Разработка программы для аndroid

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оглавление

Введение

1. Анализ функциональных возможностей существующих беспроводных устройств

2. Формулирование требований к параметрам устройства

3. Разработка метода подключения к смартфону

4. Разработка структуры устройства

4.1 Выбор микроконтроллера

4.2 Выбор Bluetooth модуля

5. Разработка алгоритма управления и программы для микроконтроллера

6. Разработка принципиальной схемы устройства

7. Разработка и сборка прототипа устройства

8. Разработка приложения для смартфона

9. Тестирование устройства

Заключение

Список источников

Приложения



Введение

Носимая электроника сегодня используется в повседневной жизни обычного человека. Существует огромное разнообразие устройств данной категории, но даже при этом не существует всех вариантов комбинаций видов устройств и их функций.

Целью данной работы является разработка устройства для удаленного управления звуковой информацией на выходе смартфона под управлением операционной системы Android. Для этого должны быть решены следующий задачи:

· анализ существующих технических решений;

· разработка устройства и программы микроконтроллера;

· разработка приложения для смартфона;

· тестирование устройства.

Сейчас на рынке отсутствует дешевое устройство, которое бы позволило дистанционно управлять звуковой информацией на смартфоне. Данная функция реализована только на устройствах высокого ценового сегмента: смарт-часы или смарт-браслеты от всемирно известных брендов. С другой стороны находятся дешевые устройства, но с отсутствием функции мультимедиа контроля.

Для выполнения поставленных задач были использованы:

· плата Arduino Pro Mini;

· Bluetooth модуль HC-06;

· среда разработки Arduino 1.8.2;

· среда разработки Android Studio 2.3.1.

Устройство не предполагает работу со смартфонам на iOS, поддержка данного сектора смартфона будет добавлена в будущем.



1. Анализ функциональных возможностей существующих беспроводных устройств

Наручная носимая электроника представлена умными браслетами и смарт-часами. И тот и тот вид устройства имеет как бюджетные варианты, так и варианты за которые придется отдать круглую сумму.

Основная направленность браслетов - это спорт и здоровье, отсюда и второе название - фитнес трекеры. Самые дешевые представители данной категории обычно не имеют ни экрана, ни кнопок. Чаще всего такие устройства помимо аккумулятора, Bluetooth модуля и микроконтроллера имеют шагометр, вибромотор и иногда датчик сердцебиения, также изредка может быть установлен небольшой дисплей. Хорошие представители этой категории браслеты китайской компании Xiaomi.

Устройства данной категории не предполагают управление смартфоном. программа микроконтроллер android смартфон

Существуют браслеты с довольно большим экраном, который также является устройством ввода. Они обладают теми же функциями, что и предыдущая категория, но из-за наличия экрана обладают дополнительными функциями, такими как: управление мультимедиа информацией, работа с уведомлениями, получение более полной информации со смартфона. Также такие устройства могут обладать дополнительными датчиками, например GPS или альти/барометр. Представителями данной категории являются браслеты компании Samsung Gear Fit.

Минусом этих устройств является довольно высокая цена.

Следующая категория - умные часы. И дешевые и дорогие варианты этих устройств имеют похожий функционал. В умных часах реализуют все функции фитнес браслетов. В самых передовых моделях могут устанавливать 3G модуль, при этом устройство имеет доступ не только к мобильной сети, но и к сети Интернет, другими словами с них можно совершать звонки и пользоваться Интернетом. С одной стороны это высокотехнологичное устройство, но с другой стороны это наручные часы - аксессуар, поэтому при производстве умных часов могут использовать дорогие материалы, например драгоценные металлы, из чего следует, что главные минус этого вида устройств еще более высокая цена. Бюджетные варианты устройств этой категории находятся в ценовом диапазоне браслетов, но чаще всего реализация браслетов лучше.

Отдельно стоит упомянуть про Bluetooth гарнитуры. Во всех гарнитурах есть реализация управления мультимедиа информацией, но при этом звуковой поток идет через гарнитуру.

Таким образом, на современном рынке отсутствуют устройства в низкой ценовой категории и простым управлением звуковой информацией.



2. Формулирование требований к параметрам устройства

Устройство должно быть небольшого размера для удобства использования, должно иметь форму браслета.

Подключение к смартфону одноканальное. Исключается управление двумя или более смартфонами одним устройством одновременно, и наоборот управление одного смартфона двумя или более устройствами.

Совместимость с операционной системой Android. Android является самой популярной мобильной операционной системой на данный момент [1].

Дальность действия не менее одного метра. Управление беспроводное, удаленное, поэтому телефон может находится на некотором расстоянии от пользователя.

