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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
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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
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
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.
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.
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)
RESUMO
POTRICH, Jean Carlos. Veículo controlado via Bluetooth com Android e Arduino. Itajaí, 2013. 76. 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, 2013. 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
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.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Visão frontal do Arduino UNO. ................................................................................ 23�Figura 2. Esquema de Ponte H. ................................................................................................ 26�Figura 3. Representação de uso de uma Ponte H. .................................................................... 27�Figura 4. Representação da técnica de controle de potência PWM.......................................... 28�Figura 5. Onda da potência controlada pelo interruptor de ação rápida. .................................. 28�Figura 6. Demonstração do acelerômetro com a funcionalidade de orientação da tela. .......... 31�Figura 7. Exemplo com três tubos, um em cada eixo (X, Y e Z). ............................................ 31�Figura 8. Imagem interna de um acelerômetro. ........................................................................ 32�Figura 9. Arquitetura do sistema Android ................................................................................ 33�Figura 10. Informações dos caracteres de envio....................................................................... 37�Figura 11. Diagrama de funcionamento do protótipo............................................................... 38�Figura 12. Visão geral do veículo controlado via Bluetooth .................................................... 42�Figura 13. UC01.01 Funcionamento do veículo controlado via Bluetooth .............................. 43�Figura 14. Diagrama de atividade do UC01.01 Funcionamento do veículo controlado via
Bluetooth .......................................................................................................................... 44�Figura 15. Com a repulsão o motor tende a girar ..................................................................... 45�Figura 16. Circuito elétrico do motor CC/DC .......................................................................... 46�Figura 17. Diagrama de bloco CI L293D ................................................................................. 47�Figura 18. Visão geral dos pinos do CI L293D ........................................................................ 47�Figura 19. Movimentos do servo em função do sinal recebido ................................................ 49�Figura 20. Exemplo de um servomotor .................................................................................... 50�Figura 21. Instalação elétrica do servomotor............................................................................ 50�Figura 22. Adaptação do servomotor ....................................................................................... 51�Figura 23. Modulo Bluetooth HC-06 ....................................................................................... 52�Figura 24. Conexão física do modulo HC-06 com o Arduino.................................................. 52�Figura 25. Esquemático do circuito do projeto ........................................................................ 53�Figura 26. Visão geral da aplicação Android ........................................................................... 54�Figura 27. Diagrama de estado da aplicação Android .............................................................. 55�Figura 28. Conexão para configurar o módulo HC-06 ............................................................. 57�Figura 29. Visão geral da aplicação Arduino ........................................................................... 58�Figura 30. Diagrama de estado da aplicação Arduino .............................................................. 59�Figura 31. Angulação do braço do servomotor ........................................................................ 60�Figura 32. Posição do smartphone para o veículo ficar parado ................................................ 61�Figura 33. Virar para a direita nível 1 ...................................................................................... 61�Figura 34. Virar para a direita nível 2 ...................................................................................... 62�Figura 35. Virar para a esquerda nível 1 .................................................................................. 62�Figura 36. Virar para a esquerda nível 2 .................................................................................. 63�Figura 37. Andar para frente nível 1......................................................................................... 63�Figura 38. Andar para frente nível 2......................................................................................... 64�Figura 39. Andar para frente nível 3......................................................................................... 64�Figura 40. Andando para trás ................................................................................................... 65�Figura 41. Gráfico com trecho percorrido para o teste de virar para direita ............................ 66�
LISTA DE TABELAS
Tabela 1. Especificação Arduino Uno ...................................................................................... 24�Tabela 2. Potências e área de cobertura. ................................................................................... 29�Tabela 3. Trabalhos similares correlacionando com o projeto ................................................. 39�Tabela 4. Opções do CI L293D ................................................................................................ 48�Tabela 5. Níveis de velocidade do veículo ............................................................................... 56�Tabela 6. Valores em bauds ...................................................................................................... 57�Tabela 7. Códigos enviados para o Arduino............................................................................. 60�
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
3G Terceira Geração 4G Quarta Geração EDGE Enhanced Data Rates for Global Evolution PWM Pulse Width Modulation TTC Trabalho Técnico-Científico de Conclusão de Curso UNIVALI Universidade do Vale do Itajaí Wi-Fi Wireless Fidelity
SUMÁRIO
