 Serial Alias 實際指向哪個 UART。

12. 不要硬寫 /dev/ttyAMA0

很多舊 Raspberry Pi 教學直接寫：

/dev/ttyAMA0

但不同 Raspberry Pi 型號：

Primary UART

可能不是同一個 Hardware UART。

Raspberry Pi OS 提供：

/dev/serial0

作為 Primary UART 的 Symbolic Link。

例如可能指向：

/dev/ttyS0

或：

/dev/ttyAMA0

Raspberry Pi 5 某些配置則可能是：

/dev/ttyAMA10

Raspberry Pi 官方因此建議透過 /dev/serial0 這類 symbolic link 避免程式綁死特定硬體 UART。

所以一般程式優先使用：

PORT = "/dev/serial0"

而不是：

PORT = "/dev/ttyAMA0"

13. 查看 serial0 實際指向哪裡

執行：

ls -l /dev/serial0

可能看到：

/dev/serial0 -> ttyS0

或：

/dev/serial0 -> ttyAMA0

Raspberry Pi 5 也可能看到其他 UART Device。

也可以：

readlink -f /dev/serial0

例如：

/dev/ttyAMA0

14. Raspberry Pi 的 PL011 與 Mini UART

Raspberry Pi 平台中常會看到：

PL011
Mini UART

PL011 是功能較完整的 Hardware UART。

Mini UART 則較精簡。

官方指出 Mini UART：

沒有完整的 Break Detection
沒有 Framing Error Detection
沒有 Parity
FIFO 較小
Baud Rate 與 VPU Clock 有關

因此在高 Baud Rate 或較嚴格通訊需求下，PL011 通常更理想。

15. Raspberry Pi 3 / 4 為什麼 Serial 名稱常讓人混亂？

某些帶 Bluetooth 的 Raspberry Pi：

Bluetooth

也會占用 UART。

因此：

UART0
UART1
Primary UART
Secondary UART
Bluetooth UART

之間的對應可能因：

Model
Overlay
Configuration

而改變。

這正是為什麼教學程式最好使用：

/dev/serial0

而不是猜：

/dev/ttyAMA0

Raspberry Pi 官方目前也把 /dev/serial0 定義為 Primary UART 的 symbolic link。

16. 啟用 Raspberry Pi Serial Port

最簡單的方法：

sudo raspi-config

選擇：

Interface Options

然後：

Serial Port

目前 Raspberry Pi 官方建議硬體專題通常：

Serial Console = Disable
Serial Port Hardware = Enable

也就是：

不要讓 Linux Login Console 佔用 UART，但保留 UART Hardware 給你的 Arduino 使用。

17. raspi-config 問的第一個問題

你可能看到：

Would you like a login shell
to be accessible over serial?

本章要把 UART 給 Arduino 使用，所以選：

No

意思是：

Disable Serial Console

18. 第二個問題

接著：

Would you like the serial port
hardware to be enabled?

選：

Yes

也就是：

Enable UART Hardware

這與 Raspberry Pi 官方目前的硬體 UART 設定流程一致。

完成後重新啟動：

sudo reboot

19. 為什麼要關閉 Serial Console？

因為 Raspberry Pi 可以把 UART 當成：

Linux Console

例如：

Kernel Boot Message
Login:
Password:

如果同時又拿 UART 接 Arduino：

Linux Console
      │
      └── 和 Arduino Data 共用

資料就會互相干擾。

所以：

Hardware UART Project

通常要：

Serial Hardware ON
Serial Console OFF

官方文件同樣建議外接 Serial Device 時如此設定。

20. 手動設定 enable_uart

UART 也可能會在：

config.txt

看到：

enable_uart=1

新版 Raspberry Pi OS 常見設定檔位置為：

/boot/firmware/config.txt

Raspberry Pi 官方目前的 UART 設定說明亦以 /boot/firmware/config.txt 作為設定 Device Tree Overlay 等 UART 選項的位置。

但一般使用者：

優先透過 raspi-config 設定比較安全。

21. 檢查 UART Device

重新開機後：

ls -l /dev/serial*

你可能看到：

/dev/serial0

再：

readlink -f /dev/serial0

確認真正 Hardware Device。

如果：

/dev/serial0

不存在，就不要直接開始接 Arduino。

應先檢查：

UART 是否啟用
Serial Console 設定
Raspberry Pi Model
Device Tree

22. Raspberry Pi UART 是 3.3V

這是本章最重要的硬體安全觀念。

Raspberry Pi 官方明確指出：

Raspberry Pi UART 全部使用 3.3V，連接 5V 系統可能造成損壞，5V 系統應使用 Level Shifter 或適當的 3.3V Serial Adapter。

因此：

Raspberry Pi RX

不能直接接：

5V UART TX

23. Arduino UNO R3 是 5V

Arduino UNO R3 官方規格：

Operating Voltage = 5V

而其：

D0 = RX
D1 = TX

是 ATmega328P 的 TTL Serial UART。

因此：

Arduino UNO TX

屬於 5V 邏輯系統的一部分。

不能把：

Arduino TX

不經處理直接接：

Raspberry Pi RX

24. 最危險的錯誤接法

錯誤：

Arduino UNO TX 5V
       │
       └──────── Raspberry Pi GPIO15 RX

這可能把接近：

5V

的訊號送進 Raspberry Pi GPIO。

Raspberry Pi 官方警告：

5V UART → Raspberry Pi

可能造成硬體損壞。

25. Raspberry Pi TX 接 Arduino RX 呢？

方向：

Raspberry Pi TX = 3.3V
        │
        ▼
Arduino UNO RX

ATmega328P 在 5V 工作時，其一般數位輸入 HIGH Threshold 規格可低至約：

0.6 × VCC

也就是：

0.6 × 5V
= 3.0V

因此 Raspberry Pi 的 3.3V HIGH 一般可以符合 Arduino UNO R3 ATmega328P 的輸入 HIGH 要求。相關輸入閾值可由 Microchip ATmega 系列電氣規格確認。

所以這個方向通常可以：

Pi TX 3.3V
      │
      ▼
UNO RX

直接連接。

但是反方向：

UNO TX 5V
      │
      ▼
Pi RX

不能直接接。

26. 最簡單方法：電阻分壓

Arduino TX 到 Raspberry Pi RX 可以加入：

Voltage Divider

例如：

Arduino TX
    │
   1kΩ
    │
    ├──────── Raspberry Pi RX
    │
   2kΩ
    │
   GND

分壓公式：

Vout =
Vin × R2 / (R1 + R2)

帶入：

Vin = 5V
R1 = 1kΩ
R2 = 2kΩ

得到：

Vout =
5 × 2 / 3

≈ 3.33V

接近 Raspberry Pi 3.3V UART 所需要的邏輯範圍。

27. 完整 Raspberry Pi → Arduino 接線

Raspberry Pi TX 到 Arduino：

Raspberry Pi                Arduino UNO

GPIO14 TX
Pin 8 --------------------> D0 / RX

GND
Pin 6 --------------------- GND

這只能做到：

Pi → Arduino

單向傳送。

28. 完整 Arduino → Raspberry Pi 接線

反方向一定加入降壓。

Arduino UNO TX / D1
        │
       1kΩ
        │
        ├──────── GPIO15 / Pi RX
        │
       2kΩ
        │
       GND

因此：

UNO TX
   │
Voltage Divider
   │
   ▼
Pi RX

29. Raspberry Pi 與 Arduino 完整雙向接線

完整架構：

Raspberry Pi                    Arduino UNO

GPIO14 TX
Pin 8 ------------------------> D0 RX


GPIO15 RX
Pin 10 <-----+----------------- D1 TX
             |
            1kΩ
             |
     實際分壓節點配置
             |
            2kΩ
             |
            GND


GND
Pin 6 ------------------------- GND

更準確的分壓配置：

Arduino D1/TX
      │
     1kΩ
      │
      ├──────── Raspberry Pi GPIO15/RX
      │
     2kΩ
      │
     GND

另一方向：

Raspberry Pi GPIO14/TX
      │
      └──────── Arduino D0/RX

並：

Pi GND ─────── Arduino GND

30. 更正式的方式：Logic Level Translator

如果不是單純 UNO R3 實驗，而是正式產品，建議考慮：

Logic Level Translator

例如適合 Push-Pull UART 的：

3.3V ↔ 5V Logic Translator

架構：

Raspberry Pi
  3.3V UART
      │
      ▼
Level Translator
      │
      ▼
Arduino
  5V UART