Устройство должно исполнять не менее пяти команд. Минимум команд для управления звуковой информацией: следующий трек, предыдущий трек, воспроизведение/пауза, увеличить громкость, уменьшить громкость.

Время работы устройства не менее 12 часов активного использования. Устройство должно обеспечивать пользователя своим функционалом в течение минимум одного дня без необходимости зарядки.



3. Разработка метода подключения к смартфону

В первую очередь необходимо было выбрать технологию передачи данных: Wi-Fi или Bluetooth.

Bluetooth был создан для передачи данных между двумя устройствами без использования проводов. Wi-Fi в свою очередь создан для создания локальной сети. По скорости передачи данных и количеству подключений Wi-Fi значительно опережает Bluetooth, но в простоте настройки Wi-Fi проигрывает. Учитывая, что подключение со смартфоном должно быть одноканальное, а объем передаваемых данных не велик, то основной технологией передачи данных для данной работы будет являться Bluetooth [2].

Существует деление Bluetooth на Bluetooth Classic (до Bluetooth 4.0) и Bluetooth Low Energy (BLE, Bluetooth 4.0 и выше до Bluetooth 5.0).

Из названия BLE очевидно, что данная технология предполагает низкое потребление энергии. Это основано на том, что Bluetooth модуль большую часть времени находится в режиме сна и включается только на время работы. BLE работает в режиме клиент-сервер, при этом BLE устройство является сервером [3]. Другими словами, BLE устройство работает по запросу со смартфона, что не подходит для решения задач работы.

Основное отличие Bluetooth 2.x и Bluetooth 3.x это скорость передачи данных, что не является критичным показателем, поэтому далее выбор стандарта зависел от цен и наличия в продаже Bluetooth модулей.

Передача данных будет осуществляется по последовательному порту (Serial Port Profile, SPP).



4. Разработка структуры устройства

Устройство состоит из микроконтроллера, Bluetooth модуля, а также 3 кнопок управления. Прототип устройства будет собран на макетной плате, кнопки тактовые, двухконтактные.

4.1 Выбор микроконтроллера

Основной частью разрабатываемого устройства является микроконтроллер. В работе используется ATmega328 (3.3 V, 8 MHz), который входит в состав платы Arduino Pro Mini.

Аппаратная платформа Arduino была выбрана ввиду простоты использования, обладая при этом широким спектром возможностей. Также, она является очень популярной платформой, что приводит к большому числу пользователей. Arduino имеет ряд следующих преимуществ:

· низкая стоимость;

· удобная, простая и в то же время мощная среда разработки;

· кроссплатформенность: программировать можно как на Windows, так и на MacOS и Linux;

· большое количество пользователей - легко найти решение в возникающих вопросах.

Среди плат Arduino основным критерием выбора был размер. По этому критерию были выделены 4 платы: Arduino Nano 3.0, Arduino Mini, Arduino Pro Mini, Arduino Micro.

Arduino Nano 3.0. Плата с микроконтроллером ATmega328, разработанная компанией Gravitech. Имеется разъем Mini-B USB. Краткие характеристики представлены в таблице 1 [4].



Таблица 1 Краткие характеристики платы Arduino Nano 3.0

Микроконтроллер	Atmel ATmega328
Рабочее напряжение (логический уровень)	5 В
Входное напряжение (рекомендуемое)	7-12 В
Входное напряжение (предельное)	6-20 В
Цифровые Входы/Выходы	14 (6 могут быть использованы как ШИМ)
Аналоговые входы	8
Постоянный ток через вход/выход	40 мА
Флэш-память	32 Кб при этом 2 Кб используются для загрузчика
ОЗУ	2 Кб
EEPROM	1 Кб
Тактовая частота	16 МГц
Размеры	1.85 см х 4.2 см

Arduino Mini. Плата на основе микроконтроллера ATmega168. Основное назначение - использование в лабораторных работах и проектах. Для программирования требуется преобразователь USB в TTL. Краткие характеристики представлены в таблице 2 [5].

Таблица 2 Краткие характеристики платы Arduino Mini

Микроконтроллер	ATmega168
Рабочее напряжение	5 В
Входное напряжение	7-9 В
Цифровые Входы/Выходы	14 (6 могут быть использованы как ШИМ)
Аналоговые входы	8 (4 из которых имеют выводы)
Постоянный ток через вход/выход	40 мА
Флэш-память	16 Кб (2 для загрузчика)
ОЗУ	1 Кб
Энергозависимая память	512 байт
Тактовая частота	16 МГц
Размеры	1.8 см х 3.3 см

Arduino Pro Mini. Рассматривается версия платы с микроконтроллером ATmega328, 3.3 В, 8 МГц. Разработана фирмой SparkFun Electronics. Контакты совпадают с Arduino Mini. Краткие характеристики представлены в таблице 3 [6].

