Đặc tả phần cứng
Hình 3.14 : Sơ đồ chân modul Bluetooth HC-05 Bảng1: mô tả chức năng các chân của module:
Android Sơ đồ nguyên lý module :
Hình 3.15 Sơ đồ nguyên lý module Bluetooth HC-05
Tập lệnh AT cho module Bluetooth HC-05
HC-05 Bảng 2: một số lệnh AT cho module
Tổng quan về hệ điều hành Android
Giới thiệu về Android
Hệ điều hành Android là hệ điều hành mở, hoàn thiện, cho phép người dùng tùy biến nó Tương thích với hầu hết các nhà sản xuất phần cứng
Lịch sử hình thành
Android là hệ điều hành dành cho thiết bị cầm tay, được phát triển dựa trên lõi Linux bởi công ty Android Inc tại California, Mỹ Năm 2005, Google đã mua lại công ty này và bắt đầu xây dựng nền tảng Android Những thành viên chủ chốt của Android Inc bao gồm Andy Rubin, Rich Miner, Nick Sears và Chris White.
Cuối năm 2007, Liên minh Thiết bị Cầm tay Mã Nguồn mở (Open Handset Alliance) được thành lập với sự tham gia của nhiều thành viên nổi bật trong ngành viễn thông và thiết bị cầm tay.
Texas Instruments, Broadcom Corporation, Google, HTC, Intel, LG, Marvell Technology Group, Motorola, Nvidia, Qualcomm, Samsung Electronics, Sprint Nextel, T-Mobile, ARM Holdings, Atheros Communications, Asustek Computer Inc, Garmin Ltd, Softbank, Sony Ericsson, Toshiba Corp, and Vodafone Group represent a diverse array of leading companies in the technology and telecommunications sectors, showcasing innovation and collaboration in the development of cutting-edge solutions and products.
Liên minh này hướng đến việc đổi mới nhanh chóng nhằm đáp ứng tốt hơn nhu cầu của người tiêu dùng, với kết quả đầu tiên là nền tảng Android Android được phát triển để phục vụ cho nhu cầu của các nhà sản xuất thiết bị, nhà khai thác và lập trình viên thiết bị cầm tay.
Phiên bản SDK Android lần đầu tiên được phát hành vào tháng 11 năm 2007, cùng với sự ra mắt của chiếc điện thoại Android đầu tiên - T-Mobile G1 Đây là smartphone đầu tiên sử dụng nền tảng Android Chỉ vài ngày sau, Google tiếp tục công bố phiên bản Android SDK release Candidate 1.0.
2008, Google được cấp giấy phép mã nguồn mở cho Android Platform.
Khi Android ra mắt, một trong những mục tiêu chính trong kiến trúc của nó là cho phép các ứng dụng tương tác và tái sử dụng các thành phần từ ứng dụng khác Điều này không chỉ áp dụng cho dịch vụ mà còn cho cả dữ liệu và giao diện người dùng, giúp tăng cường tính linh hoạt và khả năng mở rộng của các ứng dụng.
Cuối năm 2008, Google đã phát hành Android Dev Phone 1, một thiết bị cầm tay cho phép chạy ứng dụng Android mà không bị ràng buộc bởi nhà cung cấp mạng Mục tiêu là tạo điều kiện cho các nhà phát triển thử nghiệm trên thiết bị thực mà không cần hợp đồng Cùng thời điểm, Google cũng giới thiệu phiên bản vá lỗi 1.1 của hệ điều hành Android Tuy nhiên, cả hai phiên bản 1.0 và 1.1 đều không hỗ trợ bàn phím ảo, yêu cầu sử dụng bàn phím vật lý Để khắc phục vấn đề này, Google đã phát hành SDK 1.5 vào tháng 4 năm 2009, kèm theo nhiều tính năng mới như cải thiện khả năng ghi âm truyền thông, bổ sung vật dụng và live folder.
Các phiên bản cảu android
- Android 4.4 KitKat : sắp ra mắt
Tính năng Android
- Lưu trữ: sử dụng SQLite, một cơ sở dữ liệu quan hệ, trọng lượng nhẹ cho dữ liệu lưu trữ.