這樣可以同時處理：

TX
RX

不同邏輯電壓。

31. 不要把 UART Level Shifter 和 RS-232 混在一起

UART TTL：

0V / 3.3V
0V / 5V

傳統 RS-232：

正負電壓

兩者電氣規格不同。

因此：

Raspberry Pi UART

不是直接接傳統：

DB9 RS-232

如果要接：

RS-232

通常需要：

MAX3232

等 Transceiver。

32. UART、RS-232、RS-485 不一樣

容易混淆的三種：

UART TTL、RS-232 與 RS-485 比較
類型	特性
UART TTL	MCU Board-to-Board
RS-232	傳統 Serial Port
RS-485	差動、較遠距離、多節點

UART 描述的是：

Serial Data Format / Peripheral

RS-232 / RS-485 還涉及：

Physical Electrical Layer

不能只看：

TX
RX

名稱就直接互接。

33. 第一個實驗：Arduino 傳資料給 Raspberry Pi

首先做最簡單的：

Arduino
   │
   ▼
Counter
   │
UART
   │
   ▼
Raspberry Pi

Arduino 每秒傳：

COUNT:0
COUNT:1
COUNT:2
COUNT:3

Raspberry Pi 負責讀取。

34. Arduino 第一個 Serial 程式

Arduino UNO：

unsigned long count = 0;

void setup()
{
  Serial.begin(9600);
}

void loop()
{
  Serial.print("COUNT:");
  Serial.println(count);

  count++;

  delay(1000);
}

Arduino 官方 Serial API 用於 Arduino 與電腦或其他裝置之間的序列通訊；UNO 的 D0/RX、D1/TX 即為硬體 Serial。

35. Serial.begin(9600) 是什麼？

Serial.begin(9600);

代表 Arduino UART 使用：

Baud Rate = 9600

Raspberry Pi 也必須設定：

如果：

Arduino = 9600
Pi = 115200

就會讀到：

亂碼
錯誤字元
完全沒有有效資料

36. Serial.print 與 Serial.println

Serial.print("COUNT:");

不自動換行。

Serial.println(count);

送出數字後會加入 Line Ending。

所以 Raspberry Pi 可以使用：

readline()

按行讀取。

Arduino 官方 Serial API 包含用於資料收發的 Serial 介面，而 pySerial 的 readline() 也特別適合以換行符號終止的文字協定。

37. Raspberry Pi 安裝 pySerial

Python 操作 Serial Port 最常使用：

pySerial

套件名稱：

pyserial

Python Import：

import serial

pySerial 官方專案支援 Linux、Windows、macOS 等平台，提供 Python Serial Port API。

Raspberry Pi OS 可以優先使用系統 Package：

sudo apt update
sudo apt install python3-serial

安裝完成可測試：

python3 -c "import serial; print(serial.__version__)"

38. 為什麼套件叫 pyserial，Import 卻叫 serial？

安裝：

pyserial

但 Python：

import serial

這是正常的。

不要另外安裝名稱相似但不同用途的：

serial

Package，否則容易造成 Python Module 衝突。

39. Raspberry Pi 第一個 Serial Reader

建立：

uart_read.py

程式：

#!/usr/bin/env python3

import serial


uart = serial.Serial(
    port="/dev/serial0",
    baudrate=9600,
    timeout=1
)


try:

    while True:

        line = uart.readline()

        if line:

            text = line.decode(
                "utf-8",
                errors="replace"
            ).strip()

            print(text)


except KeyboardInterrupt:

    print("\nStopped")


finally:

    uart.close()

40. serial.Serial() 參數

程式：

serial.Serial(
    port="/dev/serial0",
    baudrate=9600,
    timeout=1
)

其中：

port

代表：

Serial Device

baudrate

代表：

Communication Speed

而：

timeout

代表：

Read Timeout

pySerial 官方 API 的 Serial() 支援 Baud Rate、Data Bits、Parity、Stop Bits、Timeout 與 Flow Control 等設定。

41. 為什麼建議設定 timeout？

如果：

uart.readline()

而資料始終沒有：

\n

又沒有 Timeout，程式可能長時間卡在 Read。

因此：

timeout=1

表示讀取最多等待一定時間。

pySerial 文件也特別提醒，使用 readline() 時應設定 Timeout，否則若一直沒有收到換行符號可能持續等待。

42. Python Serial 收到的是 bytes

這一行：

line = uart.readline()

得到的不是普通：

str

而是：

bytes

例如：

b'COUNT:10\r\n'

所以需要：

.decode("utf-8")

轉成：

COUNT:10

pySerial 的 API 也以 Bytes 作為 Serial Data 的基本讀寫型態。

43. strip() 的用途

Arduino：

Serial.println()

會加入 Line Ending。

Python 可能收到：

COUNT:10\r\n

使用：

.strip()

之後：

COUNT:10

這樣比較方便解析。

44. 第一個實驗預期輸出

Arduino：

COUNT:0
COUNT:1
COUNT:2
...

Raspberry Pi Terminal：

COUNT:0
COUNT:1
COUNT:2
COUNT:3
COUNT:4

如果看到這些資料，就表示：

Arduino TX
      ↓
Level Shift
      ↓
Raspberry Pi RX

已經成功。

45. 第二個實驗：Raspberry Pi 傳資料給 Arduino

現在反方向：

Raspberry Pi
    │
    ▼
"LED_ON"
    │
   UART
    │
    ▼
Arduino
    │
    ▼
Built-in LED

讓 Raspberry Pi 控制 Arduino UNO：

LED ON
LED OFF

46. Arduino 接收文字命令

Arduino 程式：

const int LED_PIN = LED_BUILTIN;

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

  digitalWrite(
    LED_PIN,
    LOW
  );

  Serial.begin(9600);

  Serial.setTimeout(100);
}

void loop()
{
  if (Serial.available() > 0)
  {
    String command =
      Serial.readStringUntil('\n');

    command.trim();

    if (command == "LED_ON")
    {
      digitalWrite(
        LED_PIN,
        HIGH
      );

      Serial.println(
        "OK:LED_ON"
      );
    }
    else if (command == "LED_OFF")
    {
      digitalWrite(
        LED_PIN,
        LOW
      );

      Serial.println(
        "OK:LED_OFF"
      );
    }
    else
    {
      Serial.println(
        "ERROR:UNKNOWN_COMMAND"
      );
    }
  }
}

Arduino 官方 Serial API 提供 available()、readStringUntil() 與 Timeout 等 Serial 資料處理功能。

47. Serial.available()

Serial.available()

用來判斷：

Serial Receive Buffer

目前有沒有資料。

因此：

if (Serial.available() > 0)

就是：

收到資料後才進行解析。

Arduino 官方 Serial Reference 提供這套 Serial Buffer 讀取介面。

48. Serial.readStringUntil(‘’)

例如 Raspberry Pi 傳：

LED_ON\n

Arduino：

Serial.readStringUntil('\n');

會讀取：

LED_ON

直到：

\n

為止。

Arduino 官方說明 readStringUntil() 會讀取資料直到遇到指定終止字元或 Timeout。

49. Raspberry Pi 傳送命令程式

建立：

uart_led_control.py

內容：

#!/usr/bin/env python3

import time
import serial


uart = serial.Serial(
    port="/dev/serial0",
    baudrate=9600,
    timeout=1
)


time.sleep(2)


def send_command(command):

    message = (
        command + "\n"
    )

    uart.write(
        message.encode(
            "utf-8"
        )
    )

    response = (
        uart.readline()
        .decode(
            "utf-8",
            errors="replace"
        )
        .strip()
    )

    print(
        "Response:",
        response
    )


try:

    send_command(
        "LED_ON"
    )

    time.sleep(2)

    send_command(
        "LED_OFF"
    )


finally:

    uart.close()

50. 為什麼命令後要加？

如果 Arduino 使用：

readStringUntil('\n')

Python 就必須送：

"LED_ON\n"

而不是：

"LED_ON"

否則 Arduino 只能等待：

Timeout

才知道這筆命令結束。

因此在設計 UART Text Protocol 時：

Message Terminator

非常重要。

51. 常見 Terminator

常見：

\n

Linux / Unix 常見換行：

LF

也可能看到：

\r

或：

\r\n

也就是：

CR
LF
CRLF

本章統一使用：

\n

作為命令終止符。

52. UART 雙向命令流程

完整流程：

Raspberry Pi
     │
     │ LED_ON\n
     ▼
Arduino
     │
     ├── Parse Command
     │
     ├── LED ON
     │
     ▼
OK:LED_ON\n
     │
     ▼
Raspberry Pi

