Interfaces fisicas para dispositivos moveis

interfaces físicas para dispositivos móveis

Tiago Barros | [email protected]

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Apresentação

Tiago Barros - @tgfb

Mestre em Ciência da Computação, UFPE / 2007B.Sc. Ciência da Computação, UFPE / 2003Tec. Eletrônica, ETFPE / 1998

Engenheiro de Sistemas Sênior do C.E.S.A.REspecialista em tecnologia, Grupo de Inovação

Professor de pós-graduação e especialização em diversos cursos: C.E.S.A.R(Recife), Cin/UFPE/Motorola(Recife), Universidade Positivo (Curitiba), Instituto FaberLudens/FISAM/UnC (Curitiba).

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Conteúdo

• computação física• alternativas de interfaces físicas para

dispositivos móveis• plataforma Arduino• protocolo de comunicação serial • plataforma Amarino• introdução à eletricidade e eletrônica• sinais analógicos e digitais• sensores e atuadores

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Pré-requisitos

• desenvolvimento de aplicativos Android

computação física

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• uso de computação e eletrônica [sensores e atuadores] na prototipação de objetos físicos para interação com seres humanos

• comportamento implementado por software

• utilização de microcontroladores

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• o objetivo é interligar o mundo físico com o mundo virtual

• usar a computação e a interação com a tecnologia para o desenvolvimento das suas atividades

• meio para comunicação e interação entre pessoas

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como vemos oscomputadores?

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• teclado

• mouse

• monitor

• CPU

• caixas de som

como vemos os computadores?

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como os computadores nos veem?

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• dedos [teclado/mouse]

• olho [monitor]

• duas orelhas [caixas de som]

reflexo das entradas e saídas do computador

como os computadores nos veem?

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“mudar a forma que os computadores nos

veem mudará como eles interagem

conosco”Tom Igoe – Physical Computing

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Perguntas

sistemas computacionais reativos

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percepção do ambiente, recebendo estímulos atavés de sensores;

e reação aos estímulos, de acordo com o seu comportamento (software), através de atuadores.

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comunicação entre redes de sensores e atuadores para formar um ambiente dinâmico e interativo

interação de sensores e atuadores com dispositivos móveis


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micro-controlador

sensor

atuador

sensor

comunicação

19


android

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micro-controlador

sensor

atuador

sensor

comunicação

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micro-controlador

sensor

atuador

sensor

arduino

22


micro-controlador

sensor

atuador

sensor

comunicação

23


comunicação

amarino = +

plataforma arduino

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plataforma arduino

• microcontrolador Atmel

• programação usando Wiring (subconjunto de processing, baseado em C/C++)

• open-source: evolução da plataforma através de contribuições dos usuários

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plataforma arduino - hardware

unomini

lilypad

boarduino

paperduino megapro

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plataforma arduino - hardware

• portas• 14 entradas/saídas digitais • 6 entradas analógicas

• memória• RAM: 1K• Flash (programa): 16k – 2k (bootloader)

• velocidade de processamento: 16MHz

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plataforma arduino – hardware

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plataforma arduino - instalação

• driver windows: FTDI Serial USB linux: não precisa instalar nada :-)

• software é só descompactar e executar

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plataforma arduino - instalação

• Selecionando a placa e a porta serial

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plataforma arduino – ambiente

área de código

área de status

compilar (verif. programa)

parar execução

novo

abrir

salvar

enviar programa para placa

exibir serial

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plataforma arduino – ciclo de vida

escrever

compilar

enviar para placa

verificar execução

corrigir erros

corrigir erros

atuadores

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plataforma arduino – estrutura do sketch

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plataforma arduino – linguagem

• linguagem baseada em C (mas bem mais fácil)

• comandos básicos

• pinMode() – define um pino com entrada ou saída

• digitalWrite() – liga ou desliga uma saída digital

• delay() – “espera” um determinado tempo

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• Exemplos

• pinMode(num_do_pino, OUTPUT);

• digitalWrite(num_do_pino, valor); valor é LOW ou HIGH (0 ou 1, 0V ou 5V)

• delay(milisegundos);

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• constantes

LOW | HIGH – indica nível baixo (0V) e alto (5V) nos pinos INPUT | OUTPUT – define se um pino vai ser pino de entrada ou

de saída

38

atividade prática!