- Kết nối: Hỗ trợ GSM/EDGE, IDEN, CDMA, EV-DO, UTMS, Bluetooth ( A2DP và AVRCP ), Wifi, LTE và Wimax
- Tin nhắn: hỗ trợ cả SMS và MMS
- Trình duyệt web: dựa trên WebKit mã nguồn mở, cùng với V8 JavaScript của Chrome.
- Truyền thông hỗ trợ : Bao gồm hỗ trợ cho các phương tiện truyền thông: H.263, H.264
( trong 3GP hoặc MP4 container ), MPEG-4 SP, AMR, AMR-WB, AAC, HE-AAC, MP3, MIDI, OggVorbis, WAV, JPEG, PNG,GIF và BMP
- Hỗ trợ phần cứng: Accelerometer cảm biến, máy ảnh, kỹ thuật số Compass, cảm biến tiệm cận và GPS.
- Multi-touch : hỗ trợ màn hình cảm ứng đa điểm.
- Đa chức năng: Hỗ trợ các ứng dụng đa tác vụ
- Hỗ trợ Flash: Android 2.3 hỗ trợ Flash 10.1
- Tethring: Hỗ trợ chia sẻ kết nối Internet là một điểm phát sóng không dây/có dây
Kiến trúc của hệ điều hành Android
Kiến trúc hệ điều hành Android gồm 4 lớp cơ bản:
- Nền ứng dụng ( Application Framework)
Hình 3.18: Mô hình kiến trúc nền tảng hệ điều hành Android 3.2.4.1 Tầng ứng dụng
Hệ điều hành Android đi kèm với nhiều ứng dụng cơ bản như email, SMS, lịch điện tử, bản đồ, trình duyệt web và sổ liên lạc Ngoài ra, đây cũng là môi trường cho các ứng dụng được phát triển bằng ngôn ngữ Java.
Tầng hệ điều hành Android cung cấp nền tảng phát triển ứng dụng mở, cho phép các nhà phát triển sáng tạo và phong phú trong việc tạo ra ứng dụng Họ có thể tận dụng các tính năng cao cấp của phần cứng như định vị địa lý, chạy dịch vụ nền, thiết lập đồng hồ báo thức và thêm thông báo vào thanh trạng thái của thiết bị.
Người phát triển ứng dụng có quyền truy cập đầy đủ vào bộ API trong các ứng dụng tích hợp sẵn của Android, giúp đơn giản hóa việc tái sử dụng các thành phần Kiến trúc ứng dụng Android cho phép bất kỳ ứng dụng nào công bố các tính năng mà nó muốn chia sẻ với các ứng dụng khác Phương pháp này cũng cho phép người dùng thay thế các thành phần, bao gồm một tập hợp các dịch vụ và thành phần khác.
Một bộ sưu tập phong phú và linh hoạt các đối tượng View được sử dụng để phát triển ứng dụng, bao gồm danh sách, lưới, ô văn bản, nút bấm, và ngay cả một trình duyệt web có thể tích hợp vào ứng dụng.
- Content Provider: Cho phép các ứng dụng có thể truy xuất dwux liệu từ các ứng dụng khác hoặc chia sẻ dữ liệu của chúng.
- Resource Manager: cung cấp khả năng truy xuất các tài nguyên non- code như hình ảnh hoặc file layout.
- Notification Manager: cung cấp khả năng hiển thị custom alert trên thanh status bar.
- Activity Manager: Giúp quản lý vòng đời của một ứng dụng
Android bao gồm một bộ thư viện C/C++ phục vụ cho nhiều thành phần trong hệ thống Dưới đây là danh sách một số thư viện cơ bản.
Thư viện System C là một phiên bản được phát triển từ thư viện hệ thống C chuẩn (libc) của BSD, được điều chỉnh và tối ưu hóa đặc biệt cho các thiết bị hoạt động trên nền tảng Linux.
- Media Libarary : Bộ thwu viện hỗ trợ trình diễn và ghi các định dạng âm thanh và hình ảnh phổ biến
- Surface manager: Quản lý hiên rthij nội dung 2D và 3D
- LibWebCore : một web browser engine hiện đại được swur dụng trong trình duyệt của android lần trong trình duyệt nhứng web view được sử dụng trong ứng dụng.