這已經不只是：

Serial Test

而是一個簡單的：

Command / Response Protocol

53. 建議加入 ACK

Raspberry Pi 傳：

LED_ON

Arduino 不應該完全沒有回覆。

可以回：

OK:LED_ON

這稱為：

Acknowledgement
ACK

如果錯誤：

ERROR:UNKNOWN_COMMAND

這樣 Raspberry Pi 就知道：

命令成功

還是：

命令失敗

54. 第三個實驗：Arduino 感測器資料送到 Raspberry Pi

Arduino 很適合處理：

Analog Sensor
ADC
Fast GPIO
Real-time Control

Raspberry Pi 則適合：

Database
Web
Network
AI
Dashboard

所以非常實用的架構是：

Sensor
  │
  ▼
Arduino
  │
 UART
  ▼
Raspberry Pi
  │
  ├── Database
  ├── Web
  ├── MQTT
  └── Cloud

55. Arduino 傳 Analog A0

假設：

Potentiometer → Arduino A0

Arduino：

void setup()
{
  Serial.begin(9600);
}

void loop()
{
  int value =
    analogRead(A0);

  Serial.print(
    "ADC:"
  );

  Serial.println(
    value
  );

  delay(500);
}

Arduino UNO 具有 6 組 Analog Input，預設 ADC 解析度為 10 bit，因此常見數值範圍是 0～1023。

56. Raspberry Pi 解析 ADC

收到：

ADC:512

Python：

if text.startswith(
    "ADC:"
):

    value = int(
        text.split(":")[1]
    )

    print(
        "ADC Value:",
        value
    )

完整資料流：

Potentiometer
     │
     ▼
Arduino ADC
     │
   0~1023
     │
     ▼
UART
     │
     ▼
Raspberry Pi Python

57. 完整 ADC Receiver

#!/usr/bin/env python3

import serial


uart = serial.Serial(
    "/dev/serial0",
    9600,
    timeout=1
)


try:

    while True:

        line = uart.readline()

        if not line:
            continue

        text = (
            line.decode(
                "utf-8",
                errors="replace"
            )
            .strip()
        )

        if text.startswith(
            "ADC:"
        ):

            try:

                value = int(
                    text.split(
                        ":",
                        1
                    )[1]
                )

                print(
                    "ADC:",
                    value
                )

            except ValueError:

                print(
                    "Invalid ADC:",
                    text
                )


except KeyboardInterrupt:

    print(
        "\nStopped"
    )


finally:

    uart.close()

58. 第四個實驗：Arduino 傳多個 Sensor Value

例如：

Temperature
Humidity
Light

可以設計：

T:25.6,H:68.3,L:712

架構：

Arduino
  │
  ├── Temperature
  ├── Humidity
  └── Light
       │
       ▼
T:25.6,H:68.3,L:712
       │
       ▼
Raspberry Pi

59. Arduino CSV 形式傳送

例如：

float temperature = 25.6;
float humidity = 68.3;
int light = 712;

Serial.print(
  temperature,
  1
);

Serial.print(",");

Serial.print(
  humidity,
  1
);

Serial.print(",");

Serial.println(
  light
);

輸出：

25.6,68.3,712

60. Raspberry Pi 解析 CSV

Python：

parts = text.split(",")

if len(parts) == 3:

    temperature = float(
        parts[0]
    )

    humidity = float(
        parts[1]
    )

    light = int(
        parts[2]
    )

完整：

try:

    temperature = float(
        parts[0]
    )

    humidity = float(
        parts[1]
    )

    light = int(
        parts[2]
    )

except ValueError:

    print(
        "Invalid packet:",
        text
    )

61. CSV 的優點

CSV：

25.6,68.3,712

優點：

簡單
資料短
Arduino 容易產生
Python 容易解析

缺點：

不知道每一欄是什麼
增加欄位後相容性較差
錯一個欄位容易位移

62. Key-Value Protocol

更容易閱讀：

TEMP=25.6,HUM=68.3,LIGHT=712

優點：

可讀性較好
欄位名稱清楚
新增欄位較容易

Python 可以解析成：

data = {}

for item in text.split(","):

    key, value = item.split(
        "=",
        1
    )

    data[key] = value

63. JSON 可以嗎？

當然可以。

Arduino 傳：

{"temp":25.6,"hum":68.3,"light":712}

Raspberry Pi：

import json

data = json.loads(
    text
)

取得：

data["temp"]
data["hum"]
data["light"]

64. JSON 優點與缺點

優點：

結構清楚
容易擴充
Python 非常好解析
適合 Web / MQTT

缺點：

資料較長
Arduino SRAM 使用增加
解析較複雜

對 Arduino UNO 這種 SRAM 只有約：

2 KB

的小型 MCU，應避免不必要的大型 JSON Document。Arduino UNO R3 官方規格標示 ATmega328P 有 2 KB SRAM。

65. 簡單系統先不要過度設計

如果只有：

一個溫度
一個濕度

沒有必要一開始就設計：

複雜 Binary Protocol
CRC32
Encryption
JSON RPC

例如：

T=25.6,H=68.3

就已經很好用。

等系統變大再升級。

66. 完整命令 Protocol 範例

可以定義 Raspberry Pi → Arduino：

PING
LED_ON
LED_OFF
GET_ADC
GET_STATUS

Arduino 回：

PONG
OK
ADC=512
STATUS=READY
ERROR=UNKNOWN

這就已經是一個簡單完整的 Device Protocol。

67. Arduino 完整 Command Server

const int LED_PIN =
  LED_BUILTIN;

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

  digitalWrite(
    LED_PIN,
    LOW
  );

  Serial.begin(
    9600
  );

  Serial.setTimeout(
    100
  );
}

void loop()
{
  if (
    Serial.available() <= 0
  )
  {
    return;
  }

  String command =
    Serial.readStringUntil(
      '\n'
    );

  command.trim();


  if (
    command == "PING"
  )
  {
    Serial.println(
      "PONG"
    );
  }

  else if (
    command == "LED_ON"
  )
  {
    digitalWrite(
      LED_PIN,
      HIGH
    );

    Serial.println(
      "OK:LED_ON"
    );
  }

  else if (
    command == "LED_OFF"
  )
  {
    digitalWrite(
      LED_PIN,
      LOW
    );

    Serial.println(
      "OK:LED_OFF"
    );
  }

  else if (
    command == "GET_ADC"
  )
  {
    int value =
      analogRead(A0);

    Serial.print(
      "ADC="
    );

    Serial.println(
      value
    );
  }

  else if (
    command == "GET_STATUS"
  )
  {
    Serial.println(
      "STATUS=READY"
    );
  }

  else
  {
    Serial.println(
      "ERROR=UNKNOWN"
    );
  }
}

68. Raspberry Pi 完整 Client

#!/usr/bin/env python3

import time
import serial


PORT = "/dev/serial0"
BAUDRATE = 9600


uart = serial.Serial(
    port=PORT,
    baudrate=BAUDRATE,
    timeout=1,
    write_timeout=1
)


time.sleep(1)


def send_command(
    command
):

    packet = (
        command.strip()
        + "\n"
    )

    uart.write(
        packet.encode(
            "utf-8"
        )
    )

    uart.flush()

    response = (
        uart.readline()
        .decode(
            "utf-8",
            errors="replace"
        )
        .strip()
    )

    return response


try:

    print(
        "PING:",
        send_command(
            "PING"
        )
    )

    print(
        "LED:",
        send_command(
            "LED_ON"
        )
    )

    time.sleep(1)

    print(
        "ADC:",
        send_command(
            "GET_ADC"
        )
    )

    print(
        "STATUS:",
        send_command(
            "GET_STATUS"
        )
    )

    time.sleep(1)

    print(
        "LED:",
        send_command(
            "LED_OFF"
        )
    )


finally:

    uart.close()

pySerial 的 write() 要求 Bytes 類型，因此 Python String 通常先用 encode()；flush() 可等待待傳資料送出。

69. 為什麼 UART 程式要有 Timeout？

想像 Raspberry Pi 送：

GET_ADC

但 Arduino：

斷線
死機
沒有回覆

如果 Python 永遠等待：

Response

整個程式就可能卡死。

所以：

timeout=1

非常重要。

正式系統更應該設計：

Timeout
Retry
Error
Reconnect

70. 加入 Timeout Detection

response = uart.readline()

if not response:

    print(
        "ERROR: timeout"
    )

