UNIVERSIDADE DO VALE DO ITAJAÍ CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DA TERRA E DO MAR CURSO DE CIÊNCIA DA COMPUTAÇÃO

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1 UNIVERSIDADE DO VALE DO ITAJAÍ CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DA TERRA E DO MAR CURSO DE CIÊNCIA DA COMPUTAÇÃO VEÍCULO CONTROLADO VIA BLUETOOTH COM ANDROID E ARDUINO por JEAN CARLOS POTRICH Itajaí (SC), Outubro de 2013

2 UNIVERSIDADE DO VALE DO ITAJAÍ CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DA TERRA E DO MAR CURSO DE CIÊNCIA DA COMPUTAÇÃO VEÍCULO CONTROLADO VIA BLUETOOTH COM ANDROID E ARDUINO Área de Eletrônica, Sistemas Embarcados e Programação por JEAN CARLOS POTRICH Relatório apresentado à Banca Examinadora do Trabalho Técnico-científico de Conclusão do Curso de Ciência da Computação para análise e aprovação. Orientador: ADHEMAR MARIA DO VALLE FILHO, Dr. Itajaí (SC), Outubro de 2013

3 Primeiramente a Deus. Aos meus pais Odalino Potrich e Salete Mária Potrich pela minha existência e educação, a minha irmã Daniela Potrich e meu irmão Giovani André Potrich.

4 AGRADECIMENTOS Primeiramente gostaria de agradecer a Deus; A minha mãe Salete Maria Potrich ao meu pai Odalino Potrich e ao meu irmão Giovani Andre Potrich pelo incentivo e apoio; Agradecimento especial a minha irmã Daniela Potrich Oliveira, pois sem a sua ajuda e seu apoio eu não estaria passando por esta etapa da minha vida; Agradecimento especial a minha futura esposa Débora Fermino de Jesus, pelo apoio e incentivo; Ao meu orientador, professor Adhemar, pelo incentivo, pela confiança e principalmente pela paciência; Enfim, gostaria de agradecer a todas as pessoas que me ajudaram e me apoiaram durante o desenvolvimento do projeto.

5 Eu acredito que tudo o que você faz volta para você. Mas em minha mente sinto que estou fazendo o bem, então me sinto em direção ao paraíso. (Tupac Amaru Shakur)

6 RESUMO POTRICH, Jean Carlos. Veículo controlado via Bluetooth com Android e Arduino. Itajaí, Trabalho Técnico-científico de Conclusão de Curso (Graduação em Ciência da Computação) Centro de Ciências Tecnológicas da Terra e do Mar, Universidade do Vale do Itajaí, Itajaí, A tecnologia wireless está facilitando a integração e automação de produtos. A comunicação sem fio permite às pessoas maior flexibilidade, porque não precisam permanecer numa localização fixa. Este projeto tem como objetivo atuar nesta área. A proposta desse Trabalho Técnico-científico de Conclusão e Curso é adaptar um veículo tipo controle remoto para que seja possível controla-lo através de uma conexão Bluetooth utilizando a orientação de um acelerômetro. Essa conexão acontece entre um smartphone e um micro controlador Arduino. O controle é feito sobre um veículo tipo controle remoto adaptado com um micro controlador Arduino equipado com um módulo Bluetooth e o smartphone contará um chip Acelerômetro um modulo Bluetooth e o sistema operacional Android. O veículo irá se locomover de acordo com as coordenadas fornecidas pelo chip Acelerômetro que está instalado no smartphone. O software Android é responsável por fazer a leitura da saída do acelerômetro, processar as informações, determinar o nível de velocidade e enviar via Bluetooth para o Arduino adaptado no veículo. O software Arduino faz a leitura das informações que o módulo Bluetooth recebe, processa essas informações e aciona os atuadores baseando-se nas informações recebidas e assim movimentar o veículo similarmente aos movimentos empregados no smartphone. Palavras-chave: Arduino, Smartphone, Bluetooth, Android

7 ABSTRACT Wireless technology facilitates the communication between products and the automation in different areas. This technology also provides people greater flexibility, since there is no need to remain in a fixed location. This project aims to work in this specific area. It is a project that intends to control a vehicle via a Bluetooth connection. The connection is between a smartphone and a micro controller Arduino. The control will be over a vehicle that contains an Arduino Board equipped with a Bluetooth module and the smartphone will contain an accelerometer chip beneath the Android operating system. The vehicle will get around according to the coordinates provided by the accelerometer chip that is installed on the smartphone. The movement direction will be sent to the vehicle that has an Arduino board via a Bluetooth connection. The embedded software on the Arduino will be responsible for the processing and transformation of coordinates in voltage output to guide the vehicle movement. Keywords: Arduino, Smartphone, Bluetooth, Android.

8 LISTA DE FIGURAS Figura 1. Visão frontal do Arduino UNO Figura 2. Esquema de Ponte H Figura 3. Representação de uso de uma Ponte H Figura 4. Representação da técnica de controle de potência PWM Figura 5. Onda da potência controlada pelo interruptor de ação rápida Figura 6. Demonstração do acelerômetro com a funcionalidade de orientação da tela Figura 7. Exemplo com três tubos, um em cada eixo (X, Y e Z) Figura 8. Imagem interna de um acelerômetro Figura 9. Arquitetura do sistema Android Figura 10. Informações dos caracteres de envio Figura 11. Diagrama de funcionamento do protótipo Figura 12. Visão geral do veículo controlado via Bluetooth Figura 13. UC01.01 Funcionamento do veículo controlado via Bluetooth Figura 14. Diagrama de atividade do UC01.01 Funcionamento do veículo controlado via Bluetooth Figura 15. Com a repulsão o motor tende a girar Figura 16. Circuito elétrico do motor CC/DC Figura 17. Diagrama de bloco CI L293D Figura 18. Visão geral dos pinos do CI L293D Figura 19. Movimentos do servo em função do sinal recebido Figura 20. Exemplo de um servomotor Figura 21. Instalação elétrica do servomotor Figura 22. Adaptação do servomotor Figura 23. Modulo Bluetooth HC Figura 24. Conexão física do modulo HC-06 com o Arduino Figura 25. Esquemático do circuito do projeto Figura 26. Visão geral da aplicação Android Figura 27. Diagrama de estado da aplicação Android Figura 28. Conexão para configurar o módulo HC Figura 29. Visão geral da aplicação Arduino Figura 30. Diagrama de estado da aplicação Arduino Figura 31. Angulação do braço do servomotor Figura 32. Posição do smartphone para o veículo ficar parado Figura 33. Virar para a direita nível Figura 34. Virar para a direita nível Figura 35. Virar para a esquerda nível Figura 36. Virar para a esquerda nível Figura 37. Andar para frente nível Figura 38. Andar para frente nível Figura 39. Andar para frente nível Figura 40. Andando para trás Figura 41. Gráfico com trecho percorrido para o teste de virar para direita... 66