1� INTRODUÇÃO ........................................................................................ 15�1.1� PROBLEMATIZAÇÃO .......................................................................... 16�1.1.1� Formulação do Problema ............................................................................... 16�1.1.2� Solução Proposta ............................................................................................. 17�1.2� OBJETIVOS ............................................................................................. 17�1.2.1� Objetivo Geral ................................................................................................. 17�1.2.2� Objetivos Específicos ...................................................................................... 17�1.3� METODOLOGIA .................................................................................... 18�1.4� ESTRUTURA DO TRABALHO ............................................................ 18�2� FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA .......................................................... 20�2.1� ARDUINO ................................................................................................. 20�2.1.1� Arduino Hardware.......................................................................................... 22�2.1.2� Arduino Software (IDE) ................................................................................. 24�2.2� ATUADORES ........................................................................................... 25�2.3� PONTE H .................................................................................................. 26�2.4� MODULAÇÃO POR LARGURA DE PULSO (PWM) ....................... 27�2.5� BLUETOOTH .......................................................................................... 29�2.6� ACELERÔMETRO ................................................................................. 30�2.7� ANDROID ................................................................................................. 32�2.8� TRABALHOS SIMILARES ................................................................... 35�2.8.1� Desenvolvimento de uma aplicação embarcada em celular visando controle de robô via Wi-fi ......................................................................................... 35�2.8.2� Sistema Bluetooth para controle de acessórios veiculares utilizando smartphone com Android ......................................................................................... 37�2.9� TABELA DOS TRABALHOS SIMILARES CORRELACIONANDO COM O PROJETO ........................................................ 39�3� Desenvolvimento ....................................................................................... 41�3.1� REQUISITOS FUNCIONAIS ................................................................ 41�3.2� FUNCIONAMENTO DO VEÍCULO CONTROLADO VIA BLUETOOTH ........................................................................................................... 42�3.3� MOVIMENTAR E CONTROLAR A DIREÇÃO DO VEÍCULO ..... 45�3.3.1� Motor CC/DC .................................................................................................. 45�3.3.2� Circuito Integrado L293D .............................................................................. 46�3.3.3� Servomotor ...................................................................................................... 48�3.3.4� Bluetooth .......................................................................................................... 51�3.3.5� Montagem eletrônica ...................................................................................... 52�3.4� COLETANDO, ENVIANDO E RECEBENDO AS INFORMAÇÕES. ..................................................................................................... 53�3.4.1� Aplicativo smartphone ................................................................................... 53�3.4.2� Configurando o módulo Bluetooth ................................................................ 56�
3.4.3� Aplicação Arduino .......................................................................................... 58�3.5� TESTES DO PROJETO .......................................................................... 60�3.5.1� Veiculo parado ou frear ................................................................................. 60�3.5.2� Virar para direita ............................................................................................ 61�3.5.3� Virar para a esquerda .................................................................................... 62�3.5.4� Andar para frente ........................................................................................... 63�3.5.5� Andando para trás .......................................................................................... 64�3.5.6� Teste de campo ................................................................................................ 65�4� CONCLUSÕES ........................................................................................ 67�4.1� TRABALHOS FUTUROS ...................................................................... 68�APÊNDICE A. SKETCH DO VEÍCULO .............................................. 74�
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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 norte-
americano, 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.
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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 115200 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
1.1.1 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
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Bluetooth e que possa ser guiado por coordenadas de um acelerômetro embarcado em um
smartphone utilizando apenas tecnologia open-source?
1.1.2 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
1.2.1 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.
1.2.2 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.
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1.3 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.
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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.
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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
(www.processing.org). 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,
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 (www.arduino.cc) 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) (http://arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardLilyPad);
• Arduino Duemilanove: É uma Placa baseada no micro controlador ATmega168
ou ATmega328 com um cristal oscilador de 16MHz, possui uma conexão USB
padrão (http://arduino.cc/en/Main/arduinoBoardDuemilanove);
• 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
(http://arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardNano);
• Arduino Diecimila: É uma placa Baseada no micro controlador ATmega168,
possui um cristal oscilador de 16MHz porém possuem a metade dos recursos
22
de memória flash, SRAM e EEPROM em relação ao Arduino Uno
(http://arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardDiecimila);
• 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
(http://arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardMini).
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.
2.1.1 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.
23
Figura 1. Visão frontal do Arduino UNO. Fonte: (ARDUINO, 2011). 2.1.1.1 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).