這比假設：

Arduino 一定會回

更可靠。

71. 加入 Retry

例如：

def send_with_retry(
    command,
    retries=3
):

    for attempt in range(
        retries
    ):

        response = (
            send_command(
                command
            )
        )

        if response:

            return response

        print(
            "Retry:",
            attempt + 1
        )

    return None

這樣可以提高：

Serial Communication Reliability

72. 不要無限 Retry

錯誤：

Arduino 沒回
 ↓
Retry
 ↓
Retry
 ↓
Retry
 ↓
永遠不停止

比較好的做法：

Retry 3 次
    │
    ▼
失敗
    │
    ▼
Log Error
    │
    ▼
進入 Safe State

73. UART 資料為什麼會出現半包？

假設 Arduino 傳：

TEMP=25.6,HUM=68.3\n

Serial 是：

Stream

而不是保證：

一次 Read = 一個完整 Packet

底層可能分成：

TEMP=25

與：

.6,HUM=68.3\n

所以文字 Protocol 使用：

\n

做 Packet Boundary 是很合理的方法。

74. Serial 是資料流，不是訊息佇列

這個觀念很重要：

UART

不知道：

Command
Packet
JSON
Temperature

它只知道：

Byte Stream

「這一行是一個訊息」是我們自己定義的 Protocol。

75. 可以用 Binary Protocol 嗎？

可以。

例如：

Header
Command
Length
Payload
Checksum

結構：

AA 55 01 02 10 20 XX

適合：

高速
大量資料
正式設備
通訊效率要求高

但對入門教學而言：

Text Protocol

更容易 Debug。

76. Checksum 是什麼？

UART 本身不保證 Application Data 一定正確。

可以加入：

Checksum

例如：

TEMP=25.6*5A

Receiver 收到後重新計算：

Checksum

如果不同：

Packet Invalid

77. 什麼時候需要 CRC？

一般桌上實驗：

Pi ↔ Arduino
10 cm Dupont Wire
9600 baud

可能不需要 CRC。

但是：

長線
雜訊
Motor
Relay
Industrial Environment
高可靠性要求

就應考慮：

CRC
Sequence Number
ACK
Retry

甚至換成：

RS-485
CAN

等更適合的實體層。

78. UART 線不能無限延長

TTL UART 適合：

Board-to-Board
Short Distance

如果從：

Raspberry Pi

拉：

20 m

到 Arduino，直接使用 TTL UART 並不是好方案。

長距離應考慮：

RS-485

架構：

Pi UART
   │
   ▼
RS-485 Transceiver
   │
Long Cable
   │
   ▼
RS-485 Transceiver
   │
   ▼
Arduino UART

79. 馬達附近 UART 亂碼怎麼辦？

如果：

Motor OFF

UART 正常。

但：

Motor ON

UART 開始出現亂碼，優先檢查：

Ground
Power Noise
Motor Suppression
Cable Routing
Decoupling
EMI

不要只一直修改 Python 程式。

80. UART 線路配置建議

盡量：

短
遠離 Motor Wire
遠離 Relay Contact
Ground 良好

必要時：

TX + GND
RX + GND

靠近配置。

正式設備甚至可以：

Twisted Pair
Shield
RS-485

降低干擾。

81. Baud Rate 越高越好嗎？

不是。

例如：

比：

快很多。

但也可能：

Signal Margin ↓
Noise Sensitivity ↑
Timing Requirement ↑

如果只是每秒傳：

20 Bytes

用：

已經非常足夠。

82. 推薦測試順序

第一次連接建議：

確認完全穩定後，再測：

不要一開始：

然後再花大量時間 Debug。

83. Arduino UNO D0 / D1 還有一個問題

Arduino UNO：

D0 RX
D1 TX

除了連接 ATmega328P UART，也與板上的：

USB-to-Serial

介面有關。

Arduino 官方文件說明 UNO 的 ATmega16U2 會把 ATmega328P Serial 通訊轉成 USB Virtual COM Port，而 D0/D1 正是硬體 Serial Pins。

因此如果 Raspberry Pi GPIO 直接接：

D0
D1

同時又使用：

Arduino Serial Monitor

可能發生資料互相干擾。

84. 上傳 Arduino 程式時的注意事項

D0 / D1 同時是：

Hardware Serial

與：

Sketch Upload

相關的通訊線。

如果外部裝置持續驅動：

RX / TX

有可能讓 Arduino Upload 發生問題。

實作時若上傳失敗，可暫時：

拔掉 Pi TX / RX

完成上傳後再接回。

85. 更簡單的方法：Arduino USB 接 Raspberry Pi

其實 Raspberry Pi 和 Arduino UNO 還有一種非常方便的方法：

Arduino USB
      │
      ▼
Raspberry Pi USB

這時不需要直接接：

GPIO14
GPIO15

Arduino UNO 的 USB-to-Serial 電路會讓 Linux 出現類似：

/dev/ttyACM0

的 Serial Device。

Arduino UNO 官方本身就透過板載 ATmega16U2 將 MCU UART 轉為 USB Serial。

86. USB Serial 與 GPIO UART 比較

GPIO UART 與 Arduino USB Serial 比較
項目	GPIO UART	USB Serial
Raspberry Pi GPIO	GPIO14/15	不占用
Logic Level	要處理	USB 已處理
接線	TX/RX/GND	USB Cable
Arduino Upload	可能干擾	很方便
/dev Device	/dev/serial0	常見 /dev/ttyACM0
學習 UART 電路	很適合	比較抽象
實際開發便利性	中等	高

因此：

學習 UART 原理使用 GPIO UART 很有價值；如果只是要 Raspberry Pi 與 Arduino 穩定交換資料，USB Serial 往往更方便。

87. 查看 Arduino USB Serial Port

Arduino USB 接到 Raspberry Pi：

ls /dev/ttyACM*

可能：

/dev/ttyACM0

也可以在插入 Arduino 前後執行：

dmesg

觀察新增的 Serial Device。

88. USB Serial Python 程式

原本：

port="/dev/serial0"

改成：

port="/dev/ttyACM0"

即可：

import serial


uart = serial.Serial(
    "/dev/ttyACM0",
    9600,
    timeout=1
)

其他程式幾乎相同。

89. USB Serial 仍然是 Serial

雖然物理連線：

USB

但 Application 看到的仍然是：

Serial Port

因此 Python 仍然：

import serial

Arduino 仍然：

Serial.begin(9600);

這是非常方便的架構。

90. Arduino USB Serial 自動 Reset

Arduino UNO 開啟 USB Serial Port 時，可能因：

DTR

等控制訊號觸發：

Auto Reset

所以 Python 一開：

/dev/ttyACM0

Arduino 可能重新啟動。

這也是很多 Arduino Python 範例會：

time.sleep(2)

等待 Arduino Boot 完成的原因。

91. GPIO UART 通常不會因 Open Port 讓 UNO 自動 Reset

直接：

Pi GPIO TX/RX

並沒有經過 Arduino USB-to-Serial 的 Auto Reset Circuit。

因此：

serial.Serial(
    "/dev/serial0",
    ...
)

通常不會像開啟 Arduino USB COM Port 那樣直接觸發 UNO 自動 Reset。

這也是兩種連線方式的實務差異。

92. UART 權限問題

如果出現：

Permission denied

先查看：

ls -l /dev/serial0

或：

ls -l /dev/ttyACM0

常見 Serial Device 會屬於：

dialout

Group。

可以檢查：

groups

93. 加入 dialout Group

如果目前帳號不在：

dialout

可以：

sudo usermod -aG dialout $USER

然後：

Logout / Login

或重新開機。

不要直接：

chmod 777 /dev/serial0

當成永久解法。

94. 使用 minicom 先測試

Python 寫程式前，可以使用 Serial Terminal。

例如：

sudo apt install minicom

測試：

minicom \
  -D /dev/serial0 \
  -b 9600

如果 Arduino 正在每秒輸出：

COUNT:10

Minicom 應該可以看到資料。

這有助於分辨：

硬體問題

還是：

Python 問題

95. 也可以使用 screen

例如：

screen \
  /dev/serial0 \
  9600

如果只想快速觀察：

Serial Output

非常方便。

但使用完記得完全離開 Serial Terminal，否則它仍可能佔用 Port。

96. 常見錯誤一：完全沒有資料

檢查順序：

TX / RX 是否交叉
      ↓
GND 是否共地
      ↓
UART 是否 Enable
      ↓
Serial Console 是否 Disable
      ↓
Baud Rate
      ↓
/dev/serial0 是否正確
      ↓
Arduino 是否真的有 Serial.print()

97. 常見錯誤二：全部是亂碼

例如：

▒▒▒x??