Таблица 3 Краткие характеристики платы Arduino Pro Mini

Микроконтроллер	ATmega328
Рабочее напряжение	3.3 В
Входное напряжение	3.35-12 В
Цифровые Входы/Выходы	14 (6 могут быть использованы как ШИМ)
Аналоговые входы	6
Постоянный ток через вход/выход	40 мА
Флэш-память	16 Кб (2 для загрузчика)
ОЗУ	1 Кб
EEPROM	512 байт
Тактовая частота	8 МГц
Размеры	1.8 см х 3.3 см

Arduino Micro. Плата на базе ATmega32u4, разрабатываемая совместно с Adafruit. На плате также имеется разъем micro-USB. Краткие характеристики приведены в таблице 4 [7].

Таблица 4 Краткие характеристики платы Arduino Micro

Микроконтроллер	Atmel ATmega32u4
Рабочее напряжение (логический уровень)	5 В
Входное напряжение (рекомендуемое)	7-12 В
Входное напряжение (предельное)	6-20 В
Цифровые Входы/Выходы	20
Каналы ШИМ	7
Аналоговые входные каналы	12
Постоянный ток через вход/выход	40 мА
Постоянный ток для вывод 3.3 В	50 мА
Флэш память	32 Кб (4 Кб используются для загрузчика)
ОЗУ	2.5 Кб
EEPROM	1 Кб
Тактовая частота	16 МГц
Размеры	1.77 см х 4.8 см

Из приведенных выше данных видно, что только Arduino Pro Mini имеет логику 3.3 В, все остальные имеют логику 5 В, а также Arduino Mini и Pro Mini меньше чем Nano или Micro, но при этом они имеют в 2 раза меньший объем памяти, как флэш так и ОЗУ.

В устройстве также будет присутствовать Bluetooth модуль, который имеет логику 3.3 В, поэтому, во избежание аппаратного изменения уровня напряжения, в работе используется Arduino Pro Mini.

4.2 Выбор Bluetooth модуля

Первоначально планировалось использовать Bluetooth 4.0. Выбор состоял из HM-10 и HC-08. Оба модуля работают по BLE. Приоритет был отдан первому варианту в силу более низкой цены при одинаковом функционале. Но ввиду особенностей данной версии технологии, было решено использовать Bluetooth Classic.

Во внимание были приняты модули серии HC ввиду их популярности и распространённости. Выбор стоял между двумя модулями HC-05 и HC-06. С физической точки зрения модули полностью идентичны, отличие состоит только в прошивке. Краткие характеристики модулей приведены в таблице 5.

Таблица 5 Краткие характеристики модулей HC-05/HC-06

Чип Bluetooth	BC417143 (CSR Company)
Протокол связи	Bluetooth Specification v2.0+EDR
Радиус действия	До 10 метров
Совместимость	Все Bluetooth адаптеры, поддерживающие SPP
Flash-память	8 Мбит
Частота радиосигнала	2.40 .. 2.48 ГГц
Хост-интерфейс	USB 1.1/2.0, UART
Энергопотребление	30-40 мА

Bluetooth модули имеют два режима работы - Master и Slave. Модуль HC-06 по умолчанию имеет режим Slave и при этом его нельзя переключить в режим Master. В свою очередь HC-05 по умолчанию записан как Master, но его можно перенастроить в режим Slave.

Так как в работе устройство должно подключаться к смартфону, то Bluetooth модуль должен находиться в режиме Slave. Поэтому, по критерию режима работы разница в использовании между приведенными модуля не критическая.

По режиму и наличию AT-команд модули имеют существенные различия. AT-команды - это команды для настройки Bluetooth модуля. HC-05 имеет 36 команд, в то время как HC-06 всего 8. При этом для выполнения данной работы большинство команд не требуется. Модуль HC-06 находится в режиме команд по умолчанию до установления подключения, в свою очередь модуль HC-05 для перехода в режим команд имеет отдельный вывод (PIN34). Также следует отметить, что AT команды для HC-06 не имеют никаких окончаний, в то время как команды для HC-05 требует символов /r/n, они же CR, NL (Carriage Return, New Line), возврат каретки и новая строка соответственно [8].

Ключевым фактором выбора модуля стало их наличие в магазинах, по этому фактор был выбран модуль HC-06.