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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.
2.1.2 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
(www.processing.org).
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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).
2.1.2.1 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.
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)
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
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
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 1 100 20 100 metros ou mais Classe 2 2,5 4 10 metros Classe 3 1 0 10 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.
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.
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)
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).
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)
Na Figura 9 é possível observar as diversas camadas que o sistema operacional
Android possui:
• 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).
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;
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.
2.8.1 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.
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 15020
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.
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
“11001010” e o “comd”, o valor “11101000”. 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.
2.8.2 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
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 115200bps, no projeto foi utilizado a placa Arduino
Duemilanove que é baseada no microcontrolador ATmega328P.
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++.
2.9 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
40
aplicações, ou seja, com o Amarino é necessário tratar as informações recebidas no Arduino.
Ao contrário de uma aplicação própria, onde são enviadas apenas as informações necessárias.
Evitando um código fonte muito extenso no Arduino.
Uma desvantagem em relação ao trabalho 01 é a utilização da tecnologia sem fio
Bluetooth, no trabalho similar 01 o autor utiliza a tecnologia Wi-Fi. A Wi-Fi possibilita enviar
informações a distâncias maiores de forma segura, devido à possibilidade de criptografia e de
forma mais rápida.
41
3 DESENVOLVIMENTO
Nesta seção é demonstrada a modelagem do veículo controlado via Bluetooth. O
projeto apresenta os requisitos funcionais além de abordar o funcionamento geral do veículo,
como acorre à comunicação sem fio, como funcionam seus atuadores, adaptação e montagem
eletrônica na protoboard.
3.1 Requisitos Funcionais
Os requisitos funcionais revelam como o veículo controlado via Bluetooth funciona.
• O veículo deverá movimentar-se num ambiente plano ou com poucas
deformidades;
• O veículo deverá movimentar-se de acordo com as coordenadas fornecidas
pelo acelerômetro do smartphone, ou seja, quando o smartphone for inclinado
para a esquerda o veículo deve virar para a esquerda, quando o smartphone for
inclinado para a direita o veiculo deve virar para a direita, quando o
smartphone for inclinado para cima o veículo deve andar para frente e quando
o smartphone for inclinado para baixo o veículo deve andar para trás;
• Deve ser possível controlar a velocidade do veículo conforme o smartphone
sofrer inclinação, exemplo: quanto mais o smartphone for inclinado para cima
o veículo deve aumentar a velocidade de rotação do motor CC/DC;
• O veículo deverá permanecer parado ou frear quando o smartphone estiver na
posição inicial;
• O veículo deverá ser ligado através de um botão de ignição manual que será
instalado no veículo;
• Para que o veículo possa ser movimentado será necessário parear uma conexão
Bluetooth entre o Arduino e o smartphone;
• O Software do smartphone deverá coletar e processar as coordenadas
fornecidas pelo acelerômetro do smartphone e enviar via Bluetooth para o
Android;
42
• O software do Android deverá receber as informações fornecidas pelo
smartphone e transformar as informações em tensão de saída para movimentar
os atuadores.
3.2 Funcionamento do Veículo controlado via Bluetooth
O veículo é uma plataforma de um carrinho de controle remoto com quatro rodas,
cujas rodas são preservadas. Na estrutura original, o veículo possui dois motores de CC/DC,
um para tração e outro motor CC/DC para a direção, o motor CC/DC da direção foi removido
e uma adaptação na estrutura original foi necessária para possibilitar a instalação de um
servomotor para o veículo possa virar de acordo com a orientação do smartphone. Fez-se
também necessário alterar a plataforma física do veículo para que fosse possível embarcar a
placa Arduino no veículo.
O veículo ao ser ligado através da chave manual fica aguardando a conexão
Bluetooth pelo smartphone. Quando a conexão for estabelecida e o aplicativo Android for
iniciado o veículo irá se movimentar de acordo com a orientação do acelerômetro do
smartphone.
Na Figura 12 é apresentada uma visão geral do funcionamento do veículo controlado
via Bluetooth.
Figura 12. Visão geral do veículo controlado via Bluetooth Fonte: (O autor)
Basicamente o smartphone se conecta através do Bluetooth com o Arduino, a
aplicação do smartphone faz a leitura das coordenadas do acelerômetro, interpreta essas
informações e envia para o Arduino, o Arduino recebe as coordenadas interpretadas pela
43
aplicação do smartphone, transforma as informações em tensão de saída para movimentar os
atuadores conectados ao Android.
