分享科技與遊戲 by HKGoldenMr.A: 讓 Arduino Nano 能夠發送 USB HID 訊號

2026-08-14

讓 Arduino Nano 能夠發送 USB HID 訊號

由於 Arduino Nano 原生不支援 USB HID 協定，無法直接作為鍵盤或滑鼠等輸入設備向宿主發送訊號。
因此，若想將 Arduino Nano 模擬為 USB HID 裝置，通常需要借助額外的硬體改裝或軟件模擬來實現。

發送序列資料
接收序列資料
自動連接
配對設備
心跳機制
補充資料
總結
參考資料

若要讓不具備原生 USB HID 功能的微控制器模擬 HID訊號，通常需要透過序列通訊 (Serial Communication) 來橋接 (Bridging，
由微控制器將控制指令封裝成序列資料 (Serial Data) 送出，再交給宿主 (Host) 並將其轉譯為標準的HID輸入訊號。

發送序列資料

const byte PINS[] = {2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, /*13,*/ 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21};
bool previous_statuses[sizeof(PINS) / sizeof(byte)];
void setup() {
	Serial.begin(115200);
	for (byte i = 0; i < sizeof(PINS) / sizeof(byte); i++) {
		pinMode(PINS[i], INPUT_PULLUP);
		previous_statuses[i] = false;
	}
}
void loop() {
	for (byte i = 0; i < sizeof(PINS) / sizeof(byte); i++) {
		bool current_status = !digitalRead(PINS[i]);
		if (previous_statuses[i] && !current_status) { // release
			previous_statuses[i] = !previous_statuses[i];
			Serial.write(0);
			Serial.write(PINS[i]);
		} else if (!previous_statuses[i] && current_status) { // press
			previous_statuses[i] = !previous_statuses[i];
			Serial.write(1);
			Serial.write(PINS[i]);
		}
	}
	delay(1);
}

在下撰寫 Arduino Sketch ，並自訂了一套簡易的通訊封包格式 (Package Format)：

第0位元組(狀態)： 0x00 代表釋放 (Released) ， 0x01 代表按下 (Pressed) 。
第1位元組(編號)：直接引用硬體引腳編號 (Pin Number) 作為按鈕的唯一識別碼 (Unique Identifier, UID) 。

確立這套訊號結構後，即可透過序列埠 (Serial) 將指令送出，並由宿主系統中的常駐程式即時監聽，並而觸發對應操作。

接收序列資料

from serial import Serial
import pyautogui
SERIAL_PORT = "/dev/ttyUSB0"
BAUD_RATE = 115200
serial = Serial(SERIAL_PORT, BAUD_RATE)
while True:
	if serial.in_waiting >= 2:
		data = serial.read(2)
		print(data)
		if data[1] == 2:
			if data[0] == 0: # release
				pyautogui.keyUp("a")
			elif data[0] == 1: # press
				pyautogui.keyDown("a")

在下在宿主裝置使用 Python 製作背景常駐程式實時監聽。
當程式接收到序列封包時，會依據 data[0](狀態) 及 data[1](編號) 來解析事件，並觸發對應的操作。
若日後需要擴充更多按鈕功能，只需在 Python 腳本中新增相應的編號邏輯即可，具備良好的擴充性。

測試效果。

自動連接

from serial.tools.list_ports import comports
def get_serial_port():
	for port in comports():
		# CH340, FT232RL
		if (port.vid == 0x1A86 and port.pid == 0x7523) or (port.vid == 0x0403 and port.pid == 0x6001):
			return port.device
	return None
SERIAL_PORT = get_serial_port()

由於 Arduino Nano 在每次連線時的系統連接埠並不固定，
為了避免每次執行程式前都需手動修改路徑，在下讓 Python 程式具備自動搜尋與動態配置連接埠的功能。
這不僅省去繁瑣的操作，也能實現跨平台相容，使程式在不同作業系統上記錄並即插即用。