- SGL: Engine hỡ trợ đồ họa 2D
- 3D library: Một thể hiện được xây dựng dựa trên các APIs của OpenGL
ES 1.0 Những thư viện này sử dụng các tăng tốc 3D bằng phần cứng lẫn phần mềm để tối ưu hóa hiển thị 3D.
- Free Type: Bitmap and vector font rending.
- SQLite: một DBMS nhỏ gọn và mạnh mẽ
Hệ điều hành Android bao gồm một bộ thư viện cốt lõi, cung cấp các chức năng tương tự như trong thư viện Java Mỗi ứng dụng Android hoạt động trên một tiến trình riêng biệt thông qua máy ảo Dalvik, một phiên bản cải tiến của máy ảo Java, được tối ưu hóa cho thiết bị di động Máy ảo Dalvik cho phép chạy nhiều ứng dụng một cách hiệu quả và trước khi thực thi, ứng dụng sẽ được chuyển đổi thành định dạng Dalvik Executable (.dex) để tiết kiệm bộ nhớ và tăng tốc độ xử lý Ngoài ra, Dalvik sử dụng nhân Linux để quản lý các tính năng như luồng và quản lý bộ nhớ cấp thấp.
Hệ điều hành Android được phát triển dựa trên nhân Linux 2.6, đảm nhận các dịch vụ hệ thống quan trọng như bảo mật, quản lý bộ nhớ, quản lý tiến trình, ngăn xếp mạng và mô hình driver Nhân này hoạt động như một lớp trung gian, kết nối phần cứng thiết bị với các ứng dụng.
Hình 3.19 : mô hình hợp tác giữa máy ảo Dalvik và Navite code
Java Native Interface (JNI) là một framework cho phép mã Java chạy trên máy ảo Java tương tác với các ứng dụng viết bằng mã native, bao gồm các ngôn ngữ như C, C++ hoặc Assembly JNI giúp kết nối mã Java với phần cứng và hệ điều hành cụ thể, mở rộng khả năng sử dụng của ứng dụng Java.
Bằng cách sử dụng JNI, Android cho phép ứng dụng chạy trên máy ảo Dalvik truy cập các phương thức viết bằng C, C++ và Assembly Điều này giúp các nhà phát triển xây dựng ứng dụng với tốc độ thực thi nhanh hơn và tận dụng những tính năng mức thấp mà Java không hỗ trợ Tuy nhiên, việc tích hợp các thư viện này có thể làm tăng độ phức tạp của ứng dụng, do đó các nhà phát triển cần cân nhắc kỹ lưỡng trước khi quyết định sử dụng.
Chu kỳ ứng dụng trên android
Một tiến trình Linux gói khi codes cần được run và sẽ
- Nó không phụ thuộc. andorid gọn một ứng dụng Android đã được tạo ra cho ứng dụng còn chạy cho đến khi:
Hệ thống Android cần giải phóng bộ nhớ mà nó chiếm giữ để phục vụ cho các ứng dụng khác Một đặc điểm quan trọng của Android là thời gian sống của tiến trình ứng dụng không do chính ứng dụng kiểm soát, mà được xác định bởi hệ thống thông qua một sự kết hợp các yếu tố khác nhau.
- Những phần của ứng dụng mà hệ thống biết đang chạy
- Những phần quan trọng như thế nào đối với người dùng
Bao nhiêu vùng nhớ chiếm lĩnh trong hệ thống.
3.2.5.1 Chu kỳ sống thành phần
Các thành phần ứng dụng trải qua một chu kỳ sống, bắt đầu từ giai đoạn khởi tạo cho đến khi kết thúc Trong suốt quá trình này, các thành phần có thể ở trạng thái hoạt động (active) hoặc không hoạt động (inactive), và trong trường hợp chúng đang hoạt động, chúng có thể hiển thị (visible) hoặc không hiển thị (invisible).
Trong hệ thống, các activity được quản lý như một stack Khi một activity mới được khởi động, nó sẽ nằm ở đỉnh của stack và trở thành activity đang chạy, trong khi activity trước đó sẽ bị ẩn ở dưới và không hiển thị trong suốt thời gian activity mới tồn tại.