39

prática

• fazer o programa hello arduino, que pisca um led

• use o pino 13 de saída digital, a placa já possui um led ligado a ele :-)

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plataforma arduino – hello arduino

41

Perguntas

protocolos de comunicação

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comunicação serial – RS232

• chip ATMEGA 328 só tem interface serial, não tem USB

• nossa placa arduino possui um chip que converte Serial para USB

• usamos o mesmo cabo USB pra enviar dados pro PC via serial

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• o arduino possui uma biblioteca que implementa comunicação serial

• Serial.begin();

• Serial.print();

• Serial.read();

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• Leds• TX: dados

enviados para o PC

• RX: dados recebidos do PC

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atividade prática!

47

comunicação serial - prática

“Hello Arduino” via serial

48

comunicação serial - prática

49

Perguntas

bibliotecas do arduino

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• é possível estender a plataforma Arduino com adição de componentes de código, para controlar sensores e atuadores específicos.

• estes componentes são chamados de bibliotecas (libraries)

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• as bibliotecas são geralmente disponibilizadas como um zip que deve ser descompactado dentro da pasta libraries do Arduino.

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• após reiniciar a IDE do Arduino, a biblioteca estará disponível no menu Sketch->Import Library

• a maioria das bibliotecas para o Arduino pode ser encontrada em http://arduino.cc/en/Reference/Libraries

plataforma amarino

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plataforma amarino

• toolkit constituído de uma aplicação android e uma biblioteca arduino que permite envio de mensagens entre os dois dispositivos

• utilização de serial sobre bluetooth

• MIT Media Lab

• http://www.amarino-toolkit.net/

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plataforma amarino

• Instalação• Baixar e descompactar a biblioteca

MeetAndroid (http://code.google.com/p/amarino/downloads/detail?name=MeetAndroid_3.zip)

• Baixar a biblioteca Amarino para Android(http://code.google.com/p/amarino/downloads/detail?name=AmarinoLibrary_v0_55.jar)

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plataforma amarino

• Instalação• Instalar a aplicação amarino e o plugin

bundle no dispositivo android, para os primeiros testes

Amarino Plugin bundle

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mais prática!

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eletrônica – protoboard

• antes disso: • Protoboard

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eletrônica – jumpers

• jumpers

61

atividade prática!

62

prática

• Testando a comunicação

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prática – código exemplo

64

prática

• aplicação Amarino 2.0

65

prática


66

prática


67

prática


68

prática


69

Perguntas

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API MeetAndroid

MeetAndroid meetAndroid; — cria um objeto do tipo MeetAndroid

meetAndroid.registerFunction (f, c);— registra uma função f para o determinado comando c,

que pode ser um número de ‘0’ a ‘9’ ou uma letra, de ‘a’ a ‘z’ e de ‘A’ a ‘Z’.

meetAndroid.unregisterFunction (c);— desregistra a função previamente registrada para o

comando c.

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API MeetAndroid

meetAndroid.receive();— Verifica se existem comandos a serem recebidos e

chama a função registrada caso receba algum comando.

meetAndroid.bufferLength();— Retorna o tamanho do buffer de dados recebidos.

meetAndroid.getString(char[]);— Copia a string recebida para o array de char passado

como parâmetro.

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API MeetAndroid

meetAndroid.getInt();— Retorna o valor do buffer como inteiro.

meetAndroid.getLong();— Retorna o valor do buffer como long int.

meetAndroid.getFloat();— Retorna o valor do buffer como float.

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API MeetAndroid

meetAndroid.getIntValues(int[]);— Retorna o valor do buffer como um array de inteiros que

foram enviados separados por ‘;’. A quantidade de valores é passada para a função registrada através da variável numOfValues (argumento 2 da função);

meetAndroid.getFloatValues(float[]);— Retorna o valor do buffer como um array de floats, da

mesma forma que a anterior.

meetAndroid.send(value);— Envia um valor (numérico ou string) para o dispositivo

android.

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atividade prática!

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prática

Modificar o exemplo para enviar “OK” ao dispositivo android para cada comando recebido

Verificar o recebimento do “OK” no monitoring da aplicação Amarino 2.0

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Perguntas

77

voltando ao arduino...

conceitos básicos de eletricidade

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eletricidade

eletricidade - interação entre partículas atômicas

universo formado de átomos

partículas atômicas:

prótons: cargas positivas

elétrons: cargas negativas

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eletricidade

Atomos com mais elétrons que prótons estão carregados negativamente (íon negativo)

Atomos com menos elétrons que prótons estão carregados positivamente (íon positivo)

“buraco”

“elétron extra”