9 LISTA DE TABELAS Tabela 1. Especificação Arduino Uno Tabela 2. Potências e área de cobertura Tabela 3. Trabalhos similares correlacionando com o projeto Tabela 4. Opções do CI L293D Tabela 5. Níveis de velocidade do veículo Tabela 6. Valores em bauds Tabela 7. Códigos enviados para o Arduino... 60

10 LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS 3G 4G EDGE PWM TTC UNIVALI Wi-Fi Terceira Geração Quarta Geração Enhanced Data Rates for Global Evolution Pulse Width Modulation Trabalho Técnico-Científico de Conclusão de Curso Universidade do Vale do Itajaí Wireless Fidelity

11 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO PROBLEMATIZAÇÃO Formulação do Problema Solução Proposta OBJETIVOS Objetivo Geral Objetivos Específicos METODOLOGIA ESTRUTURA DO TRABALHO FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ARDUINO Arduino Hardware Arduino Software (IDE) ATUADORES PONTE H MODULAÇÃO POR LARGURA DE PULSO (PWM) BLUETOOTH ACELERÔMETRO ANDROID TRABALHOS SIMILARES Desenvolvimento de uma aplicação embarcada em celular visando controle de robô via Wi-fi Sistema Bluetooth para controle de acessórios veiculares utilizando smartphone com Android TABELA DOS TRABALHOS SIMILARES CORRELACIONANDO COM O PROJETO Desenvolvimento REQUISITOS FUNCIONAIS FUNCIONAMENTO DO VEÍCULO CONTROLADO VIA BLUETOOTH MOVIMENTAR E CONTROLAR A DIREÇÃO DO VEÍCULO Motor CC/DC Circuito Integrado L293D Servomotor Bluetooth Montagem eletrônica COLETANDO, ENVIANDO E RECEBENDO AS INFORMAÇÕES Aplicativo smartphone Configurando o módulo Bluetooth... 56

12 3.4.3 Aplicação Arduino TESTES DO PROJETO Veiculo parado ou frear Virar para direita Virar para a esquerda Andar para frente Andando para trás Teste de campo CONCLUSÕES TRABALHOS FUTUROS APÊNDICE A. SKETCH DO VEÍCULO... 74

13 15 1 INTRODUÇÃO Hoje em dia, o mundo está se movimentando globalmente para a integração e automação de produtos. A grande maioria das pessoas utiliza o computador e dispositivos do gênero em diferentes seções de suas vidas. Pesquisas mostram que entre as necessidades que determinam ritmo às mudanças no padrão de consumo, o celular tem papel fundamental. Uma pesquisa feita em 2009 já mostrava que o celular tinha 70% de prioridade na vida das pessoas (IBOPE, 2009). A comunicação sem fio permite às pessoas maior flexibilidade, por que não precisam permanecer numa localização fixa. Em 1985, o Engenheiro Eletricista italiano, Guglielmo Marconi, ampliou o alcance dessas transmissões e adaptou a tecnologia para enviar e receber sinais telegráficos sem fio. No início do século XX, os avanços nessa tecnologia, desenvolvidos pelos professores ingleses, John Ambrose Fleming, e pelo inventor norteamericano, Lee De Forest, tornaram possível modular e amplificar sinais sem fio (CARDOSO, 2007). A elaboração deste projeto de pesquisa tem o intuito de utilizar a tecnologia sem fio Bluetooth para guiar um veículo do tipo controle remoto. Para que isso seja possível é necessário adaptar a plataforma open-source Arduino no veículo tipo controle remoto e assim guia-lo através de uma conexão Bluetooth entre o Arduino e o smartphone. A movimentação do veículo é baseada na orientação de um acelerômetro embarcado no smartphone com sistema operacional Android. Em termos práticos, um Arduino é um pequeno computador que pode ser programado para processar entradas e saídas entre o dispositivo e os componentes externos conectados a ele. O Arduino é chamado de plataforma de computação física ou embarcada, ou seja, um sistema que pode interagir com seu ambiente por meio de hardware e software (McROBERTS, 2011). Para guiar o veículo foi utilizada a orientação de um acelerômetro. Hoje em dia todos os smartphones são equipados com um chip capaz de informar precisamente quando o smartphone sofre uma mudança em sua orientação, por isso o sistema operacional do smartphone sabe quando mostrar a imagem na horizontal ou na vertical, esse chip é conhecido como acelerômetro. Os acelerômetros são capazes de detectar variação de velocidade nos três eixos (X, Y e Z), ou seja, em qualquer direção, sendo assim possível guiar um veículo em qualquer sentido.