最常見：

Baud Rate 不一致

例如：

Arduino = 9600
Pi = 115200

改成：

9600 ↔ 9600

98. 常見錯誤三：Arduino → Pi 沒資料

先檢查：

Arduino TX

有沒有經過：

Voltage Divider
Level Translator

再確認：

Arduino TX → Pi RX

而不是：

Arduino TX → Pi TX

99. 常見錯誤四：Pi → Arduino 沒資料

檢查：

Pi GPIO14 TX
      │
      ▼
Arduino D0 RX

並確認 Python 有：

uart.write(...)

以及：

Arduino Baud Rate
Pi Baud Rate

一致。

100. 常見錯誤五：Python readline() 一直等

確認：

timeout=1

例如：

serial.Serial(
    "/dev/serial0",
    9600,
    timeout=1
)

並確認 Arduino 有傳：

\n

pySerial 官方也特別提醒 readline() 依賴換行與 Timeout，否則可能長時間等待。

101. 常見錯誤六：Arduino 一直等 Command

如果 Arduino：

readStringUntil('\n')

但 Python：

uart.write(
    b"LED_ON"
)

沒有：

\n

Arduino 就會等到 Timeout。

改成：

uart.write(
    b"LED_ON\n"
)

102. 常見錯誤七：Python 出現 UnicodeDecodeError

UART 不保證收到的一定是合法 UTF-8。

所以：

line.decode(
    "utf-8",
    errors="replace"
)

在 Debug 階段比較安全。

如果正式 Protocol 是 Binary：

不要 decode()

直接處理：

bytes

103. 常見錯誤八：Pi 開機文字跑進 Arduino

如果 Arduino 收到：

Linux boot message

或：

login:

代表：

Serial Console

可能仍啟用。

回：

sudo raspi-config

設定：

Serial Console = No
Serial Hardware = Yes

這正是 Raspberry Pi 官方對外接 UART Device 的建議設定。

104. 常見錯誤九：Pi 5 /dev/serial0 不在 GPIO14/15

這是 Raspberry Pi 5 特別需要注意的情況。

官方目前說明 Pi 5：

Primary UART

預設為：

UART10

位於 Dedicated Debug Header。

因此如果你要在 Pi 5 使用：

GPIO14
GPIO15

應先查看：

ls -l /dev/serial*

並依 Pi 5 UART Device Tree 設定配置所需 UART。

可查看系統支援的 Overlay：

dtoverlay -h uart0-pi5

Raspberry Pi 官方也列出了 Pi 5 專用 uart0-pi5～uart4-pi5 Device Tree Overlay。

105. 常見錯誤十：Arduino Upload 失敗

如果 Pi GPIO 接著：

D0
D1

Arduino IDE Upload 可能受干擾。

先暫時：

拔除 UART

Upload 完成後再接回。

尤其：

Pi TX → Arduino RX

如果在 Arduino Bootloader Upload 期間持續送資料，容易造成干擾。

106. 常見錯誤十一：Arduino 一插 USB 就行為改變

UNO 的 D0/D1 同時與板載 USB-to-Serial 電路相關。

如果同時使用：

GPIO UART
+
Arduino USB Serial Monitor

可能產生不預期的資料競爭。

正式測試時最好只選一種主要通訊方式：

GPIO UART

或：

USB Serial

107. 常見錯誤十二：資料偶爾錯一個字

可能：

Baud Rate 太高
Wire 太長
Ground 不良
Noise
Power Supply Noise
Motor EMI

可以先降低：

測試。

108. 完整通訊除錯流程

109. Loopback Test

如果懷疑 Raspberry Pi UART 本身有問題，可以做：

Pi TX
 │
 └──── Pi RX

Loopback。

也就是：

GPIO14 TX
     │
     └──────── GPIO15 RX

注意：

Loopback 測試時不要再同時接 Arduino。

Python：

uart.write(
    b"HELLO\n"
)

print(
    uart.readline()
)

如果收到：

HELLO

代表 Raspberry Pi UART 基本 TX / RX 正常。

110. Loopback 不需要 Level Shift

因為：

Pi TX = 3.3V
Pi RX = 3.3V

所以：

Pi TX → Pi RX

是同一邏輯電位。

但：

Arduino TX → Pi RX

是不同電壓系統，不能因此類推。

111. 完整 Arduino Sensor Server

以下建立一個稍微完整的 Arduino UART Device。

功能：

PING
GET_ADC
GET_UPTIME
LED_ON
LED_OFF

Arduino：

const int LED_PIN =
  LED_BUILTIN;

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

  digitalWrite(
    LED_PIN,
    LOW
  );

  Serial.begin(
    9600
  );

  Serial.setTimeout(
    100
  );

  Serial.println(
    "READY"
  );
}

void loop()
{
  if (
    Serial.available() == 0
  )
  {
    return;
  }

  String cmd =
    Serial.readStringUntil(
      '\n'
    );

  cmd.trim();


  if (
    cmd == "PING"
  )
  {
    Serial.println(
      "PONG"
    );
  }

  else if (
    cmd == "GET_ADC"
  )
  {
    int adc =
      analogRead(A0);

    Serial.print(
      "ADC="
    );

    Serial.println(
      adc
    );
  }

  else if (
    cmd == "GET_UPTIME"
  )
  {
    Serial.print(
      "UPTIME="
    );

    Serial.println(
      millis()
    );
  }

  else if (
    cmd == "LED_ON"
  )
  {
    digitalWrite(
      LED_PIN,
      HIGH
    );

    Serial.println(
      "OK"
    );
  }

  else if (
    cmd == "LED_OFF"
  )
  {
    digitalWrite(
      LED_PIN,
      LOW
    );

    Serial.println(
      "OK"
    );
  }

  else
  {
    Serial.print(
      "ERROR="
    );

    Serial.println(
      cmd
    );
  }
}

112. Raspberry Pi 完整互動式 Serial Console

#!/usr/bin/env python3

import time
import serial


PORT = "/dev/serial0"
BAUD = 9600


uart = serial.Serial(
    port=PORT,
    baudrate=BAUD,
    timeout=1,
    write_timeout=1
)


time.sleep(1)


try:

    print(
        "Arduino UART Console"
    )

    print(
        "Commands:"
    )

    print(
        "PING"
    )

    print(
        "GET_ADC"
    )

    print(
        "GET_UPTIME"
    )

    print(
        "LED_ON"
    )

    print(
        "LED_OFF"
    )

    print(
        "EXIT"
    )


    while True:

        command = input(
            "> "
        ).strip()

        if not command:
            continue

        if (
            command.upper()
            == "EXIT"
        ):
            break


        uart.write(
            (
                command
                + "\n"
            ).encode(
                "utf-8"
            )
        )

        uart.flush()


        response = (
            uart.readline()
        )


        if not response:

            print(
                "TIMEOUT"
            )

            continue


        text = (
            response.decode(
                "utf-8",
                errors="replace"
            )
            .strip()
        )

        print(
            "<",
            text
        )


except KeyboardInterrupt:

    print(
        "\nStopped"
    )


finally:

    uart.close()

113. 執行效果

Terminal：

Arduino UART Console
Commands:
PING
GET_ADC
GET_UPTIME
LED_ON
LED_OFF
EXIT

> PING
< PONG

> GET_ADC
< ADC=513

> LED_ON
< OK

> GET_UPTIME
< UPTIME=35219

> LED_OFF
< OK

現在 Raspberry Pi 已經可以把 Arduino 當成：

UART Peripheral Device

來控制。

114. Raspberry Pi 與 Arduino 的最佳分工

這兩個平台不是互相取代，而是非常適合互補。

Arduino 擅長

ADC
PWM
Precise Timing
Interrupt
Sensor Polling
Motor Control
Real-time I/O

Raspberry Pi 擅長

Linux
Python
Database
Web Server
MQTT
Network
Cloud
Camera
OpenCV
AI

所以：

Arduino
 = Hardware Controller

Raspberry Pi
 = High-level Controller

是非常實用的架構。

115. 系統架構

Sensors
                │
                ▼
          Arduino UNO
                │
      ADC / PWM / GPIO
                │
                ▼
              UART
                │
                ▼
          Raspberry Pi
                │
     ┌──────────┼───────────┐
     ▼          ▼           ▼
 Database    Web Server     MQTT
     │          │           │
     └──────────┼───────────┘
                ▼
              Cloud