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eletricidade

cargas iguais se repelem

cargas opostas se atraem

cargas em movimento geram campo magnético

campo magnético em movimento gera corrente elétrica

NS

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eletricidade – condutores e isolantes

isolante – evita a passagem de elétrons

condutor – permite o fluxo de elétrons

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eletricidade – diferença de potencial (v)

cargas negativas

quanto maior a tensão, mais “força” teem os elétrons

diferença de potencial ou tensão.

cargas positivas

V

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eletricidade – corrente elétrica (i)

quanto maior a corrente, maior a “quantidade” de

elétrons

fluxo de elétrons em um condutor

85

eletricidade – tipos de corrente elétrica

corrente contínua

corrente alternada

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eletricidade – tipos de corrente elétrica

inversão de polaridade no tempo

mesma polaridade no tempo (sentido continuo)

87

eletricidade – resistência elétrica (r)

propriedade do material condutor em reduzir

a passagem dos elétrons

elétrons “se acumulam e batem” no condutor, “dissipando” sua

energia(gerando calor)

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eletricidade – lei de ohm

V = R x I

a diferença de potencial (V) entre dois pontos de um

condutor é proporcional à corrente elétrica (I) que o

percorre e à sua resistência (R)

V

R I R = V/I

I = V/R

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eletricidade – circuito elétrico

+

–

V

i

Rgerador[fonte]

condutor[caminho]

carga[consumidor]

90

Perguntas

atuadores

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• comandos básicos

• analogWrite() – escreve um valor analógico no pino

• analogWrite(num_pino, valor); valor entre 0 e 255

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eletrônica – modulação PWM

a função analogWrite() escreve “pulsos” muito rápidos no pino digital (só funciona nos pinos marcados com PWM).

o valor a ser escrito representa o tempo que o pulso fica em nível alto e varia de 0 a 255.

quanto mais tempo o pulso permanecer em nível alto, maior é a “tensão média” da saída

94

atividade prática!

95

antes dissomais um pouco de eletrônica...

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eletrônica – resistores

oferecem resistência à passagem da corrente elétrica

transformam energia elétrica em energia térmica[pode ser usado como atuador]

tipos:

carvão [carbono]

filmefio

resistência:

fixovariável

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eletrônica – resistores

valores expressos em ohms

o corpo dos resistores possui um código de cores para identificar o valor

98

agora sim, prática!

99

prática

• acender o LED com a intensidade de brilho correspondente ao valor enviado pelo evento de teste do android

100

prática

• circuito

Figura retirada de http://arduino.cc/

101

prática

• esquemático


102

prática

• protoboard

Figura retirada de http://www.multilogica-shop.com/Aprendendo/Exemplos/Fading

103

Perguntas

sensores

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sensores – chave (switch/button)

• interrompe a passagem da corrente elétrica• liga/desliga o circuito• sensor de toque

esquemático

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• Comandos• digitalRead() – le um pino de entrada

• Exemplo:• int chave = 0;• chave = digitalRead(num_do_pino);

107

sensores

arduino lê tensões de

entrada (e não valores 0 e 1)

5 volts == HIGH (1)0 volts == LOW (0)

sem conexão em umpino, a entrada flutuaentre 0 e 5 volts (HIGH e LOW) este resistor é necessário

para que o pino seja levado para 0 quando não estiver conectado (chave aberta)

108

atividade prática!

109

sensores - prática

• fazer o circuito e o programa para enviar ao dispositivo android o valor do sensor lido

110

sensores - prática

• esquemático


111

sensores - prática

• protoboard

112

Perguntas

113

voltando à eletrônica...

114

eletrônica – sinais analógicos e digitais

sinal com variação contínua no tempo

sinal com variação discreta (valores pré-definidos)

115

eletrônica – conversão de sinais

valor é lido em intervalos regulares de tempo e transformado em um número digital

116


vários valores, não só HIGH e LOW. quantiade de valores é a resolução.

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resolução de 8 bits = 256 valoresresolução de 16 bits = 65536 valores

118

eletrônica - resistores

• Como funciona um resistor variável?

• no arduino, o valor da tensão é transformado em um valor digital entre 0 e 1023

119

atividade prática!

120

sensores analógicos – prática

• ler o valor do resistor variável e ligar um LED se esse valor passar de um determinado limite. Ao acender o LED, informar o dispositivo android.