14 16 O sistema operacional Android desenvolvido pela Open Handset Alliance, que é liderada pelo Google, é um sistema baseado em Linux voltado para dispositivos móveis com objetivo de ser uma plataforma flexível, aberta e de fácil migração para os fabricantes. Todo o código fonte está publicado sob a licença Apache. Em 2008 foi comercializado o primeiro telefone com o sistema operacional Android (LECHETA, 2010). O Android suporta várias tecnologias de conectividade que inclui EDGE, 3G, 4G, Wi-Fi e Bluetooth, este projeto se beneficia da tecnologia sem fio Bluetooth. A tecnologia Bluetooth nos smartphones é disponibilizada de forma nativa, ou seja, não é necessário fazer adaptações para utiliza-la. Ao contrario dos smartphones o Arduino não possui Bluetooth nativamente, para adicionar essa funcionalidade ao Arduino foi necessário instalar um módulo que seja capaz de estabelecer uma conexão sem fio com a tecnologia Bluetooth. No projeto é utilizado o modulo HC-06, esse módulo funciona como um tubo (RX/TX) de série, onde qualquer fluxo de série a partir de 9600 a bps podem ser transmitidos diretamente de um dispositivo para o seu alvo. O fabricante garante um alcance de até 100m de distância (valor aceitável para o projeto) em um ambiente ao ar livre, ou seja, sem obstáculos que possam prejudicar a troca de informação entre o transmissor (TX) e o receptor (RX), o modulo HC-06 trabalha com uma tensão de alimentação que varia de 3,3-6,0 volts em uma frequência de 2.4 GHz (ALIEXPRESS, 2013). 1.1 PROBLEMATIZAÇÃO Formulação do Problema Veículos que podem ser movimentados através de uma conexão wireless não são novidades no mercado comercial e variam de preço de acordo com as suas funcionalidades e tecnologias embarcadas. Desenvolver um projeto assim envolve uma pesquisa atrás de conhecimento tecnológico. Isso pode ser baseado numa tecnologia paga ou open-source. Neste trabalho será focado em tecnologia open-source para desenvolvimento do projeto. Outra parte do trabalho envolve as adaptações no veículo para que possa atender os requisitos que englobam o projeto. As questões relativas a este projeto são as seguintes: como e o que é necessário para desenvolver um veículo controlado por uma conexão Wireless utilizando a tecnologia

15 17 Bluetooth e que possa ser guiado por coordenadas de um acelerômetro embarcado em um smartphone utilizando apenas tecnologia open-source? Solução Proposta Para solucionar o problema acima, foi adaptado um carrinho tipo controle remoto equipado com um micro controlador Arduino com um módulo Bluetooth. Foi estabelecida uma conexão com a tecnologia Bluetooth entre o Arduino e um smartphone com sistema operacional Android que possui um chip Acelerômetro. Foi desenvolvido um software para Android capaz de coletar as informações do Acelerômetro do smartphone e capaz de enviar essas informações através da conexão Bluetooth. E foi desenvolvido um software para Arduino capaz de receber as informações por uma conexão Bluetooth e transformar as orientações recebidas do smartphone em tensão de saída para movimentar os atuadores embarcados no veículo. 1.2 OBJETIVOS Objetivo Geral O objetivo geral deste trabalho é embarcar a plataforma open-source Arduino com atuadores e um módulo Bluetooth, em um veículo do tipo controle remoto, e utilizar uma conexão Bluetooth entre o Arduino e o smartphone para movimentar o veículo através das coordenadas fornecidas pelo acelerômetro embarcado no smartphone com sistema operacional Android Objetivos Específicos Os objetivos específicos para este trabalho são os seguintes: Destacar as tecnologias necessárias para desenvolver o projeto; Modelar o protótipo; Implementar o protótipo; e Testar e avaliar a implementação da plataforma.

16 Metodologia A metodologia empregada nesse trabalho é disseminada em quatro etapas consideradas fundamentais: (i) Pesquisa, (ii) Fundamentação Teórica, (iii) Desenvolvimento do projeto e (iv) Documentação. Para etapa de pesquisa (i), foram realizadas pesquisas sobre todos os assuntos relacionados e correlacionados como: Arduino, Atuadores, Circuito de Ponte H, Modulação por largura de Pulsos (PWM), Bluetooth, Acelerômetro e Android. Todo embasamento teórico tem como objetivo o desenvolvimento do veículo controlado via Bluetooth com Android e Arduino. Na segunda etapa (ii) Fundamentação Teórica foi realizada uma introdução sobre o funcionamento dos atuadores que foram utilizados para mobilidade do veículo, Android, Acelerômetro, Bluetooth e Arduino para o envio e recebimento das informações que movimentam o veículo. Na terceira etapa (iii) desenvolvimento do projeto foi realizado o desenvolvimento do software Arduino e Android, foi adaptado o Arduino no veículo tipo controle remoto juntamente com os atuadores. Na quarta etapa (iv) documentação foi realizado o processo de redação de toda documentação deste trabalho de conclusão de curso que acompanhou todo o processo de pesquisa e fundamentação. 1.4 Estrutura do trabalho No primeiro capítulo é apresentada uma introdução sobre o projeto, apresentando uma descrição geral do trabalho, onde é identificado o problema e a solução proposta, os objetivos gerais e específicos a serem alcançados e a metodologia utilizada. No segundo capítulo é apresentada a Fundamentação Teórica onde são abordados conceitos como Arduino hardware e software, micro controladores, atuadores, Ponte H, Bluetooth, Acelerômetro e Android. Nesta etapa são abordadas duas soluções similares a este projeto.

17 19 O terceiro capítulo é apresentado o Desenvolvimento, onde são abordadas informações importantes desde a adaptação do carrinho até a conexão Bluetooth entre o Arduino e o smartphone. O quarto capítulo apresenta as Conclusões, conclui o término do documento apresentado.

18 20 2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Para montar o veículo foi necessário entender alguns conceitos e o funcionamento dos componentes e peças envolvidos no trabalho. A fundamentação teórica diz respeito a este ponto do projeto onde são explicadas as etapas do processo de aprendizagem necessárias para se atingir a solução proposta. 2.1 Arduino Segundo Banzi (2012), o Arduino é uma plataforma de computação física de fonte aberta, com base em uma placa simples de entrada/saída (input/output, ou I/O), assim como em um ambiente de desenvolvimento que implementa a linguagem Processing ( O Arduino pode ser utilizado para desenvolver objetos interativos independentes, ou conectados a softwares de seu computador (como Flash, Processing ou Max/MSP). As placas podem ser montadas manualmente, ou compradas pré-montadas. Ainda segundo Banzi (2012), as principais diferenças entre o Arduino e outras plataformas presentes no mercado são: Ambiente multiplataforma, pode ser executado em Windows, Macintosh e Linux; Possui uma IDE de programação baseada em Processing de fácil utilização; Interação entre a placa e o computador é por uma interface USB e não serial como na maioria; É um hardware e software de fonte aberta; O hardware é barato e de fácil troca de componentes defeituosos; Há uma grande comunidade ativa na internet; O Arduino Project foi desenvolvido em um ambiente educacional, portanto, é ideal para iniciantes. Em poucas palavras, o Arduino é uma plataforma de computação física que utiliza objetos eletrônicos interativos que podem se comunicar com humanos como, por exemplo,