116. 實作專題一：Arduino Sensor Gateway

Arduino 收集：

Temperature
Humidity
Light
Joystick
Analog Sensor

再透過 UART：

Arduino
  │
  ▼
Raspberry Pi

Raspberry Pi：

Save to MySQL
Display Web Dashboard
MQTT Upload
Send Alert

這就是：

Sensor Gateway

117. 實作專題二：Raspberry Pi 控制 Arduino Robot

架構：

Web Browser
    │
    ▼
Raspberry Pi
    │
    │ UART
    ▼
Arduino
    │
    ▼
Motor Driver
    │
    ▼
Robot

Raspberry Pi 傳：

FORWARD
BACKWARD
LEFT
RIGHT
STOP

Arduino 負責：

Motor Timing
PWM
Direction

118. Robot UART Protocol

例如：

FWD:150
BACK:150
LEFT:100
RIGHT:100
STOP

其中：

可以表示：

PWM Speed

Arduino 解析後：

Motor Driver

立即執行。

119.延伸專題：Raspberry Pi Camera + Arduino 視覺控制

Raspberry Pi 可以透過攝影機取得影像，利用 Python 與影像辨識程式判斷物體位置，再透過本章介紹的 UART 通訊，將控制命令傳送給 Arduino。

Arduino 接收到控制命令後，負責驅動伺服馬達或馬達驅動模組。

此專題結合三項技術：

Raspberry Pi：影像取得與辨識。

UART：傳送控制命令。

Arduino：執行硬體動作。

這是一個延伸應用示例，不需要在本章重新教學完整的影像辨識技術。

Camera
   │
   ▼
Raspberry Pi
   │
   ▼
AI Detect Object
   │
   ▼
UART Command
   │
   ▼
Arduino
   │
   ▼
Servo / Motor

例如：

Person Left
       │
       ▼
TURN_LEFT

Arduino 收到：

TURN_LEFT

控制 Servo 或 Motor。

120.實作專題四：Arduino ADC 擴充 Raspberry Pi

第 13 章我們使用：

MCP3008

幫 Raspberry Pi 增加 ADC。

另一種方式：

Analog Sensor
      │
      ▼
Arduino ADC
      │
      ▼
UART
      │
      ▼
Raspberry Pi

Arduino UNO 本身有：

10-bit ADC

因此也可以成為 Raspberry Pi 的：

Remote ADC Controller

Arduino UNO 官方規格確實提供 6 組 Analog Input 與 10-bit ADC。

121. 實作專題五：Raspberry Pi + Arduino HMI

可以讓 Raspberry Pi 負責：

Web UI
Touch Screen
Database

Arduino 負責：

Relay
Motor
Sensor
Button
Encoder

架構：

Touchscreen
    │
    ▼
Raspberry Pi
    │
    ▼
UART
    │
    ▼
Arduino
    │
 ┌──┼───┐
 ▼  ▼   ▼
LED Relay Motor

形成：

Human Machine Interface
HMI

122. 實作專題六：Industrial Gateway

更進一步：

Machine Sensor
      │
      ▼
Arduino / MCU
      │
      ▼
UART
      │
      ▼
Raspberry Pi
      │
      ├── Ethernet
      ├── Wi-Fi
      ├── MQTT
      └── Database

就可以做：

Industrial IoT Gateway

123. UART 與 I²C、SPI 如何選？

UART、I²C 與 SPI 選用比較
項目	UART	I²C	SPI
基本線數	TX/RX	SDA/SCL	MOSI/MISO/SCLK/CS
Clock	無	有	有
全雙工	可	通常非全雙工	可
多裝置	不方便	很方便	使用多 CS
長距離	TTL 不適合	不適合	不適合
MCU 通訊	很方便	可以	可以
Debug	非常方便	不方便	不方便
GPS	常見	少	少
Arduino ↔ Pi	很適合	可	可

124. 什麼時候用 UART？

非常適合：

Pi ↔ Arduino
Pi ↔ ESP32
Pi ↔ GPS
Pi ↔ LoRa
Pi ↔ Bluetooth
Pi ↔ MCU
Debug Console

因為：

Protocol Simple

只要：

TX
RX
GND
Baud Rate

就能開始。

125. 什麼時候不要用 TTL UART？

如果：

距離很長
工業環境
大量 EMI
多節點

不要硬拉：

TX
RX
GND

幾十公尺。

應考慮：

RS-485
CAN
Ethernet

126. UART 設計的五個核心問題

每次設計 UART 前先問：

1. Voltage Level 是多少？

2. TX / RX 是否交叉？

3. GND 是否共地？

4. Baud Rate 是否一致？

5. Packet Boundary 如何定義？

如果這五個問題都處理好，多數 UART 專案已成功一大半。

127. 更可靠 Protocol 建議

正式專題至少可以加入：

Start Marker
Command
Payload
Sequence ID
Checksum
End Marker

例如：

$01,GETADC,*5A\n

或：

$102,TEMP=25.6,HUM=68.3*7C\n

Raspberry Pi 可以追蹤：

Sequence ID

確認 Response 是哪一筆 Request。

128. 為什麼需要 Sequence ID？

假設 Pi 送：

Request 100
Request 101

如果 Arduino 回覆延遲，沒有 ID 就很難知道是哪一筆。

可以：

REQ,100,GET_ADC

回：

RES,100,ADC=512

這樣就可以正確配對。

129. Heartbeat

正式系統可以每：

5 秒

送：

PING

Arduino 回：

PONG

如果連續：

3 次

沒回：

Arduino Offline

Raspberry Pi 就可以：

寫 Log
發 Alert
停止控制
進入 Safe State

130. Watchdog

Arduino 也可以監控：

多久沒有收到 Raspberry Pi Command

例如：

5 秒沒有 Heartbeat

自動：

Motor OFF
Relay OFF
Safe State

這是實際自動控制系統很重要的設計。

131. 不要讓通訊錯誤造成危險動作

例如 Raspberry Pi 控制：

Motor
Pump
Heater

如果 Serial 斷線：

不要維持最後的危險狀態

而應設計：

Communication Timeout
       │
       ▼
Safe State
       │
       ├── Motor OFF
       ├── Heater OFF
       └── Alarm

132. Serial Log

正式程式建議記錄：

Timestamp
Direction
Command
Response
Status

例如：

2026-08-18 08:30:01 TX PING
2026-08-18 08:30:01 RX PONG
2026-08-18 08:30:06 TX GET_ADC
2026-08-18 08:30:06 RX ADC=514

遇到問題時非常容易追查。

133. Python UART Logger

簡單範例：

from datetime import datetime


def log(
    direction,
    message
):

    now = (
        datetime.now()
        .strftime(
            "%Y-%m-%d %H:%M:%S"
        )
    )

    print(
        now,
        direction,
        message
    )

使用：

log(
    "TX",
    "PING"
)

log(
    "RX",
    "PONG"
)

134. 完整可靠版 Raspberry Pi Client

#!/usr/bin/env python3

import time
import serial

from datetime import datetime


PORT = "/dev/serial0"

BAUD = 9600

TIMEOUT = 1

RETRIES = 3


def log(
    direction,
    text
):

    now = (
        datetime.now()
        .strftime(
            "%Y-%m-%d %H:%M:%S"
        )
    )

    print(
        f"{now} "
        f"{direction} "
        f"{text}"
    )


uart = serial.Serial(
    port=PORT,
    baudrate=BAUD,
    timeout=TIMEOUT,
    write_timeout=TIMEOUT
)


def send_command(
    command
):

    packet = (
        command.strip()
        + "\n"
    )

    log(
        "TX",
        command
    )

    uart.write(
        packet.encode(
            "utf-8"
        )
    )

    uart.flush()

    raw = uart.readline()

    if not raw:

        return None

    response = (
        raw.decode(
            "utf-8",
            errors="replace"
        )
        .strip()
    )

    log(
        "RX",
        response
    )

    return response


def request(
    command
):

    for attempt in range(
        1,
        RETRIES + 1
    ):

        result = (
            send_command(
                command
            )
        )

        if result:

            return result

        log(
            "WARN",
            (
                "Timeout "
                f"{attempt}/"
                f"{RETRIES}"
            )
        )

    return None


try:

    while True:

        result = request(
            "PING"
        )

        if result != "PONG":

            log(
                "ERROR",
                "Arduino offline"
            )

        time.sleep(5)


except KeyboardInterrupt:

    print(
        "\nStopped"
    )


finally:

    uart.close()

135. Raspberry Pi 開機自動啟動 UART 程式

當專題完成後，可能希望：

Raspberry Pi Boot
       │
       ▼
UART Service Start
       │
       ▼
Connect Arduino

正式 Linux 系統通常建議：

systemd

而不是只把 Python 程式手動開在 Terminal。

例如：

arduino-uart.service

可以由 systemd：

自動啟動
異常重啟
Log
服務管理

136. Serial 程式不應依賴 sudo

如果：

uart = serial.Serial(...)