Figura 13. UC01.01 Funcionamento do veículo controlado via Bluetooth Fonte: (O autor)
Descrição do cenário do “UC01.01 Funcionamento do veículo controlado via
Bluetooth” exibido na Figura 13.
1) Usuário liga o veículo.
2) Usuário estabelece uma conexão Bluetooth entre o smartphone e o Arduino.
3) Usuário inicia o aplicativo para Android.
4) Usuário clica no botão “menu” do smartphone
5) Usuário clica na opção “Conectar-se a”
6) O aplicativo se conecta ao adaptador Bluetooth pareado
7) O aplicativo Android faz a leitura da saída do acelerômetro, processa as
informações e envia para o Arduino.
8) O aplicativo Arduino faz a leitura da entrada do Bluetooth, processa e aciona os
atuadores.
9) O veículo se movimenta.
10) O aplicativo volta para o passo 4.
Cenários de exceção:
No passo 3, caso o usuário apertar o botão STOP.
3.1) O aplicativo para de enviar as informações do acelerômetro.
No passo 3.1, caso o usuário apertar o botão START.
3.1.1) O aplicativo avança para o passo 4.
No passo 3.1, caso o usuário não apertar o botão START.
3.1.1) O usuário encerra a aplicação.
3.1.2) Encerra o UC01.01.
44
Na Figura 14 é possível observar o diagrama de atividade do caso de uso
funcionamento do protótipo, com o cenário principal.
Figura 14. Diagrama de atividade do UC01.01 Funcionamento do veículo controlado via Bluetooth Fonte: (O autor)
45
3.3 Movimentar e controlar a direção do veículo
Como citado neste trabalho o projeto utiliza dois tipos de atuadores um servomotor
para controle da direção do veículo e um motor de CC/DC para a tração do veículo. Nesta
sessão é mostrado como são ligados os atuadores para prover mobilidade ao veículo e o
Bluetooth responsável pela comunicação entre o smartphone e o Arduino.
3.3.1 Motor CC/DC
Segundo Braga (2013), os motores de corrente continua (CC) ou motores DC (Direct
Current), como também são chamados, são dispositivos que operam aproveitando as forças de
atração e repulsão geradas por eletroímãs e imãs permanentes.
Figura 15. Com a repulsão o motor tende a girar Fonte: (BRAGA, 2013)
A tendência do motor é dar meia volta para que seu polo Norte se aproxime do polo
Sul do imã permanente, da mesma forma que seu polo Sul se aproximará do polo Norte pelo
qual será atraído como pode ser observado na Figura 15.
No entanto se mudar os polos do eletroímã, fará com que o motor gire ao sentido
contrario, essa é a função da Ponte H que fornece a manipulação dos polos dos motores
CC/DC de forma que possa movimentar o veículo para frente e para trás.
Este projeto utiliza um CI (circuito integrado) controlador de motor muito popular
chamado L293D. Foi escolhido esse CI, pois ele fornece a possibilidade de controlar até dois
motores CC/DC, e ao mesmo tempo nos fornece a possibilidade de controlar a direção dos
motores, pois internamente o CI L293D possui dois esquemas de Ponte H.
46
Os componentes necessários para fazer a ligação do motor CC/DC são um CI
controlador de motor L293D, uma protoboard e alguns jumpers. Na Figura 16 é possível
observar o esquema elétrico utilizado para ligar o motor CC/DC que é responsável pela tração
do veículo.
Figura 16. Circuito elétrico do motor CC/DC Fonte: (O autor)
A estrutura original do veículo já possui um motor CC/DC dedicado à tração do
veículo e por esse motivo não se fez necessário nenhuma adaptação física, apenas foram
cortados os fios da placa original e foi soldado um jumper em cada fio para ser possível ligar
o motor na protoboard.
3.3.2 Circuito Integrado L293D
O CI L293D é composto basicamente de transistores, diodos para barrar a corrente
reversa e alguns resistores. O circuito do L293D compõe-se de duas pontes H, como pode ser
observado no diagrama de bloco na Figura 17.