19 21 sensores e atuadores onde são controlados por um software que é executado dentro de um microcontrolador. Segundo Mcroberts (2011), o Arduino pode ser utilizado para desenvolver objetos interativos independentes, ou pode ser conectado a um computador, a uma rede, ou até mesmo à internet, ele é capaz de enviar dados recebidos de alguns sensores para um site na rede internet. O Arduino pode controlar LEDs, displays, botões, interruptores, motores, sensores de temperatura, sensores de pressão, sensores de distância, receptores GPS, módulos Ethernet ou qualquer outro dispositivo que emita dados, podem ser dados simples como, estar ligado ou desligado. Como o Arduino é livre tanto na parte de hardware quanto na parte de software, qualquer pessoa que conheça um pouco de eletrônica pode baixar o esquema eletrônico disponível gratuitamente no site ( e criar o seu próprio Arduino. Esta disponibilidade fez com que surgissem no mercado uma variada gama de produtos relativos ao Arduino. Abaixo segue uma lista com algumas plataformas Arduino: Arduino Uno: Baseada no microcontrolador ATmega328 com 28 pinos, comunicação USB (ARDUINO, 2011); Arduino LilyPad: Projetada para ser utilizada em roupas ou aplicações que envolvem tecido é baseada no micro controlador ATmega168V (versão de baixa potência do ATmega168) ou ATmega328V (versão de baixa potência do ATmega328) ( Arduino Duemilanove: É uma Placa baseada no micro controlador ATmega168 ou ATmega328 com um cristal oscilador de 16MHz, possui uma conexão USB padrão ( Arduino Nano: É uma placa pequena e completa é baseado no micro controlador ATmega328 ou ATmega168, possui quase todas as funcionalidades da Duemilanove, porém utiliza uma entrada USB mini-b ( Arduino Diecimila: É uma placa Baseada no micro controlador ATmega168, possui um cristal oscilador de 16MHz porém possuem a metade dos recursos

20 22 de memória flash, SRAM e EEPROM em relação ao Arduino Uno ( Arduino Mini: Originalmente a placa era baseada somente no micro controlador ATmega168 agora existe uma versão com o micro controlador ATmega328 com suporte a 9v de tensão de entrada ( Como pode ser observado no mercado existem diversas placas Arduino que possuem quase que as mesmas características, algumas são diferentes apenas nas suas aplicações como, por exemplo, a placa Arduino LilyPad que é aplicada principalmente em projetos que envolvem tecidos. Este projeto se beneficia da placa Arduino Uno. Esta placa foi escolhida por ser uma das mais atuais, por possuir conexão USB, essa conexão está presente em todos os computadores atuais, é possível acoplar um modulo Bluetooth e possui uma comunidade muito ativa na internet no qual foi muito útil quando surgiram algumas dificuldade durante o desenvolvimento do projeto Arduino Hardware Segundo Mcroberts (2011), a placa do Arduino é composta basicamente de um microprocessador Atmel AVR, um cristal ou oscilador (relógio simples que envia pulsos de tempo em uma frequência especificada, para permitir sua operação na velocidade correta) e um regulador linear de 5 volts. Na Figura 1 é possível observar uma visão frontal do Arduino UNO.

21 23 Figura 1. Visão frontal do Arduino UNO. Fonte: (ARDUINO, 2011) Caracteristicas do Arduino UNO Segundo Banzi (2012), a placa UNO possui um micro controlador ATmega328 com um cristal oscilador de 16MHz, esse micro controlador possui 28 pinos (pernas), esse chip é o principal elemento do Arduino. O Arduino Uno se beneficia de 32KB de memória (com 0,5KB usado pelo bootloader) e o restante para os sketches. Ele possui também 2KB de SRAM e 1KB de EEPROM (ARDUINO, 2011). O Arduino Uno pode ser alimentado através da conexão USB ou com uma fonte de alimentação externa. A seleção da alimentação ocorre de forma automática. A fonte externa pode operar de 6 a 20 volts, porém é aconselhado utilizar de 7 a 12 volts, pois se utilizar menos de 7V o pino de 5V pode fornecer menos de 5V e a placa pode se comportar de forma instável e se utilizar mais do que 12V, o regulador de voltagem pode superaquecer e danificar a placa (ARDUINO, 2011). O micro controlador ATmega328 possui 28 pinos (pernas), desses 28 pinos, 14 pinos (0-13) são digitais que podem ser utilizados como entrada ou saída. Eles operam a 5 volts. Cada pino pode fornecer ou receber no máximo 40 ma, 6 pinos (0-5) são de entrada analógica, ou seja, esses valores são leituras de tensão de um sensor e são convertidos em um número inteiro entre 0 e 1023 e possui 6 pinos de saída analógica (3, 5, 6, 9, 10 e 11) que podem ser utilizados com o sketch criado no IDE (ARDUINO, 2011).

22 24 A comunicação com o Arduino Uno através de um computador é simples, ele possui uma conexão USB que ao ser instalado no computador aparece para o software como uma porta COM virtual. O firmware 16U2 usa os drivers padrão COM USB, não é necessário um driver externo, porém no Microsoft Windows se faz necessário um arquivo de extensão inf que possui as informações de funcionamento para o sistema operacional Microsoft Windows (ARDUINO, 2011). Na Tabela 1 é possível observar as características do Arduino Uno. Tabela 1. Especificação Arduino Uno Fonte: adaptado de (ARDUINO, 2011). Caracteristicas Descrição Micro controlador ATmega328 Tensão de funcionamento 5V Tensão de entrada (recomendado) 7-12V Tensão de entrada (limites) 6-20V Pinos digitais de entrada e saída 14(6 fornece uma saída PWM) Pinos de entrada analógica 6 Corrente DC por pino de entrada ou saída 40 ma Corrente 3.3V para cada pino 50 ma Memória Flash 32 KB (ATmega328), dos quais 0,5KB utilizado pelo bootloader SRAM 2KB (ATmega328) EEPROM 1KB (ATmega328) Cristal/Oscilador 16 MHz O Arduino possui diversas Shields. Shields são implementações que dão novas funcionalidades ao Arduino, por exemplo, o Arduino Uno nativamente não possui característica de estabelecer uma conexão Bluetooth com outro dispositivo, porém, se adicionarmos um módulo Bluetooth desenvolvido especialmente para o Arduino, o Arduino passa a possuir essa característica e consegue estabelecer uma conexão Bluetooth com qualquer outro dispositivo. Nesse projeto foi utilizado o modulo HC-06, esse Shield adiciona a funcionalidade de conexão Bluetooth ao Arduino UNO Arduino Software (IDE) Segundo Banzi (2012), o Integrated Development Environment (IDE) é um programa especial executado no computador que permite a criação de Sketches para placa Arduino em uma linguagem simples, modelada a partir da linguagem processing (