Nếu người dùng nhấn nút Back thì activity kết tiếp của stack sẽ di duyển lên và trở thành active.
3.2.5.3 Các trạng thái của chu kỳ sống
Hình 3.21: Chu kỳ sống của Activity
Một Activity chủ yếu có 3 chu kỳ chính sau:
- Active hoặc running: Khi Activity là được chạy trên màn hình Activity này tập trung vào những thao tác của người dùng trên ứng dụng.
Activity được tạm dừng (paused) khi người dùng mất tập trung, nhưng vẫn có thể nhìn thấy nó Điều này có nghĩa là một Activity mới hiện lên trên nhưng không che phủ toàn bộ màn hình Activity tạm dừng vẫn còn hoạt động, tuy nhiên có thể bị hệ thống kết thúc nếu thiếu bộ nhớ.
Khi một Activity bị dừng, nó sẽ không hiển thị cho người dùng nhưng vẫn giữ trạng thái và thông tin thành viên bên trong Trong trường hợp hệ thống cần bộ nhớ cho các tác vụ khác, Activity này có thể bị loại bỏ.
3.2.5.4 Chu kỳ sông của ứng dụng
Trong một ứng dụng Android, mỗi thành phần đều có chu trình sống riêng và ứng dụng chỉ kết thúc khi tất cả các thành phần đều ngừng hoạt động Activity là thành phần cho phép người dùng tương tác với ứng dụng, nhưng khi tất cả các Activity kết thúc, ứng dụng vẫn chưa hoàn toàn kết thúc Ngoài Activity, còn có các thành phần không tương tác với người dùng như Service và Broadcast Receiver, có thể hoạt động trong nền dưới sự giám sát của hệ điều hành cho đến khi người dùng tự tắt chúng.
3.2.5.5 Các sự kiện trong chu kỳ sống của ứng dụng
Khi một Activity bị tạm dừng hoặc dừng hẳn, hệ thống có thể giải phóng thông tin của nó từ bộ nhớ bằng cách gọi hàm finish() hoặc kết thúc tiến trình Khi Activity được hiển thị trở lại, nó cần phải khởi động lại hoàn toàn và phục hồi trạng thái trước đó Trong quá trình chuyển đổi giữa các trạng thái, Activity phải thông báo sự chuyển đổi bằng cách gọi hàm transition.
Tất cả các phương thức trong ứng dụng đều có thể được override để phù hợp với sự thay đổi trạng thái Mỗi Activity cần có phương thức onCreate() để khởi tạo ứng dụng Ngoài ra, nhiều Activity cũng thực hiện phương thức onPause() để xác nhận thay đổi dữ liệu và chuẩn bị dừng tương tác với người dùng.
3.2.5.6 Thời gian sống cảu ứng dụng
Trong chu kỳ sống của một Activity, có bảy phương thức chuyển tiếp định nghĩa thời gian sống của nó, bắt đầu từ lần đầu tiên gọi onCreate() cho đến khi gọi onDestroy() Trong onCreate(), Activity khởi tạo toàn bộ trạng thái toàn cục, trong khi onDestroy() thực hiện việc giải phóng các tài nguyên đang tồn tại.
3.2.5.7 Thời gian hiển thị của Activity
Thời gian sống của một activity được xác định từ khi gọi phương thức onStart() cho đến khi gọi onStop() Trong khoảng thời gian này, activity sẽ hiển thị trên màn hình, cho phép người dùng tương tác với nó Giữa hai phương thức này, người dùng có thể duy trì tài nguyên cần thiết để đảm bảo activity luôn sẵn sàng cho người dùng.
3.2.5.8 Các phương thức của chu kỳ sống
- Được gọi khi activity lần đầu tiên được tạo
- Ở đây bạn làm tất cả các cài đặt tĩnh (tạo các view, kết nối dữ liệu đến list…)
-Phương thức này gửi qua một đối tượngBundle chứa đựng từ trạng thái trược của Activity
- Luôn theo sau bởi onStart()
-Được gọi sau khi activity đã được dừng, chỉ một khoảng đang khởi động lần nữa (stared again)
- Luôn theo sau bởi onStart()
- Được gọi trước khi một activity visible với người dùng.