不過，系統偵測到的裝置未必燒錄了對應的自訂韌體。
為避免誤連其他硬體設備，在下在通訊架構中引入了握手機制(Handshake) 。

主動驗證：連線時由宿主裝置發送特定配對訊號。
雙向確認：微控制器接收後回應預設的驗證暗號。

透過這種雙向驗證機制，能確保當前連接的硬體確實支援預期的按鍵通訊功能，提升系統運作的穩定度與安全性。

配對設備

const byte PINS[] = {2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, /*13,*/ 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21};
bool previous_statuses[sizeof(PINS) / sizeof(byte)];
void setup() {
	Serial.begin(115200);
	// handshake
	bool paired = false;
	while (!paired) {
		if (Serial.available() > 0) {
			String input = Serial.readStringUntil('\n');
			input.trim();
			if (input == "are you arduino nano?") {
				paired = true;
				Serial.println("yes, i am arduino nano.");
			} else {
				Serial.println("again!");
			}
		}
	}
	for (byte i = 0; i < sizeof(PINS) / sizeof(byte); i++) {
		pinMode(PINS[i], INPUT_PULLUP);
		previous_statuses[i] = false;
	}
}
void loop() {
	for (byte i = 0; i < sizeof(PINS) / sizeof(byte); i++) {
		bool current_status = !digitalRead(PINS[i]);
		if (previous_statuses[i] && !current_status) { // release
			previous_statuses[i] = !previous_statuses[i];
			Serial.write(0);
			Serial.write(PINS[i]);
		} else if (!previous_statuses[i] && current_status) { // press
			previous_statuses[i] = !previous_statuses[i];
			Serial.write(1);
			Serial.write(PINS[i]);
		}
	}
	delay(1);
}

在 Arduino 端的實作上，在 setup() 階段會主動等待宿主裝置送出 are you arduino nano? 的握手請求：

驗證成功：當接收到的字串比對無誤時，Arduino 會回應 yes, i am arduino nano.，隨後正式進入 loop() 主程式運作。
驗證失敗：若接收到的請求不符，則回應 again! 提示宿主裝置需要重新發送握手請求。

from serial import Serial
from serial.tools.list_ports import comports
import time
def get_serial(baudrate):
	for port in comports():
		if port.vid == 0x1A86 and port.pid == 0x7523:
			serial = Serial(port.device, baudrate)
			print("{} connecting.".format(port.device))
			time.sleep(5)
			print("{} connected.".format(port.device))
			serial.write(b"are you arduino nano?\n")
			while True:
				if serial.in_waiting > 0:
					response = serial.readline().decode('utf-8').strip()
					if response == "yes, i am arduino nano.":
						print("{} handshake complete.".format(port.device))
						return serial
	return None
serial = get_serial(115200)

宿主裝置與 Arduino Nano 連接時，會先發送握手請求，唯有在微控制器的回應符合預期時，才會正式建立 Serial 連線物件。
然而在目前的設計中，只要完成一次握手，後續隨時都能直接進行連線與操作，導致握手機制失去作用。
除非手動將 Arduino Nano 重置 (Reset) ，否則微控制器無法重新回到等待握手的初始狀態。