只有：

sudo python3 program.py

才能執行，最好檢查：

Device Permission
dialout Group

而不是把整個 Python Application 永遠用：

root

執行。

137. 安全接線總整理

Raspberry Pi 與 Arduino UNO R3：

Pi GPIO14 TX
     │
     └────────── UNO D0 RX

Arduino → Pi：

UNO D1 TX
     │
    1kΩ
     │
     ├────────── Pi GPIO15 RX
     │
    2kΩ
     │
    GND

Ground：

Pi GND
  │
  └───────────── UNO GND

Raspberry Pi 官方明確要求 5V 系統不要直接接入 3.3V UART。

138. 本章實作材料

基本實驗：

Raspberry Pi
Arduino UNO R3
Breadboard
Dupont Wire
1kΩ Resistor
2kΩ Resistor
USB Cable

如果只使用：

Arduino USB Serial

甚至只需要：

Raspberry Pi
Arduino UNO
USB Cable

即可。

139. 本章建議實驗順序

140. 常見問題 FAQ

Q1：Raspberry Pi UART 是幾 V？

3.3V Logic

Raspberry Pi 官方警告 UART 不能直接連 5V System。

Q2：Arduino UNO UART 是幾 V？

Arduino UNO R3 Operating Voltage：

5V

其 D0/RX、D1/TX 為 ATmega328P Hardware Serial Pins。

Q3：Arduino TX 可以直接接 Raspberry Pi RX 嗎？

不建議，也不應直接接。

Arduino UNO TX 是 5V Logic System，而 Raspberry Pi UART 是 3.3V。

應使用：

Voltage Divider

或：

Logic Level Translator

Raspberry Pi 官方明確警告 5V 系統直接接 UART 可能造成損壞。

Q4：Raspberry Pi TX 可以直接接 Arduino UNO RX 嗎？

UNO R3 的 ATmega328P 在 5V 工作時，一般 Digital Input HIGH 最低規格約為：

0.6 × VCC
≈ 3.0V

因此 Raspberry Pi 3.3V TX 一般可以被 UNO 判定為 HIGH。

如果希望跨不同 MCU、提高介面一致性，使用正確的 Logic Level Translator 仍是更通用的方法。

Q5：UART 一定要接 GND 嗎？

非隔離式 UART：

要

雙方需要：

Common Ground

作為電位參考。

Q6：TX 要接 TX 還是 RX？

TX → RX

RX ← TX

也就是交叉。

Q7：Raspberry Pi UART 用哪個 Port？

一般程式優先：

/dev/serial0

而不是硬寫：

/dev/ttyAMA0

因為不同 Pi 型號 Primary UART 可能對應不同 Linux Device。

Q8：Raspberry Pi 5 也是 /dev/serial0 嗎？

可以有：

/dev/serial0

但 Pi 5 預設 Primary UART 是：

UART10

位於 Dedicated Debug Header，因此 /dev/serial0 不應直接假設就是 40-pin Header 的 GPIO14/15。

Q9：Pi 5 要使用 GPIO14/15 UART 怎麼辦？

先確認：

ls -l /dev/serial*

以及：

readlink -f /dev/serial0

再依 Raspberry Pi 5 Device Tree UART 配置設定所需 UART。官方提供：

uart0-pi5
uart1-pi5
uart2-pi5
uart3-pi5
uart4-pi5

等 Overlay。

Q10：為什麼 Serial 收到亂碼？

最常見：

Baud Rate 不一致

其次：

Noise
Wrong Ground
Wrong Port
Wire Too Long

Q11：9600 還是 115200？

初學：

非常適合。

資料量變大後再測：

是否穩定。

Q12：可以用 USB 讓 Arduino 與 Pi 通訊嗎？

可以，而且非常方便。

Arduino UNO USB 接到 Raspberry Pi 後通常會出現：

/dev/ttyACM0

Python 一樣使用：

serial.Serial()

即可。

Q13：GPIO UART 和 USB Serial 哪個比較好？

學習底層 UART：

GPIO UART

實際快速整合：

USB Serial

通常更方便。

Q14：為什麼 Arduino Upload 失敗？

如果外部設備接在：

D0 / D1

可能干擾 Bootloader Serial Upload。

上傳時可暫時移除 UART 接線。

Q15：可以用 SoftwareSerial 避開 D0/D1 嗎？

Arduino UNO 確實可以透過 SoftwareSerial 類型方案使用其他 Digital Pin 建立額外 Serial Port；Arduino 官方 UNO 文件也提到 SoftwareSerial 可在其他 Digital Pins 上建立 Serial Communication。

不過 Software Serial 會占用更多 CPU Timing 資源，也不適合所有高速或高可靠性情境。

Q16：Raspberry Pi 可以同時接多個 UART Device 嗎？

視 Raspberry Pi 型號與可用 UART 而定。

例如 Raspberry Pi 4 類平台有額外可啟用 UART，Raspberry Pi 5 也提供多組 PL011 UART 與 Pi 5 專用 Device Tree Overlay。

另一種簡單方式是使用多個：

USB-to-UART

Adapter。

Q17：UART 可以傳中文嗎？

技術上可以，UART 傳的是 Bytes。

例如 UTF-8 中文：

"溫度=25.6\n".encode(
    "utf-8"
)

但 Arduino UNO SRAM 很小，因此一般 Embedded Protocol 建議優先使用：

ASCII
English Keys
Numbers

例如：

TEMP=25.6

比較簡單可靠。

Q18：Serial.write 和 Serial.print 有什麼差別？

概念上：

Serial.print()

適合把數字或文字格式化成可閱讀的字元。

Serial.write()

更適合直接送原始 Byte Data。

Text Protocol 可以優先：

print / println

Binary Protocol 才較常大量使用：

write

Q19：可以直接傳 Binary Struct 嗎？

可以，但要考慮：

Endian
Data Type Size
Padding
Version
Checksum

因此初學建議：

Text Protocol

比較容易 Debug。

Q20：UART 可以做 IoT 嗎？

UART 本身不是 Internet Protocol。

但可以：

Arduino
   │
 UART
   ▼
Raspberry Pi
   │
 MQTT
   ▼
Internet

Raspberry Pi 成為：

UART-to-IoT Gateway

141. 本章學習重點

完成本章後，你應該已經理解：

UART 是非同步 Serial Communication
UART 基本訊號為 TX、RX、GND
TX 必須接對方 RX
非隔離式 UART 需要 Common Ground
Baud Rate 必須一致
常見 Serial Format 是 8N1
Raspberry Pi UART 使用 3.3V Logic
Arduino UNO R3 使用 5V Logic
Arduino TX 不應直接連 Raspberry Pi RX
可以使用 Voltage Divider 降低 5V TX
Raspberry Pi GPIO14 常用作 TX
Raspberry Pi GPIO15 常用作 RX
Raspberry Pi 不同型號 UART Device 名稱可能不同
/dev/serial0 比硬寫 /dev/ttyAMA0 更通用
Raspberry Pi 5 UART 配置與早期型號不同
Serial Console 與 UART Hardware 是兩個不同設定
外接 UART Device 通常要關閉 Serial Console
Python 可以使用 pySerial
serial.Serial() 可以設定 Port、Baud Rate 與 Timeout
Python Serial Write 使用 Bytes
readline() 適合 newline-based Text Protocol
Arduino 可以使用 Serial.begin()
Arduino 可以使用 Serial.available()
Arduino 可以使用 readStringUntil()
Raspberry Pi 可以控制 Arduino LED
Arduino 可以傳 ADC 與 Sensor Data 給 Raspberry Pi
可以設計 Command / Response Protocol
可以加入 ACK、Timeout、Retry
可以加入 Checksum / CRC
長距離應考慮 RS-485，而不是直接拉 TTL UART
Raspberry Pi 與 Arduino 也可以使用 USB Serial
Arduino 與 Raspberry Pi 非常適合做高低階控制器分工