23 25 A IDE é utilizada para escrever um Sketch (programa para o Arduino). Quando o programa está pronto é necessário enviar o código fonte para a placa. Para enviar é executado o comando de upload (enviar o Sketch para o Arduino) e o código do programa é traduzido para a linguagem C que por sua vez passa pelo compilador avr-gcc. O compilador é a parte responsável por transformar o programa antes escrito em linguagem de alto nível para a linguagem de baixo nível Assembly, o Assembly pode ser compreendida e executada pelo microprocessador do Arduino (BANZI, 2012) Sketch Sketch é o nome de um programa para Arduino. É o código fonte que é carregado e executado em uma placa Arduino. A linguagem de programação do Arduino é simples a sua sintaxe se assemelha muito ao C++ e ao Java. Um Sketch possui duas funções básicas e necessárias para que o Arduino funcione, o void setup() e o void loop(), no void setup() devesse colocar todo o código que se deseja executar apenas uma vez, pois essa função é executada apenas durante a inicialização da placa Arduino e o void loop() deve possuir todo o núcleo do programa pois essa função é executada repetidamente pelo Arduino, o void loop() permanece em execução até que a placa Arduino seja desligada. Além dessas duas funções obrigatórias para que o Arduino funcione, pode-se criar novas funções, que por sua vez, podem ser chamadas durante a execução do bloco void loop() (MCROBERTS, 2011). 2.2 Atuadores Segundo Banzi (2012), atuadores são componentes eletrônicos que permitem a um equipamento eletrônico interagir com o mundo real. O Arduino é capaz apenas de processar sinais elétricos e não luz, temperatura do ambiente entre outros dados do nosso meio físico. Para que o Arduino possa processar esse tipo de informação é necessário que algum dispositivo converta esses dados físicos em pulsos elétricos. Banzi (2012) cita como exemplo, os olhos humanos, que são capazes de converter a luz em sinais que são enviados ao cérebro por meio de nervos. Nesse caso na eletrônica é utilizado um dispositivo simples, chamado de resistor dependente de luz (light-dependent resistor, ou LDR) que é capaz de medir a quantidade de luz que o atinge e transmitir esses dados como um sinal elétrico que pode ser processado pelo Arduino.

24 26 No projeto foram utilizados dois tipos de atuadores que podem interagir com o meio físico, um motor de corrente continua (CC/DC) e um servomotor. Esses dois atuadores são responsáveis pela movimentação e direção do veículo. A principal característica de um motor elétrico é transformar energia elétrica em mecânica que é capaz de movimentar objetos. Motores elétricos em geral giram em uma velocidade muito alta e um torque muito baixo. Para inverter essa relação, o motor deve ser ligado a uma caixa de redução para produzir uma nova saída que gira mais devagar, porém, com um torque maior. O servomotor possui características diferentes de um motor de corrente continua, esse tipo de motor consegue girar em uma liberdade de 0º a 180, porém, com um controle preciso. Esse tipo de motor é muito utilizado em aeromodelos e automodelos. Nesse projeto foi utilizado o servomotor para controlar a direção do veiculo (BRAGA, 2013). 2.3 Ponte H No projeto, o motor de corrente contínua é acionado nos dois sentidos, pois o veiculo se move para frente e para trás. Portanto há a necessidade de controlar o sentido da corrente fornecida para que possa ser invertido o sentido de rotação do motor. Esse controle é feito pela ponte H (Figura 2) que controla o sentido da corrente através da disposição de quatro chaves eletrônicas. Figura 2. Esquema de Ponte H. Fonte: (Patsko, 2006)

25 27 Segundo Patsko (2006), a ponte H é um dos circuitos mais importantes na elaboração de sistemas automatizados, pois, trata-se de um circuito utilizado para controlar um motor CC/DC a partir de um microcontrolador. Para fornecer corrente elétrica as chaves se fecham de duas em duas, de tal forma que a fonte e o terra estejam em posições alternadas dos pólos do motor. Como pode ser observado na Figura 3 a representação de uso de uma Ponte H. Figura 3. Representação de uso de uma Ponte H. Fonte: (PATSKO, 2006) Para frear o motor podem-se utilizar dois métodos, o mais eficiente é acionar as duas chaves superiores ou as duas chaves inferiores. Ao acionar as duas chaves superiores ou as inferiores irão causar um "curto-circuito" no motor e a tensão que gera no motor força-o a girar na direção oposta, fazendo com que ele pare quase que instantaneamente. O método menos eficiente é o de fechar todas as chaves ao mesmo tempo. Ao fazer isso o circuito será desligado, caso o motor esteja rodando ele irá parar suavemente, pois freará a partir da força do atrito que está ocorrendo. Patsko (2006) faz observação de tomar cuidado para não acionar simultaneamente as chaves de um mesmo lado do "H", pois isso faz com que o fluxo de corrente vá direto do pólo positivo para o negativo, causando um curto-circuito fatal para a fonte de alimentação e para os componentes eletrônicos envolvidos no circuito. 2.4 Modulação por Largura de Pulso (PWM) Um dos objetivos deste trabalho foi controlar a velocidade do veículo. Foi necessário controlar o número de giros do motor, ou seja, controlar a velocidade com que o motor de