Как уже говорилось ранее, Bluetooth модуль работает на логике 3.3 В, но для выполнения используется модуль с готовой платой, где выведено 4 контакта: TX, RX, питание и земля. Логика TX, RX сохранена: 3.3 В, при этом напряжение питания изменено на 5 В, так как большинство плат с микроконтроллерами работают именно на таком напряжении. В связи с вышесказанным, вся конструкция будет работать от источника питания с напряжением 5 В, как указано в пункте 4.1, плату Arduino Pro Mini можно подключать к источнику питания с большим напряжением.



5. Разработка алгоритма управления и программы для микроконтроллера

Для экономии места было решено использовать три кнопки вместо пяти, поэтому для реализации пяти функций необходимо использовать дополнительные варианты использования трех кнопок. Во внимания было принято два варианта расширения использования ограниченного числа кнопок. Первый - по количеству нажатий, второй - по длительности нажатия. Первый вариант позволяет добавить больше функций: два, три нажатия и так далее, но второй позволяет избежать неправильные нажатия: двойной клик вместо тройного, например.

Так как в работе требуется расширение всего для двух функций, то было решено использовать третий вариант. По обычному нажатию крайних кнопок регулируется громкость, по долгому (более секунды) меняется трек. Алгоритм программы указан в приложении 1.

Программа для микроконтроллера разрабатывалась в специальной среде разработке Arduino на языке C. Код находится в приложении 3.

В данной среде предусмотрен интерфейс общения по серийному порту. С его помощью удобно отлаживать программу, а также настраивать Bluetooth модуль с помощью AT команд. Команды, которые понадобились в данной работе:

· AT - тестовая команда;

· AT+NAMEx - изменение имени модуля, то есть и устройства в целом, где x - новое имя, по умолчанию имя - HC-06;

· AT+BAUDx - изменение скорости передачи данных, по умолчанию стоит скорость 9600 бод, здесь бод - количество бит в секунду, а x - указатель на скорость (например 9600 - 4).

Опытным путем было проверено, что при увеличении скорости уменьшается шанс потери короткого сообщения, поэтому в работе установлена скорость передачи 38400 бод.

6. Разработка принципиальной схемы устройства

Для разработки оформления принципиальной схемы устройства могут быть использованы следующие программы: sPlan, Eagle CAD, Sprint Layout. В качестве рабочей программы был выбран sPlan, так как он использовался во время обучения на предыдущих курсах.

Была создана дополнительная библиотека с двумя компонентами: Arduino Pro Mini и HC-06.

Разработанная схема находится в Приложении 2.

Для подключения кнопок используется подтягивающий резистор, который не указан в схеме, а кнопки напрямую соединяют выводы платы с землей. Подтягивающие резисторы находятся на плате Arduino Pro Mini и подключаются программно.



7. Разработка и сборка прототипа устройства

Прототип устройства был собран на макетной плате.

К Arduino Pro Mini были припаяны штырьки, имеющиеся в комплекте с платой, затем она была установлена на макетной плате. Питание и земля были выведены на предназначенные для них линии.

К портам 3, 4 и 5 подсоединены тактовые кнопки, не использованные контакты которых заземлены.

Порты TX и RX Bluetooth модуля подключены к 9 и 8 порту Arduino.

Для прошивки платы имеются выводы на одной из меньших граней. Как указывалось выше, для подключения платы к компьютеру или ноутбуку через USB требуется переходник USB to TTL. Подключение указано в таблице 6.

Таблица 6 Подключение Arduino Pro Mini

Arduino Pro Mini	USB to TTL переходник
TXO	RX
RXI	TX
VCC	5V
GND	GND

При загрузке программы на Arduino Pro Mini нужно вручную нажимать на кнопку Reset, так как в данной плате не реализовано подключение этого выхода к программатору, но в программировании микроконтроллера он обязателен.

Также в среде разработке необходимо выбрать модель платы, микропроцессор и порт, через который подключено устройство. По умолчанию нужного порта не имеется, поэтому необходимо установить драйвер SiLabs USB Driver.



8. Разработка приложения для смартфона

Разработка приложения выполнена в Android Studio.

Основной интерфейс приложения показан на рисунке 1.

Риcунок 1. Интерфейс приложения

Программа должна уметь подключаться к устройству и прослушивать информацию, отправляемую устройством. Для выбора подключаемого устройства используется основное окно (Activity) приложения. Если выполнять длительные операции, такие как подключение или прослушивание также в основном активити, то приложение зависает. Для того чтобы решить эту проблему было решено использовать многопоточность. При использовании дополнительного потока основное активити не зависает и программа функционирует нормально. Проблема возникает при работе приложения в фоне. Для решения этой проблемы дополнительный поток был заменен службой (англ. Service - компонент приложения выполняющий длительные операции в фоне без пользовательского интерфейса [9]).

