O documento fornece uma introdução às interfaces físicas para dispositivos móveis, abordando conceitos como computação física, alternativas de interfaces como Arduino e Amarino, e protocolos de comunicação serial.

1. interfaces físicas para dispositivos móveis
Tiago Barros | tiago@tiagobarros.org

2. Apresentação
Tiago Barros - @tgfb
Mestre em Ciência da Computação, UFPE / 2007
B.Sc. Ciência da Computação, UFPE / 2003
Tec. Eletrônica, ETFPE / 1998
Engenheiro de Sistemas Sênior do C.E.S.A.R
Especialista 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).
2

3. 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
3

4. Pré-requisitos
• desenvolvimento de aplicativos Android
4

5. computação física

6. computação física
• 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
6

7. computação física
• 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
7

8. computação física
como vemos os
computadores?
8

9. computação física
como vemos os computadores?
• teclado
• mouse
• monitor
• CPU
• caixas de som
9

10. computação física
como os
computadores
nos veem?
10

11. computação física
como os computadores nos veem?
• dedos
[teclado/mouse]
• olho
[monitor]
• duas orelhas
[caixas de som]
reflexo das entradas e saídas do computador
11

12. computação física
“mudar a forma que os
computadores nos veem
mudará como eles
interagem conosco”
Tom Igoe – Physical Computing
12

13. Perguntas
13

14. sistemas computacionais reativos

15. sistemas computacionais reativos
percepção do ambiente, recebendo estímulos
atavés de sensores;
e reação aos estímulos, de acordo com o seu
comportamento (software), através de
atuadores.
15

16. sistemas computacionais reativos
comunicação entre redes de sensores e
atuadores para formar um ambiente dinâmico e
interativo
interação de sensores e atuadores com
dispositivos móveis
16

17. interfaces físicas para dispositivos móveis

18. interfaces físicas para dispositivos móveis
comunicação
micro-controlador
sensor sensor
atuador
18

19. interfaces físicas para dispositivos móveis
android
19

20. interfaces físicas para dispositivos móveis
comunicação
micro-controlador
sensor sensor
atuador
20

21. interfaces físicas para dispositivos móveis
arduino micro-controlador
sensor sensor
atuador
21

22. interfaces físicas para dispositivos móveis
comunicação
micro-controlador
sensor sensor
atuador
22

23. interfaces físicas para dispositivos móveis
comunicação
amarino = +
23

24. plataforma arduino

25. plataforma arduino
• microcontrolador Atmel
• programação usando Wiring (subconjunto de
processing, baseado em C/C++)
• open-source: evolução da plataforma através
de contribuições dos usuários
25

26. plataforma arduino - hardware
lilypad
mini
boarduino uno
paperduino mega
pro
26

27. plataforma arduino - hardware
• portas
• 14 entradas/saídas digitais
• 6 entradas analógicas
• memória
• RAM: 1K
• Flash (programa): 16k – 2k (bootloader)
• velocidade de processamento: 16MHz
27

28. plataforma arduino – hardware
28

29. plataforma arduino - instalação
• driver
windows: FTDI Serial USB
linux: não precisa instalar nada :-)
• software
é só descompactar e executar
29

30. plataforma arduino - instalação
• Selecionando a placa e a porta serial
30

31. plataforma arduino – ambiente
compilar
exibir serial
(verif. programa)
área de código
parar execução
novo
abrir
salvar
enviar programa
para placa área de status
31

32. plataforma arduino – ciclo de vida
escrever
corrigir erros compilar
enviar para placa
corrigir erros
verificar execução
32

33. atuadores

34. plataforma arduino – estrutura do sketch
34

35. 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
35

36. plataforma arduino – linguagem
• Exemplos
• pinMode(num_do_pino, OUTPUT);
• digitalWrite(num_do_pino, valor);
valor é LOW ou HIGH (0 ou 1, 0V ou 5V)
• delay(milisegundos);
36