心跳機制

const byte PINS[] = {2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, /*13,*/ 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21};
bool previous_statuses[sizeof(PINS) / sizeof(byte)];
bool paired = false;
unsigned long last_heartbeat = 0;
const unsigned long HEARTBEAT_TIMEOUT = 60000;
void setup() {
	Serial.begin(115200);
	for (byte i = 0; i < sizeof(PINS) / sizeof(byte); i++) {
		pinMode(PINS[i], INPUT_PULLUP);
	}
}
void loop() {
	// handshake
	if (!paired) {
		if (Serial.available() > 0) {
			String input = Serial.readStringUntil('\n');
			input.trim();
			if (input == "are you arduino nano?") {
				for (byte i = 0; i < sizeof(PINS) / sizeof(byte); i++) {
					previous_statuses[i] = false;
				}
				paired = true;
				last_heartbeat = millis();
				Serial.println("yes, i am arduino nano.");
			} else {
				Serial.println("again!");
			}
		}
	} else {
		// keep alive
		if (Serial.available() > 0) {
			String input = Serial.readStringUntil('\n');
			input.trim();
			if (input == "are you still alive?") {
				last_heartbeat = millis();
				Serial.println("yes, i am still alive.");
			}
		}
		// expired
		if (millis() - last_heartbeat > HEARTBEAT_TIMEOUT) {
			paired = false;
			Serial.println("please pair again.");
		} else {
			// polling
			for (byte i = 0; i < sizeof(PINS) / sizeof(byte); i++) {
				bool current_status = !digitalRead(PINS[i]);
				if (previous_statuses[i] && !current_status) { // release
					previous_statuses[i] = !previous_statuses[i];
					Serial.write(0);
					Serial.write(PINS[i]);
				} else if (!previous_statuses[i] && current_status) { // press
					previous_statuses[i] = !previous_statuses[i];
					Serial.write(1);
					Serial.write(PINS[i]);
				}
			}
		}
	}
	delay(1);
}

為了避免宿主裝置繞過握手驗證，技術上雖然可以在接收到宿主程式的退出請求 (Disconnect) 時，讓 Arduino Nano 重新回復到等待握手的狀態；
但實際應用中會發生程式崩潰或使用者強制關閉等意外，導致 Arduino 無法接收到退出的訊號。
因此，重置握手狀態不能依賴宿主程式發起，而必須由 Arduino Nano 主動超時重置。
要實現重複驗證的機制，需要將握手邏輯移至 loop() 中，並引入時間限制 (Timeout) ，
一旦宿主程式未能在規定時間內發送續約請求， Arduino Nano 便會判定連線失效，並自動恢復為等待握手的狀態。

from serial import Serial
from serial.tools.list_ports import comports
import time
import pyautogui
import subprocess
handshake_question = "are you arduino nano?"
handshake_answer = "yes, i am arduino nano."
alive_question = "are you still alive?"
alive_answer = "yes, i am still alive."
def get_serial(vid, pid, baudrate):
	for port in comports():
		if port.vid == vid and port.pid == pid:
			serial = Serial(port.device, baudrate, timeout = 0.1)
			print("{} connecting".format(port.device))
			time.sleep(2)
			print(handshake_question)
			serial.reset_input_buffer()
			serial.write(handshake_question.encode("UTF-8"))
			start = time.time()
			while time.time() - start < 5:
				if serial.in_waiting > 0:
					response = serial.readline().decode("UTF-8").strip()
					if response == handshake_answer:
						print(response)
						return serial
	return None
serial = get_serial(0x1A86, 0x7523, 115200)
last_ping = time.time()
PING_INTERVAL = 4
if serial != None:
	while True:
		if time.time() - last_ping >= PING_INTERVAL:
			#print(alive_question)
			serial.write(alive_question.encode("UTF-8"))
			start = time.time()
			while time.time() - start < 5:
				if serial.in_waiting > 0:
					response = serial.readline().decode("UTF-8").strip()
					if response == alive_answer:
						#print(response)
						last_ping = time.time()
						break
		if serial.in_waiting > 0:
			data = serial.read(2)
			if len(data) >= 2:
				for i in range(2, 22, 1):
					if data[1] == i:
						if data[0] == 1:
							subprocess.Popen(["bash", "-c", "mate-terminal"])
						elif data[0] == 0:
							pass

測試效果。

為了配合 Arduino Nano 的超時機制，宿主程式必須加入心跳機制 (Heartbeat) 的功能。
在設計此請求的發送間隔時，需要權衡：

避免頻率過高：過於頻繁地發送會佔用序列埠頻寬與系統資源，造成無謂的輪詢負擔並影響操作體驗。
必須小於超時時間：為防止連線意外中斷，發送週期必須小於超時臨界值。

理想的設計會在超時時間的 30% 至 45% 之間發送延期請求。
這樣的時間設定，能確保即使延期請求發送失敗或遺失，宿主程式在超時前仍有 1 至 2 次重試 (Retry) 的機會，大幅提升連線的穩定度。