Сервис содержит в себе три потока:

· Первый отвечает за подключение/переподключение к устройству;

· Второй за получение информации;

· Третий за обработку информации (выполнение действий).

Если совместить работу третьего и второго потока, то программа будет работать некорректно. Один поток не успевает получить и обработать данные.

Алгоритм работы:

1. Пользователь выбирает устройство из списка;

2. Полученный адрес записывается в специальную переменную;

3. При нажатии на кнопку «Connect» приложение подключается по указанному адресу и начинает прослушивать подключенное устройство;

4. При нажатии на кнопку «Disconnect» все потоки сервиса останавливаются, а сам сервис прекращает работу.

Код приложения был размещен на сервисе GitHub [10].



9. Тестирование устройства

Первое тестирование устройства заключалось в проверке его работоспособности: контролировалась работа всех функций/нажатий. Данный тест был пройден успешно.

Второе тестирование заключалось в проверке сценариев отключения устройства при выходе за пределы радиуса действия или внезапном отключении от питания. В данном случае в приложении статус меняется на подключение (Connecting) и переподключение происходит при появлении устройства в зоне видимости (при обратном подключении к питанию). Отмена попытки переподключения происходит вручную по нажатию кнопки «Disconnect». Данный тест был также успешно пройден.

Третье тестирование заключалось в проверке работы в фоне. В этом тесте была обнаружена невозможность использования потоков в основном активити для работы с устройством, поэтому была создана служба. Также проверялась актуальность информации о подключенном устройстве в основном активити. Повторный тест был успешно пройден.

Четвертая проверка была на прерывание попытки подключения (нажатие на Disconnect во время подключения). Проверка сначала выявила ошибку в программе, которая приводила к критическому выходу из приложения, ошибка была исправлена, повторный тест был пройден успешно.



Заключение

В результате данной работы были отработаны и усовершенствованы навыки в программировании микроконтроллеров и написании приложений для ОС Android.

Разработан и создан прототип устройства для управления звуковой информацией на выходе смартфона, а также Android приложение, позволяющее установить связь с этим устройством.

Дальнейшее развитие проекта предполагает доработку корпуса устройства, развитие пользовательского интерфейса, добавления новых функций (отслеживание уведомлений), а также поддержка iOS устройств.



Список источников

1. Raik «Статистика использования операционных систем: итоги 2016». URL: http://www.itrew.ru/windows/statistika-ispolzovaniya-operacionnykh-system-itogi-2016.html (дата обращения 01.03.2017)

2. DARKNEON27 «Какая разница между Wi-Fi и Bluetooth?». URL: http://www.nortel.ru/computer/kakaya-raznica-mezhdu-wi-fi-i-bluetooth.htm (дата обращения 01.03.2017)

3. ToastDroid «Android Bluetooth Low Energy». URL: http://toastdroid.com/2014/09/22/android-bluetooth-low-energy-tutorial/ (дата обращения 15.03.2017)

4. Arduino.ru «Arduino Nano». URL: http://arduino.ru/Hardware/ArduinoBoardNano (дата обращения 20.03.2017)

5. Arduino.ru «Arduino Mini». URL: http://arduino.ru/Hardware/ArduinoBoardMini (дата обращения 20.03.2017)

6. Arduino.ru «Arduino Pro Mini». URL: http://arduino.ru/Hardware/ArduinoBoardProMini (дата обращения 20.03.2017)

7. Arduino.ru «Arduino Micro». URL: http://arduino.ru/Hardware/ArduinoMicro (дата обращения 20.03.2017)

8. Igoryosha «Мучаем Bluetooth-модули. Часть 1 - HC-03, HC-04, HC-05, HC-06». URL: http://lobotryasy.net/learning_bluetooth_part_1.php (дата обращения 16.03.2017)

9. developers.android.com «Службы». URL: https://developer.android.com/guide/components/services.html (дата обращения 10.04.2017)

10. https://github.com/Rav4uk/BtMus



Приложения

Приложение 1

Алгоритм программы микроконтроллера



Приложение 2

Принципиальная схема устройства

Описание принципиальной схемы

Номер кнопки	Режим нажатия	Функция микроконтроллера	Функция на смартфоне
К1	Долгое	Передача сообщения 1	Следующий трек
	Короткое	Передача сообщения 2	Увеличить громкость
К2	Любое	Передача сообщения 3	Воспроизведение/пауза
К3	Долгое	Передача сообщения 4	Предыдущий трек
	Короткое	Передача сообщения 5	Уменьшить громкость



Приложение 3

Код программы микроконтроллера

Размещено на Allbest.ru

...