37. plataforma arduino – linguagem
• 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
37

38. atividade
prática!
38

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 :-)
39

40. plataforma arduino – hello arduino
40

41. Perguntas
41

42. protocolos de comunicação

43. 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
43

44. comunicação serial – RS232
• o arduino possui uma biblioteca que
implementa comunicação serial
• Serial.begin();
• Serial.print();
• Serial.read();
44

45. comunicação serial – RS232
• Leds
• TX: dados enviados
para o PC
• RX: dados
recebidos do PC
45

46. atividade
prática!
46

47. comunicação serial - prática
“Hello Arduino” via serial
47

48. comunicação serial - prática
48

49. Perguntas
49

50. bibliotecas do arduino

51. bibliotecas do arduino
• 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)
51

52. bibliotecas do arduino
• as bibliotecas são
geralmente disponibilizadas
como um zip que deve ser
descompactado dentro da
pasta libraries do
Arduino.
52

53. bibliotecas do arduino
• 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
53

54. plataforma amarino

55. 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/
55

56. 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)
56

57. plataforma amarino
• Instalação
• Instalar a aplicação amarino e o plugin
bundle no dispositivo android, para os
primeiros testes
Amarino Plugin bundle
57

58. mais prática!
58

59. eletrônica – protoboard
• antes disso:
• Protoboard
59

60. eletrônica – jumpers
• jumpers
60

61. atividade
prática!
61

62. prática
• Testando a comunicação
62

63. prática – código exemplo
63

64. prática
• aplicação Amarino 2.0
64

65. prática
• aplicação Amarino 2.0
65

66. prática
• aplicação Amarino 2.0
66

67. prática
• aplicação Amarino 2.0
67

68. prática
• aplicação Amarino 2.0
68

69. Perguntas
69

70. 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.
70

71. 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.
71

72. 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.
72

73. 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.
73

74. atividade
prática!
74

75. 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
75

76. Perguntas
76

77. voltando ao
arduino...
77

78. conceitos básicos de eletricidade

79. eletricidade
universo formado de átomos
partículas atômicas:
prótons: cargas positivas
elétrons: cargas negativas
eletricidade - interação entre partículas atômicas
79

80. eletricidade
“elétron extra”
“buraco”
Atomos com mais elétrons que
prótons estão carregados
negativamente (íon negativo)
Atomos com menos elétrons que
prótons estão carregados
positivamente (íon positivo)
80

81. eletricidade
cargas iguais se repelem cargas opostas se atraem
S N
cargas em movimento campo magnético em
geram campo magnético movimento
gera corrente elétrica
81

82. eletricidade – condutores e isolantes
condutor – permite o fluxo de elétrons
isolante – evita a passagem de elétrons
82

83. eletricidade – diferença de potencial (v)
cargas positivas
diferença de potencial V
ou tensão.
cargas negativas
quanto maior a tensão, mais “força” teem os elétrons
83

84. eletricidade – corrente elétrica (i)
fluxo de elétrons em um condutor
quanto maior a corrente,
maior a “quantidade” de elétrons
84

85. eletricidade – tipos de corrente elétrica
corrente contínua
corrente alternada
85

86. eletricidade – tipos de corrente elétrica
mesma polaridade no tempo (sentido continuo)
inversão de polaridade no tempo
86

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)
87

88. eletricidade – lei de ohm
V=RxI
V
R = V/I
R I I = V/R
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)
88

89. eletricidade – circuito elétrico
carga
[consumidor]
+
R
gerador V
[fonte]
–
condutor i
[caminho]
89

90. Perguntas
90

91. atuadores

92. plataforma arduino – linguagem
• comandos básicos
• analogWrite() – escreve um valor analógico no pino
• analogWrite(num_pino, valor);
valor entre 0 e 255
92