補充資料

這種架構除了能模擬標準 USB HID 外，還能直接調用系統層級的操作，例如：

將游標移動至螢幕的絕對座標
直接啟動指定應用程式
執行與系統硬體相關的底層操作

這賦予了它傳統 HID 裝置無法實現的強大控制能力。
然而，這種方式必須先由 Arduino Nano 將操作封包經由序列埠送出，再交由宿主端背景程式解析與轉譯指令，一連串處理無可避免地會帶來額外延遲。
因此，此方案並不適用於追求極致低延遲、需要即時反應的情境；
若有毫秒級回應的需求，仍建議直接使用原生支援 HID 功能的微控制器。

事實上，許多電腦週邊產品，特別是電競裝置，也採用了非常相似的設計架構，主要可分為以下三種模式：

硬體原生 (Native)
採用具備原生 HID 協定的晶片，直接在硬體層面發送標準的鍵盤或滑鼠訊號。
優點是無需安裝任何驅動程式，在任何宿主系統上皆能隨插即用。
軟件橋接 (Bridge)
裝置本身僅發送原始資料 (Raw Data) ，高度依賴運行於宿主系統上的背景軟件進行轉譯與觸發。
雖然能實現調用系統 API 等進階操作，但缺乏軟件支援時便無法獨立運作。
混合模式 (Hybrid)
結合兩者優勢。裝置內部整合了處理晶片與板載記憶體 (On-board Memory) ，
能調用系統 API 等進階操作；當宿主系統未安裝或無法執行背景軟件時，仍能透過板載記憶體發送自訂的標準 HID訊號；
一旦偵測到背景軟件連線，則能切換並執行更複雜的系統級操作。

由於專案使用了 pyautogui 與 pyserial 函式庫，執行前需要在終端機輸入：

pip install pyautogui pyserial

來安裝對應函式庫。

部分 Linux發行版 (例如 Debian系列) 禁止使用 pip 安裝 Python套件，避免與系統套件衝突，需要改用系統套件 (例如 apt) 來安裝。
但若部分 Python套件未收錄於系統套件庫中，則需前往 PyPI https://pypi.org/ 下載套件及其相依套件並手動設定。
亦可透過 python-venv 建立 Python虛擬環境來安裝套件，但執行已調用相關函式庫的程式時，必須在該虛擬環境下運作。

在下發現可以在 pip 加上 --break-system-packages 參數以繞過系統限制。
但如果系統套件庫有提供對應Python套件，建議使用系統套件，以免有套件衝突等問題。

另外，在 Linux 下存取 /dev/tty* 裝置時，使用者帳號必須加入 dialout群組；否則執行時需要使用 root 或 sudo 。

還有，避免封包傳輸的產生雜訊影片，令宿主程式分析錯誤，可以加入標頭或任何專用訊號的標誌，確保必須是符合標頭才分析往後的資料。

總結

這個專案的靈感，源自於在下對市面上某些巨集鍵盤的觀察與好奇。
在下發現這類產品除了需要透過專用軟件更改設定外，有些還必須讓軟件保持執行狀態，巨集功能才能正常運作。
更關鍵的是，它們竟能執行開啟軟件這類系統級操作，但按常理來說，標準的 USB HID 裝置是不可能開啟作業系統的軟件。

這讓在下意識到這些裝置必然是透過背景軟件在背後轉譯。
既然是靠宿主端的軟件運作，那即使像 Arduino Nano 這種原生不支援 USB HID 協定的微控制器，
理論上也完全能達到相同的效果。經過實際驗證，這個猜想確實可行。

此外，這個專案也讓我重新複習了通訊領域中的握手協定 (Handshake) 、配對驗證 (Pairing) 、心跳機制 (Heartbeat) 。
在現代開發環境中，許多底層框架早已將這些機制代為實作，開發者只需修改參數即可使用；
但在這個專案裡，需要從零開始用自己的邏輯去規劃與撰寫程式碼，只學習理論很沉悶，將理論實踐出來才會有趣，亦能證明論。

參考資料

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