-Theo sau bởi onResume() nếu activity đến trạng thái foreground hoặc onStop() nế nó trở nên ẩn.
- Được gọi trước khi activity bắt đầu tương tác với người dùng
- Tại thời điểm này activity ở trên dỉnh của stack activity.
- Luôn theo sau bởi onPause()
- Được gọi khi hệ thống đang resuming activity khác.
- Phương thức này là điển hình việc giữ lại không đổi dữ liệu.
-Nó nên được diễn ra một cách nhanh chóng bởi vì activity kế tiếp sẽ không được resumed ngay cho đến khi nó trở lại.
-Theo sau bởi onResume nếu activity trở về từ ở trước, hoặc bởi onStop nếu nó trở nên visible với người dùng.
- Trạng thái của activity có thể bị giết bởi hệ thống.
- Được gọi khi activity không thuộc tầm nhìn của người dùng.
-Nó có thể diễn ra bởi vì nó đang bị hủy, hoặc bởi vì activity khác vữa được resumed và bao phủ nó.
-Được theo sau bởi onRestart() nếu activity đang đở lại để tương tác với người dùng, hoặc onDestroy() nếu activity đang bỏ.
- Trạng thái của activity có thể bị giết bởi hệ thống.
- Được gọi trước khi activity bị hủy.
- Đó là lần gọi cuối cùng mà activity này được nhận.
-Nó được gọi khác bởi vì activity đang hoàn thành, hoặc bởi vì hệ thống tạm thời bị hủy diệt để tiết kiệm vùng nhớ.
- Bạn có thể phân biệt giữa 2 kịch bản với phương isFinshing().
Trạng thái của activity có thể được giết bởi hệ thống.
THIẾT KẾ MÔ HÌNH XE ĐIỀU KHIỂN
Phân tích và xác định yêu cầu
Mục tiêu của đề tài là thiết lập kết nối và trao đổi dữ liệu giữa ứng dụng trên hệ điều hành Android và vi điều khiển trên xe Hệ thống này cho phép người dùng điều khiển thiết bị thông qua Bluetooth từ điện thoại Android.
- Ứng dụng trên Mobile Android :
+ Thực hiện gửi dữ liệu thông qua sóng Bluetooth
+ Ứng dụng có giao diện thân thiện, dễ sử dụng
+ Ứng dụng hoạt động ổn định
+Nhận giá trị từ module Bluetooth, xử lý và xuất ra driver động cơ để điều khiển xe
+Driver có nhiệm vụ điều khiện 2 động cơ DC thực hiện các thao tác di chuyển cơ bản.
+ xe hoạt động ổn định
Xây dựng hệ thống
Hình 4.1 Lưu đồ thuật toán trên Android
Hình 4.2 icon ứng dụng Hình 4.3 Giao diện điều khiển
Hình 4.4 Thông tin ứng dụng Hình 4.5 Dò tìm thiết bị
Sơ đồ khối tổng quát
Hình 4.6 Sơ đồ khối tổng quát
Mạch xử lý sử dụng vi điều khiển Atmega8 của Atmel, có chức năng nhận tín hiệu từ mô-đun Bluetooth, xử lý dữ liệu và xuất tín hiệu cho mô-đun driver động cơ Vi điều khiển Atmega8 nổi bật với khả năng xử lý nhanh và hiệu quả, phù hợp cho các ứng dụng điều khiển tự động.
- Tốc độ tối đa : 16MHz
- Dung lượng bọ nhớ chương trình : 8Kb
- Dung lượng bộ nhớ RAM : 1Kb
Bộ nhớ chương trình có khả năng ghi lên đến 10.000 lần, trong khi bộ nhớ EEPROM cho phép ghi tới 100.000 lần Thiết bị hỗ trợ bootloader, cho phép tự động ghi vào bộ nhớ chương trình và cập nhật chương trình cho chip mà không cần sử dụng mạch nạp.