93. 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
93

94. atividade
prática!
94

95. antes disso
mais um pouco
de eletrônica...
95

96. eletrônica – resistores
oferecem resistência à passagem da corrente elétrica
resistência:
fixo
variável
tipos:
carvão [carbono]
filme
fio
transformam energia elétrica em energia térmica
[pode ser usado como atuador]
96

97. eletrônica – resistores
valores expressos em ohms
o corpo dos resistores possui um código de cores para identificar o
valor
97

98. agora sim,
prática!
98

99. prática
• acender o LED com a intensidade de brilho
correspondente ao valor enviado pelo evento de
teste do android
99

100. prática
• circuito
Figura retirada de http://arduino.cc/
100

101. prática
• esquemático
Figura retirada de http://arduino.cc/
101

102. prática
• protoboard
Figura retirada de
http://www.multilogica-shop.com/Aprendendo/Exemplos/Fading
102

103. Perguntas
103

104. sensores

105. sensores – chave (switch/button)
• interrompe a passagem da corrente elétrica
• liga/desliga o circuito
• sensor de toque
esquemático
105

106. plataforma arduino – linguagem
• Comandos
• digitalRead() – le um pino de entrada
• Exemplo:
• int chave = 0;
• chave = digitalRead(num_do_pino);
106

107. sensores
arduino lê tensões de
entrada (e não valores 0 e 1)
5 volts == HIGH (1)
0 volts == LOW (0)
sem conexão em um
pino, a entrada flutua
entre 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)
107

108. atividade
prática!
108

109. sensores - prática
• fazer o circuito e o programa para enviar ao
dispositivo android o valor do sensor lido
109

110. sensores - prática
• esquemático
Figura retirada de http://arduino.cc/
110

111. sensores - prática
• protoboard
111

112. Perguntas
112

113. voltando à
eletrônica...
113

114. eletrônica – sinais analógicos e digitais
sinal com variação
discreta (valores
pré-definidos)
sinal com
variação
contínua no
tempo
114

115. eletrônica – conversão de sinais
valor é lido em intervalos regulares de tempo e
transformado em um número digital
115

116. eletrônica – conversão de sinais
vários valores, não só HIGH e LOW. quantiade de
valores é a resolução.
116

117. eletrônica – conversão de sinais
resolução de 8 bits = 256 valores
resolução de 16 bits = 65536 valores
117

118. eletrônica - resistores
• Como funciona um resistor variável?
• no arduino, o valor da tensão é transformado
em um valor digital entre 0 e 1023
118

119. atividade
prática!
119

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.
120

121. sensores analógicos – prática
• esquemático
Figura retirada de http://arduino.cc/
121

122. sensores analógicos – prática
• circuito
Figura retirada de http://arduino.cc/
122

123. Perguntas
124

124. biblioteca amarino para android

125. 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
126

126. 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
127

127. atividade
prática!
128

128. 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
129

129. Perguntas
130

130. eletrônica – resistores LDR
• resistor variável sensível à luz
131

131. 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
132

132. atividade
prática!
133

133. entrada analógica - prática
ler valores do LDR e enviar para o dispositivo
android
134

134. Perguntas
135

135. atuadores sonoros

136. 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
137

137. 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
138

138. 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
139

139. atuadores sonoros
1 segundo
• para fazer o atuador
baixa frequência
vibrar, escrevemos no
pino uma sequência de
valores HIGH e LOW,
tantas vezes por segundo período
quanto for a frequência
da nota alta frequência
• o tempo de cada
variação HIGH e LOW é
período
chamada de período e é
o inverso da frequência
140

140. 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);
}
}
141

141. 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
142

142. 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
...
143

143. 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
144

144. atividade
prática!
145

145. atuadores sonoros - prática
• Tocar uma nota ao
receber um evento do
android
146

146. perguntas?
147

147. 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
148

148. projeto
149

149. projeto da disciplina
• desenvolver um dispositivo interativo que
utilize os conceitos aprendidos.
150

150. Obrigado!