142. Raspberry Pi + Arduino 的核心價值

單獨使用 Raspberry Pi：

Linux
Network
Python
Database
Web
AI

非常強。

單獨使用 Arduino：

GPIO
ADC
PWM
Timer
Interrupt
Real-time Control

非常方便。

兩者透過 UART：

Arduino
     │
     │ Sensor / Control Data
     ▼
Raspberry Pi
     │
     │ High-Level Command
     ▼
Arduino

就可以把兩者優勢結合。

143. 完整系統架構

Internet
                       │
                       ▼
                  Web / MQTT
                       │
                       ▼
                Raspberry Pi
              ┌────────┴────────┐
              │                 │
          Database             AI
              │                 │
              └────────┬────────┘
                       │
                       │ UART
                       ▼
                  Arduino UNO
              ┌────────┼────────┐
              ▼        ▼        ▼
            Sensor    Relay    Motor
              │        │        │
              ▼        ▼        ▼
             ADC      Load     Motion

這就是一個非常典型的：

Linux SBC
+
Microcontroller

混合式 Embedded Architecture。

144. 本章總結

UART 是 Raspberry Pi 硬體通訊中非常值得熟練的一項技術。

I²C：

適合多個低速周邊

SPI：

適合高速同步周邊

UART：

非常適合兩個控制器直接交換資料

本章最重要的第一個觀念：

TX → RX
RX ← TX
GND ↔ GND

第二個觀念：

Baud Rate 必須一致

第三個也是最重要的安全觀念：

Raspberry Pi = 3.3V

Arduino UNO = 5V

所以：

Arduino TX
     │
     ▼
Level Conversion
     │
     ▼
Raspberry Pi RX

不能省略電位相容性的考量。Raspberry Pi 官方也明確警告 5V UART 系統必須經過適當的 Level Conversion 才能安全連接。

當我們再加入：

Python pySerial

和 Arduino：

Serial

就能建立：

Raspberry Pi
     │
     │ Command
     ▼
Arduino
     │
     │ Sensor Data
     ▼
Raspberry Pi

的完整雙向系統。

這時 Arduino 可以專門處理：

Sensor
ADC
PWM
Motor
Relay
Real-time Control

而 Raspberry Pi 負責：

Web
Database
Network
MQTT
Camera
OpenCV
AI

這種架構不只是 Arduino 練習。

它實際上已經非常接近：

IoT Gateway、Robot Controller、Industrial Controller 與 Edge Computing 系統常見的多控制器架構。

145. 本章核心流程圖

Raspberry Pi
             3.3V UART Logic
                    │
          ┌─────────┴─────────┐
          │                   │
      GPIO14 TX           GPIO15 RX
          │                   ▲
          │                   │
          │            Level Conversion
          │                   │
          ▼                   │
       D0 / RX             D1 / TX
          │                   │
          └─────────┬─────────┘
                    │
                Arduino UNO
               5V Logic System
                    │
          ┌─────────┼─────────┐
          ▼         ▼         ▼
        Sensor     PWM       Motor
          │         │         │
          └─────────┼─────────┘
                    ▼
              Physical World

軟體流程：

Python
  │
  ▼
pySerial
  │
  ▼
/dev/serial0
  │
  ▼
UART
  │
  ▼
Arduino Serial
  │
  ▼
Command Parser
  │
  ├── Sensor Read
  ├── LED
  ├── Relay
  ├── Servo
  └── Motor

146. 下一章預告

第 15 章 Raspberry Pi 控制繼電器、馬達與伺服馬達：外部負載控制入門

下一章將把 Raspberry Pi 從：

資料通訊

正式帶入：

Physical Control

我們將介紹：

Relay
DC Motor
MOSFET
Flyback Diode
H-Bridge
Servo
PWM
External Power
Common Ground

並建立：

Raspberry Pi
     │
     ▼
Driver Circuit
     │
     ├── Relay
     ├── DC Motor
     └── Servo

讓 Raspberry Pi 不只可以：

讀取資料
傳送資料

還能真正控制：

風扇
水泵
馬達
機械手臂
自動門
機器人

正式從 Raspberry Pi 通訊介面進入：

外部負載、自動控制與機器人系統。

下一步學習

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第14章 Raspberry Pi UART Serial 通訊：與 Arduino 進行序列資料交換

1. 前言

2. 什麼是 UART？

3. UART 最重要的三條線

4. UART 接線基本原則

5. 為什麼一定要共地？

6. UART 為什麼叫 Asynchronous？

7. Baud Rate 是什麼？

8. 最常見 UART 格式：8N1

9. 9600 Baud 每秒大約能傳多少 Byte？

10. Raspberry Pi UART 腳位

11. Raspberry Pi 5 要特別注意

12. 不要硬寫 /dev/ttyAMA0

13. 查看 serial0 實際指向哪裡

14. Raspberry Pi 的 PL011 與 Mini UART

15. Raspberry Pi 3 / 4 為什麼 Serial 名稱常讓人混亂？

16. 啟用 Raspberry Pi Serial Port

17. raspi-config 問的第一個問題

18. 第二個問題

19. 為什麼要關閉 Serial Console？

20. 手動設定 enable_uart

21. 檢查 UART Device

22. Raspberry Pi UART 是 3.3V

23. Arduino UNO R3 是 5V

24. 最危險的錯誤接法

25. Raspberry Pi TX 接 Arduino RX 呢？

26. 最簡單方法：電阻分壓

27. 完整 Raspberry Pi → Arduino 接線

28. 完整 Arduino → Raspberry Pi 接線

29. Raspberry Pi 與 Arduino 完整雙向接線

30. 更正式的方式：Logic Level Translator

31. 不要把 UART Level Shifter 和 RS-232 混在一起

32. UART、RS-232、RS-485 不一樣

33. 第一個實驗：Arduino 傳資料給 Raspberry Pi

34. Arduino 第一個 Serial 程式

35. Serial.begin(9600) 是什麼？

36. Serial.print 與 Serial.println

37. Raspberry Pi 安裝 pySerial

38. 為什麼套件叫 pyserial，Import 卻叫 serial？

39. Raspberry Pi 第一個 Serial Reader

40. serial.Serial() 參數

41. 為什麼建議設定 timeout？

42. Python Serial 收到的是 bytes

43. strip() 的用途

44. 第一個實驗預期輸出

45. 第二個實驗：Raspberry Pi 傳資料給 Arduino

46. Arduino 接收文字命令

47. Serial.available()

48. Serial.readStringUntil(‘’)

49. Raspberry Pi 傳送命令程式

50. 為什麼命令後要加 ？

51. 常見 Terminator

52. UART 雙向命令流程

53. 建議加入 ACK

54. 第三個實驗：Arduino 感測器資料送到 Raspberry Pi

55. Arduino 傳 Analog A0

56. Raspberry Pi 解析 ADC

57. 完整 ADC Receiver

58. 第四個實驗：Arduino 傳多個 Sensor Value

59. Arduino CSV 形式傳送

60. Raspberry Pi 解析 CSV

61. CSV 的優點

62. Key-Value Protocol

63. JSON 可以嗎？

64. JSON 優點與缺點

65. 簡單系統先不要過度設計

66. 完整命令 Protocol 範例

67. Arduino 完整 Command Server

68. Raspberry Pi 完整 Client

69. 為什麼 UART 程式要有 Timeout？

70. 加入 Timeout Detection

71. 加入 Retry

72. 不要無限 Retry

73. UART 資料為什麼會出現半包？

74. Serial 是資料流，不是訊息佇列

75. 可以用 Binary Protocol 嗎？

76. Checksum 是什麼？

77. 什麼時候需要 CRC？

78. UART 線不能無限延長

79. 馬達附近 UART 亂碼怎麼辦？

50. 為什麼命令後要加？