- Điện áp hoạt động : 2.7V-5.5V ( Atmega8L), 4.5V-5.5V( Atmega8)
Hình 4.7: Sơ đồ chân Atmega8
Hình 4.8: Sơ đồ nguyên lý mạch Atmega8
Mạch sử dụng nguồn Acquy 6V để cấp cho 2 động cơ DC và từ nguồn Acquy 6V qua IC ổn áp LM7805 để cấp nguồn 5V cho mạch
IC L298 là một mạch tích hợp bao gồm hai cầu H, cho phép điều khiển động cơ với điện áp từ 5V đến 47V và dòng tối đa lên đến 4A Với khả năng này, L298 rất lý tưởng cho các ứng dụng công suất nhỏ, đặc biệt là trong việc điều khiển động cơ DC.
Hình 4.10 : Sơ đồ chân IC L298
+ 4 chân INPUT : IN1, IN2, IN3, IN4 được nối lần lượt với các chân 5,7,10,12 của L298 Đây là các chân nhận tín hiệu điều khiển
+ 4 chân OUTPUT: OUT1, OU2, OUT3, OUT4 được nối với các chân 2,3,13,14 của L298 Các chân này được nối với động cơ
+ hai chân ENA và ENB dùng để điều khiển các mạch cầu H trong L298 Nếu mức logic “1” thì cho phép mach cầu H hoạt động, nếu mức logic “0” thì mạch cầu
+ ENA=0: động cơ không hoạt động
Khi IN1=1, IN2=0 động cơ quay thuận Khi IN1=0, IN2=1 động cơ quay nghịch Tương tự cho 2 chân còn lại
Sơ đồ nguyên lý IC L298
Hình 4.11: Sơ đồ nguyên lý IC L298
Để thực hiện các yêu cầu như quay trái, quay phải, tiến và lùi, chúng ta cần bổ sung mạch logic nhằm tận dụng tối đa 2 cổng PWM của vi điều khiển Atmega8 Việc sử dụng các cổng này sẽ giúp cải thiện hiệu suất điều khiển động cơ.
NOT ( 74HC04) và cổng ANG ( 74HC08 )
Hình 4.12: Mạch logic dùng 74HC04 và 74HC08
Bảng 3: Mô tả trạng thái hoạt động của xe
Sơ đồ nguyên lý toàn mạch:
Hình 4.13: Sơ đồ nguyên lý toàn mạch
Dựa vào bảng mô tả các trạng thái hoạt động của xe ta có lưu đồ thuật toán sau
Hình 4.14: Lưu đồ thuật toán cho Atmega8
Xe được thiết kế như hình:
KẾT QUẢ&HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
Đánh giá kết quả thực hiện đề tài
Đề tài "Xe điều khiển từ xa dùng Android" có tính ứng dụng cao, phục vụ cho nhiều bài toán thực tế như điều khiển thiết bị trong nhà, giám sát và quản lý hệ thống báo cháy, báo ga, cũng như ổn định nhiệt độ Việc phát triển thiết bị này liên quan đến nhiều lĩnh vực kiến thức khác nhau.
- Nắm rõ được giao tiếp Bluetooth
- Tìm hiểu về hệ điều hành android
- Thực hiện viết ứng dụng trên Android
- Thực hiện kết nối và trao đổi dữ liệu giữa Smartphone và Module
- Viết firmwave xử lý dùng Atmega8
- Thiết kế mạch driver cho động cơ DC
- Chưa nhớ được địa chỉ module Bluetooth vào điện thoại nên mỗi lần kết nối phải tiến hành dò tìm tốn thời gian
- Chưa kiểm soát được xe
- Xe thiết kế khá đơn giản, chưa nhiều tính năng
Hướng phát triển
Đề tài đã đạt được một số kết quả nhất định, song để đáp ứng cho một bài toán thực tế còn chưa thật tối ưu.
- Nghiên cứu hệ điều hành thời gian thực để tăng khả năng xử lý, cũng như tính linh hoạt của nó
- Tích hợp thêm nhiều chức năng cho xe như: truyền hình ảnh, đo nhiệt độ, độ ẩm, khoảng cách vật cản, đo độ nghiêng
- Phản hồi được các sự cố về ứng dụng android