121


• esquemático


122


• circuito


124

Perguntas

biblioteca amarino para android

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Classe Amarino

• conexão• Amarino.connect(context, address);• Amarino.disconnect(context, address);

• Intents• AmarinoIntent.ACTION_CONNECTED• AmarinoIntent.ACTION_DISCONNECTED• AmarinoIntent.ACTION_CONNECTION_FAILED• AmarinoIntent.ACTION_PAIRING_REQUESTED

• Devemos registrar um BroadcastReceiver para receber os intents desejados

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Classe Amarino

• comunicação• Amarino. sendDataToArduino(context, address,

command, data)

• Intents• AmarinoIntent.ACTION_SEND• AmarinoIntent.ACTION_RECEIVED

• Devemos registrar um BroadcastReceiver para receber os intents desejados

• API completa em: http://www.amarino-toolkit.net/tl_files/doc/index.html

128

atividade prática!

129

biblioteca amarino - prática

• fazer uma aplicação que mostre um gráfico de linha no android, com o valor do sensor lido pelo arduino.

• fazer uma aplicação que exiba um gradiente na tela e altere o brilho de um LED de acordo com a área do gradiente tocada

130

Perguntas

131

eletrônica – resistores LDR

• resistor variável sensível à luz

132

eletrônica – resistores LDR

• resistor variável sensível à luz

circuito para arduino

porque o resistor de 1k? - para limitar a corrente se o LDR assumir valores muito baixos

133

atividade prática!

134

entrada analógica - prática

ler valores do LDR e enviar para o dispositivo android

135

Perguntas

atuadores sonoros

137

atuadores sonoros

• Buzzer piezoelétrico• formado por

cerâmica piezoelétrica e disco metálico

• ao receber uma tensão a cerâmica se expande, quando removemos a tensão ele volta

138

atuadores sonoros

• Buzzer piezoelétrico• 2 polos: um é ligado

no GND e outro no pino de saída desejado

• aplicando uma tensão variável produz vibração que é traduzida em som

139

atuadores sonoros

• como programar o arduino para tocar uma nota musical?

• uma nota musical é um som em uma determinada frequência

• a frequência de uma nota significa quantas vezes o atuador sonoro vibra em 1 segundo

140

atuadores sonoros

• para fazer o atuador vibrar, escrevemos no pino uma sequência de valores HIGH e LOW, tantas vezes por segundo quanto for a frequência da nota

• o tempo de cada variação HIGH e LOW é chamada de período e é o inverso da frequência

baixa frequência

alta frequência

período

período

1 segundo

• para fazer o atuador vibrar, escrevemos no pino uma sequência de valores HIGH e LOW, tantas vezes por segundo quanto for a frequência da nota

• o tempo de cada variação HIGH e LOW é chamada de período e é o inverso da frequência

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atuadores sonoros

• programar o arduino para tocar uma nota musical

void playTone(int period, int duration) { for (long i = 0; i < duration * 1000L; i += period* 2) { digitalWrite(speakerPin, HIGH); delayMicroseconds(period); digitalWrite(speakerPin, LOW); delayMicroseconds(period); }}

142

atuadores sonoros

•como tocar uma nota musical?

timeHigh = periodo / 2 = 1 / (2 * frequência)

* nota frequência periodo tempo em nivel alto* c (dó) 261 Hz 3830 1915 * d (ré) 294 Hz 3400 1700 * e (mi) 329 Hz 3038 1519 * f (fá) 349 Hz 2864 1432 * g (sol) 392 Hz 2550 1275 * a (lá) 440 Hz 2272 1136 * b (si) 493 Hz 2028 1014 * C (dó) 523 Hz 1912 956

Não é necessário escrever essas frequências, podemos incluir o arquivo notes.h

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atuadores sonoros

•como tocar uma nota musical?

notes.h#define NOTE_B0 31#define NOTE_C1 33#define NOTE_CS1 35#define NOTE_D1 37#define NOTE_DS1 39#define NOTE_E1 41#define NOTE_F1 44#define NOTE_FS1 46#define NOTE_G1 49#define NOTE_GS1 52...

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função tone

• Arduino já possui uma função para tocar notas

tone(pin, frequency); // emite uma determinada nota (representada pela // frequência) no pino ocrrespondente

noTone(pin);// para de emitir a frequência definida por tone() // no pino correspondente

tone(pin, frequency, duration);// emite uma determinada nota (representada pela // frequência) no pino ocrrespondente durante uma // determinada duração

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atividade prática!

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atuadores sonoros - prática

• Tocar uma nota ao receber um evento do android

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perguntas?

148

arduino - referencias

• Lista dos comandos da linguagem em:

http://arduino.cc/en/Reference/HomePage

• Lista dos tutoriais em:

http://www.arduino.cc/en/Tutorial/HomePage

149

projeto

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projeto da disciplina

• desenvolver um dispositivo interativo que utilize os conceitos aprendidos.

Obrigado!

Education

Interfaces fisicas para dispositivos moveis