26 28 CC/DC gira. Para isso foi preciso que a tensão fornecida para o motor fosse variável. Inicialmente, utilizando apenas os sinais digitais, não é possível, pois funciona com zero ou tensão máxima. Para atingir esse objetivo foi utilizada uma técnica chamada pulse width modulation (PWM), ou modulação por largura de pulso. De uma forma simplificada o PWM trata-se de uma técnica para controle de potência em cargas elétricas. Seu principio de funcionamento é baseado em um circuito formado por um interruptor de ação muito rápida e uma carga a ser controlada (BRAGA, 2011). Figura 4. Representação da técnica de controle de potência PWM. Fonte: (GHIRARDELLO, 2008) O circuito da Figura 4 possui uma potência aplicada a uma carga e um interruptor para controlar a potência, quando o interruptor está aberto a potência aplicada na carga é zero, quando o interruptor estiver fechado a potencia aplicada na carga é máxima. A ideia do PWM é controlar a potência com o interruptor, fazer com que ele abra e fecha em um tempo controlado, se o interruptor ficar a metade do tempo aberto e a outra metade do tempo fechado à potência que será aplicada é de 50% (GHIRARDELLO, 2008). Figura 5. Onda da potência controlada pelo interruptor de ação rápida. Fonte: (GHIRARDELLO, 2008) Na Figura 5 o t representa o ciclo completo da potência, o t1 representa o tempo do ciclo em que o interruptor está fechado e o t2 representa o tempo do ciclo em que o

27 29 interruptor está aberto, como a largura do pulso do t1 e t2 é igual, o total do ciclo ativo será de 50%. 2.5 Bluetooth A tecnologia Bluetooth está disponível em vários equipamentos. Essa tecnologia permite recursos comparáveis aos de redes convencionais, como comunicação em grupo, integração com redes que usam endereçamento IP e por isso possibilita o uso em redes locais e internet. Harald Bluetooth Blatand foi um viking rei da Dinamarca, entre 940 a 981 d.c. O apelido Bluetooth (dente azul) deveu-se à coloração azulada de sua arcada dentária e foi escolhido para denominar a tecnologia de mesmo nome por ter sido um unificador que usava o diálogo como estratégia. (RUFINO, 2011). Segundo Rufino (2011), o Bluetooth foi idealizado para ser uma rede de baixo custo, baixa complexidade e pouca potência, para cobrir curtas distâncias. Da mesma forma que as outras tecnologias, o Bluetooth envolve especificações de hardware e software e utiliza a frequência 2,4 GHz, portanto sofre com os mesmos problemas de interferência às outras tecnologias que compartilham as mesmas faixas de radiofrequência. É muito comum encontrar essa tecnologia em celular, notebook, microfones, fones de ouvido e até mesmo impressoras. O protocolo do Bluetooth foi definido para transmitir dados e voz. Existem 3 classes de Bluetooth, cada uma possui suas características como pode ser observado na tabela 2. Tabela 2. Potências e área de cobertura. Fonte: adaptado do livro (RUFINO, 2011) Classe Potência max. (mw) Potência max. (Dbm) Área de cobertura estimada Classe metros ou mais Classe 2 2, metros Classe centímetros Pela sua similaridade com as redes sem fio convencionais atuais, as redes Bluetooth também estão expostas aos mesmos riscos: ataque de negação de serviço, captura e escuta de tráfego, entre outros.

28 30 Segundo Rufino (2011), A segurança mais comum na comunicação entre os dispositivos é a autenticação com uma senha numérica denominada PIN, esse procedimento é trivial no que diz respeito à segurança e, pode ser facilmente burlado já que não existe, nesse nível, nenhum registro de acesso, o que complica a realização de auditoria nessa tecnologia. Ainda segundo Rufino (2011), Redes e conexões que utilizam tecnologia Bluetooth ainda não são comuns. Porém existem hoje condições necessárias para que essas redes sejam montadas, pois essa tecnologia está disponível na maioria dos equipamentos que são adquiridos hoje. À medida que esse padrão se tornar mais popular e as redes sejam efetivamente criadas, certamente surgirão aplicações para autenticação, segurança e auditoria desses ambientes. 2.6 Acelerômetro Hoje em dia todos os smartphones são equipados com um chip capaz de informar precisamente quando o smartphone sofre uma mudança na sua orientação. Por isso o Sistema Operacional do smartphone sabe quando mostrar a imagem horizontalmente ou verticalmente. Esse chip é conhecido como Acelerômetro. Uma das principais funcionalidades do acelerômetro em smartphones é para a mudança de orientação da tela e para jogos em geral, como por exemplo, um jogo de corrida, onde, o usuário guia o carro no jogo utilizando os mesmo movimentos de um volante real, ou seja, com o smartphone na mão inclinando para direita e para a esquerda. O acelerômetro também pode controlar outras funções do smartphone, como realizar chamadas ou até mesmo o bloqueio da tela. Smartphones equipados com acelerômetro são capazes de detectar variação de velocidade nos três eixos (X, Y e Z), ou seja, em qualquer direção. O acelerômetro é um componente bastante compacto e com um custo baixo para os fabricantes. Na Figura 6 é possível observar a demonstração do acelerômetro com a funcionalidade de orientação da tela.

29 31 Figura 6. Demonstração do acelerômetro com a funcionalidade de orientação da tela. Fonte: (MORIMOTO, 2010) Segundo Hammack (2012) o acelerômetro possui duas noções básicas de funcionamento, primeiro um tubo anexado ao objeto cuja aceleração quer medir e um peso, que embora amarrado ao tubo, ainda pode se mover. Para calcular a orientação nos três eixos (X, Y e Z) é só utilizar três tubos (Figura 7), um para cada orientação que deseja medir, nos smartphones a implementação é mais complexa, porém possui os mesmos elementos fundamentais implementados de uma forma diferente. Figura 7. Exemplo com três tubos, um em cada eixo (X, Y e Z). Fonte. (HAMMACK, 2012)

30 32 Existem vários tipos de acelerômetros, os mais usados atualmente são os baseados em dispositivos eletromecânicos ("micro electro-mechanical systems" ou MEMS) que incluem uma série de estruturas similares a agulhas (Figura 8), que detectam os movimentos, gerando as leituras que são transmitidas ao circuito principal (HAMMACK, 2012). Figura 8. Imagem interna de um acelerômetro. Fonte. (MORIMOTO, 2010) 2.7 Android O mercado de celulares está crescendo cada vez mais, em 2010 estudos já apontavam que mais de 3 bilhões de pessoas possuíam aparelhos celulares. O mercado corporativo também está crescendo muito e diversas empresas estão buscando incorporar aplicações móveis a seu dia-a-dia para agilizar seus negócios, empresas obviamente visam lucro e mais lucro, e os celulares e smartphone estão ocupando um importante espaço em um mundo onde a palavra mobilidade está cada vez mais conhecida (LECHETA, 2010). As empresas e os desenvolvedores buscam uma plataforma moderna e ágil para o desenvolvimento de aplicações coorporativas para auxiliar em seus negócios e lucros. Já os usuários comuns buscam um celular com um visual elegante e moderno, de fácil navegação e com uma infinidade de recursos. Quando a Google anunciou o sistema operacional Android causou um grande impacto, atraindo atenção de muita gente, entretanto não é apenas a Google que está envolvido no projeto e sim um grupo formado por grandes empresas do mercado de telefonia como a Motorola, LG, Samsung, Sony Ericsson entre outras que juntas formam o grupo Open Handset Alliance (OHA) (LECHETA, 2010).

31 33 A arquitetura do sistema operacional Android é muito flexível e seu desenvolvimento foi focado na integração. O Android permite, por exemplo, a integração de aplicações desenvolvidas por usuários com aplicações nativas ou até mesmo substituir qualquer aplicação nativa por uma aplicação desenvolvida por qualquer usuário. Não existe diferença entre uma aplicação nativa e uma desenvolvida por usuário comum. Figura 9. Arquitetura do sistema Android Fonte: (PRADO, 2011) Android possui: Na Figura 9 é possível observar as diversas camadas que o sistema operacional A camada de aplicação é a camada mais alta da arquitetura do sistema, composta pelo conjunto de aplicativos nativos do sistema, como por exemplo, calendário, mapas, browser de internet, despertador, jogos, entre outros(redação OFICINANET, 2010). A camada de Framework disponibiliza aos desenvolvedores as mesmas APIs (Application Programming Interface, Interface de Programação de Aplicativos) usadas para criar as aplicações originais do sistema(redação OFICINANET, 2010).

32 34 A camada de biblioteca inclui uma coleção de bibliotecas C/C usadas pelos componentes do sistema, essas bibliotecas são acessadas pelos programadores via Java, através do framework do sistema. Essas bibliotecas são responsáveis por prover funcionalidades para manipulação de áudio, vídeo, gráficos, banco de dados e navegador(redação OFICINANET, 2010). A camada Android Runtime permite que cada processo rode sua própria instância da maquina virtual. Apesar do desenvolvimento de aplicativos serem em Java, as aplicações não são executadas em uma maquina virtual Java tradicional, e sim em outra chamada de Dalvik, essa maquina virtual é otimizada especialmente para dispositivos moveis(redação OFICINANET, 2010). A última camada do sistema é a camada do kernel. O kernel foi desenvolvido baseado no kernel 2.6 do Linux, e é responsável por gerenciar a memória, os processos, threads e a segurança dos arquivos, além de redes e drivers. Toda a segurança do Android é baseada na segurança do Linux, cada aplicação é executada em um único processo e cada processo por sua vez possui uma thread dedicada. Para cada aplicação instalada no celular é criado um novo usuário no sistema operacional para ter acesso a sua estrutura de diretórios. Desta forma nenhum outro usuário pode ter acesso a esta aplicação (REDAÇÃO OFICINANET, 2010). Segundo Schemberger, Freitas e Vani (2009), a anatomia de aplicações para o sistema operacional Android é dividida em quatro módulos, activity, intent receiver, service e content provider. Activity: É o módulo mais comum de uma aplicação Android. Refere-se a uma tela da aplicação e é implementada como uma única classe que deriva da classe base activity; Intente receiver: Usado quando se deseja que a aplicação reaja a algum evento externo (o telefone tocar, internet disponível ou um alarme). Este módulo através da classe notificationmanager avisar o usuário que tal evento ocorreu;

33 35 service: Um service é o código que é executado durante toda a aplicação, sem a necessidade de uma interface com o usuário, como por exemplo, tocadores de música); content provider: Esse módulo é utilizado para que as aplicações possam armazenar suas informações quando necessário em uma base SQLite. Aplicações desenvolvidas não necessariamente precisa implementar todos os módulos, mas provavelmente ela terá uma combinação entre dois ou mais deles. 2.8 Trabalhos Similares Nesta seção serão apresentados trabalhos similares que se mostraram relevantes ao projeto, visando facilitar o entendimento analisando a suas dificuldades e extrair possíveis soluções para os problemas encontrados ao longo do desenvolvimento deste projeto. Os trabalhos similares aqui apresentados possuem grande valor para o projeto proposto. Nesses trabalhos foi possível extrair soluções encontradas para problemas que que apareceram no desenvolver do projeto atém de identificar as várias soluções empregadas pelos autores Desenvolvimento de uma aplicação embarcada em celular visando controle de robô via Wi-fi Cruz et al. (2011) mostram um projeto de desenvolvimento de um sistema que permite o controle do robô Wi-fibot Lab, a partir de um celular, usando uma conexão Wi-fi e sensores de movimento (Acelerômetro). O sistema foi desenvolvido para o sistema operacional Google Android, e consiste em captar as informações do Acelerômetro do celular, mapeá-los e gerar comandos de movimentação para o robô. O robô a ser movimentado é o Wifibot Lab, desenvolvido pela empresa francesa Wifibot que é um robô desenvolvido para auxiliar no aprendizado sobre robótica. O Wifibot Lab é composto por quatro rodas motrizes, câmera VGA (Video Graphics Array), sensores infravermelhos, motor, bateria, placa controladora e CPU. A conexão com o robô pode ser estabelecida de duas formas: Infraestrutura ou Ad-Hoc.

34 36 Na conexão Infraestrutura, o robô e o dispositivo móvel se conectam a um ou mais pontos de acesso Wi-fi, e esses agem como intermediadores de mensagens entre o dispositivo (celular) e o robô, enquanto que na conexão Ad-Hoc, o dispositivo se conecta diretamente ao robô via Wi-fi. A principal diferença entre os dois meios de comunicação é à distância, enquanto a conexão Infraestrutura possibilita uma distância maior, pois pode até utilizar a internet para controlar o robô, enquanto que a conexão Ad-Hoc se limita a distância fornecida pela capacidade de propagação do sinal Wi-fi do robô e do dispositivo móvel. O sistema desenvolvido utiliza como intermédio entre o Acelerômetro e a aplicação, um framework para Android chamado Freerunner, esse framework consiste em coletar as informações do Acelerômetro do celular e disponibilizar os dados para o desenvolvedor. O robô possui um protocolo de comunicação que consiste no envio e recebimento de um vetor de caracteres. Cada caractere é responsável por uma função específica no sistema. Existe mais de uma versão deste protocolo de comunicação e cada versão do protocolo escuta uma porta diferente, ou seja, a forma de envio da informação é a mesma, porém, o processamento da informação depende de qual porta a informação foi recebida. O protocolo utilizado no projeto se comunica através de um SOCKET TCP. O robô é o servidor e o cliente é o dispositivo móvel. O canal de comunicação é através da porta via TCP (Transmission Control Protocol), de acordo com o manual de usuário do Wifibot Lab, esse protocolo tem o nome de Protocolo Geral, pois se encarrega de funções básicas do sistema como, movimentação do robô e recebimento de algumas informações dos sensores instalados. O protocolo é simples, são enviados para o robô dois comandos o COMG COMD, onde o COMG é para movimentar a roda direita e o COMD é para movimentar a roda esquerda.

35 37 Figura 10. Informações dos caracteres de envio Fonte: (WIFIBOT LAB, 2010) Na Figura 10, o comando possui oito bits, onde dois bits são destinados para informar se a roda vai girar para frente ou para trás, e os outros seis bits é para o controle da velocidade da roda. Um exemplo de envio para o robô é um vetor, onde o comg tem o valor e o comd, o valor Neste exemplo, as duas rodas se movem para frente, mas com velocidades diferentes, pois a roda esquerda está com velocidade 10 e a roda direita com velocidade 40. Com esses valores o robô faz uma conversão para esquerda, pois a roda direita se movimenta mais rápido que a roda esquerda. Os autores apontaram uma futura melhoria no aplicativo, onde sugeriram adicionar ao software uma forma automática do robô se locomover, ou seja, adaptando o aplicativo para receber fotos da câmera VGA do robô, e o aplicativo utilizar um algoritmo de reconhecimento de padrões na imagem para poder decidir qual o comando correto a ser enviado para o robô Sistema Bluetooth para controle de acessórios veiculares utilizando smartphone com Android No projeto apresentado por Bruno Pereira Passos do Centro Universitário de Brasília como pré-requisito para obtenção de Certificado de Conclusão de Curso de Engenharia de Computação, construiu um protótipo com a utilização de um smartphone com Android para a realização do destravamento de portas e vidros elétricos, em caso de esquecimento da chave no interior do veiculo, e assim obter acesso ao interior do veículo. O protótipo funciona da seguinte maneira: com o aplicativo Amarino instalado no smartphone com Android, é necessário efetuar uma conexão com o hardware que está acoplado ao protótipo, ou seja, o Amarino efetua um pareamento com o Bluetooth conectado

36 38 ao Arduino e com isso é possível enviar e receber dados. Logo após a fase de conectado é possível utilizar o acelerômetro do dispositivo celular para realização de tarefas previamente determinadas, dependendo de como está o posicionamento do smartphone nos eixos X, Y e Z é que uma possível tarefa se simulação de vidro ou trava poderá ocorrer. Na Figura 11 é possível observar o diagrama de funcionamento do protótipo. Figura 11. Diagrama de funcionamento do protótipo. Fonte: (PASSOS, 2011) Para simular o levantamento do vidro, o autor utilizou uma bandeja de um CD/DVD e a roldana que encaixa a bandeja na estrutura da unidade. Para representar o vidro foi utilizado um acrílico de 7 cm x 5 cm x 4 mm e um servo motor para representar a máquina do vidro para abrir e fechar o vidro, foi estipulado depois de vários testes com o servomotor que o movimento de 0 à 180 graus é para abrir os vidros e de 180 a 0 grau é para fechar o vidro. Na estrutura de simulação da trava elétrica foi utilizado mais um servomotor, para que a simulação funcione conforme o sistema original de um carro. Foi definido que se o braço conectado ao servomotor estiver no ponto de 0º, representará a função de trava fechada e caso ocorra à movimentação do mecanismo e o valor do ângulo for maior que 90º é que representará a função de trava aberta. Para estabelecer uma conexão Bluetooth entre o smartphone e o Arduino, foi acoplado no Arduino o modulo Bluetooth chamado BlueSMIRF Gold da SparkFun Eletronics que possui uma taxa de transmissão bps, no projeto foi utilizado a placa Arduino Duemilanove que é baseada no microcontrolador ATmega328P.

37 39 Para desenvolver o software do Arduino o autor utilizou o Arduino IDE e a sua linguagem própria o Wiring. Wiring é baseada em C e C Tabela dos trabalhos similares correlacionando com o projeto Na Tabela 3, é mostrado um comparativo de itens utilizados nos trabalhos similares correlacionando o projeto do veículo controlado via Bluetooth com Android e Arduino. Tabela 3. Trabalhos similares correlacionando com o projeto Fonte: (O autor) Itens Trabalho 01 Trabalho 02 Projeto Aplicativo próprio Sim Não Sim Utiliza Android Sim Sim Sim Utiliza Bluetooth Não Sim Sim Utiliza Acelerômetro Sim Sim Sim Utiliza motor CC/DC Não Não Sim Nível de velocidade Não Não Sim Utiliza servomotor Não Sim Sim Utiliza Arduino Não Sim Sim Os trabalhos similares apresentados nesse projeto foram de grande ajuda durante todo o desenvolvimento deste projeto. Algumas ideias surgiram durante a leitura dos projetos similares, como por exemplo, a ideia de enviar apenas números para o Arduino surgiu da Figura 12 do trabalho similar 01. No trabalho similar 01 essa figura indica um protocolo utilizado pelo WIFIBOT LAB, cada bit caracteriza um comando para o robô se movimentar. Cada bit é preenchido com 0 ou 1, a combinação deles gera um comando no robô. O trabalho ele é adaptado para a aplicação Android enviar apenas um numero de 0-9, cada numero indica uma ação que o Arduino deve executar. O trabalho similar 02 foi de grande ajuda na hora de implementar o controle do servomotor, pois o projeto disponibiliza o código fonte utilizado na aplicação Arduino que o autor desenvolveu. É possível citar algumas vantagens e desvantagens em relação aos trabalhos similares, por exemplo, o trabalho 02 não possui uma aplicação própria, o autor utilizou uma aplicação chamada Amarino para interagir com o Bluetooth. A desvantagem é que o Amarino envia as informações muito genéricas para o Arduino que pode ser utilizada por diversas