47
Figura 17. Diagrama de bloco CI L293D Fonte: (SGS-THOMSON, 1996)
O CI L293D possui 16 pinos, 4 pinos são do terra (GND), 4 pinos de INPUT, 4 pinos
de OUTPUT, 2 pinos para dizer se os canais estão ligados e 2 pinos para a entrada de energia
para alimentar os motores. Na Figura 18 podemos observar uma visão geral dos pinos do CI.
Figura 18. Visão geral dos pinos do CI L293D Fonte: (SGS-THOMSON, 1996)
A instalação do CI segue a seguintes configurações. Os pinos GND são interligados
através da protoboard e ligados no pino GND do Arduino. Os pinos de INPUT 2 e 7 vão
conectados nas portas digitais 9 e 10 do Arduino respectivamente. Os pinos de OUTPUT 3 e 6
vão ligados no motor CC/DC, como este projeto só utiliza um atuador como tração só é
utilizado dois dos quatros pinos OUTPUT. Os pinos 1 e 9 significam se o canal está ligado.
Por exemplo, para os pinos 2 e 6 funcionarem o pino 1 precisa estar ligado (HIGH), assim
como os pinos 14 e 11 para funcionarem precisam que o pino 9 esteja ligado. No projeto o
48
pino 9 é alimentado com +5v, isso significa que está ligado ou em (HIGH). O pino de
controle 1 vai ligado no pino digital 6 do Arduino. No Arduino o pino 6 também fornece a
opção de utilizar o PWM para controlar a rotação do motor, através do pino 6 é possível fazer
com que o veículo tenha diferentes níveis de velocidades. Os pinos 8 e 16 são os pinos de
alimentação do CI, o pino 8 pode ser utilizado de +5v até no máximo +36v com uma corrente
máxima de 1,2 A e o pino 16 pode ser ligado com no máximo +5v. O esquema elétrico do
motor pode ser observado na Figura 16.
Tabela 4. Opções do CI L293D Fonte: (O autor)
Pino 1 Pino 2 Pino 7 Função High Low High Gira sentido horário High High Low Gira sentido anti-horário High Low Low Parado High High High Parado
Na Tabela 4, é observado à combinação de valores possíveis para ligar o motor
CC/DC ao CI L293D.
3.3.3 Servomotor
O projeto utiliza um servomotor padrão como atuador para controlar a direção do
veículo. Os servomotores geralmente possuem 180º de liberdade e ainda existem servos que
possuem rotação continua, ou até mesmo é possível modificar um servo padrão para obter
esse efeito, no projeto não foi necessário fazer alterações nas características do servomotor.
Os servomotores, são motores especiais que possuem um sistema interno de feedback
para o controle da posição. Os servos necessitam ser alimentados por uma tensão que varia
tipicamente entre 4,5 e 6,5 Volts, essa tensão varia muito de servo para servo. A posição do
servo é controlada por um trem de impulsos, com uma amplitude que varia entre 1ms e 2ms
em uma frequência de aproximadamente 50Hz (ESTG, 2003).
49
Figura 19. Movimentos do servo em função do sinal recebido Fonte: (ESTG, 2003)
Na Figura 19 pode ser observado o servo recebendo pulsos. Por exemplo, se o servo
receber pulsos de 1.5ms, a sua engrenagem de saída rodará até ficar estável no centro do
intervalo de rotação nos 90º. Se receber impulsos de 1ms, rodará no sentido horário até atingir
o limite do intervalo de rotação correspondente a 0º. Impulsos entre 1ms e 1.5ms farão com
que o servo rode no sentido horário para posições intermédias entre 0º 90º, enquanto que
impulsos entre 1.5ms e 2ms farão com que o servo rode no sentido anti-horário para posições
intermédias entre 90º e 180º (ESTG, 2003).
Os servomotores são muito utilizados em aeromodelos, mais precisamente utilizados
para controlar as superfícies de voo dos aeromodelos, também é comum encontrar
servomotores em barcos onde nos barcos os servomotores possuem a função de controlar o
leme. Qualquer robô que possui movimento nos braços, pescoço ou até nos olhos, possui um
servomotor que é responsável pelos movimentos.
50
Figura 20. Exemplo de um servomotor Fonte: (BRAGA, 2013)
Como se pode observar na Figura 20, um servomotor basicamente possui três fios
conectados a ele. O fio vermelho ou “+” é o que recebe os +5v, o preto, marrom ou 0v, foi
instalado no terra e o terceiro fio, que costuma ser da cor branca, amarela ou laranja, foi
conectado em um pino digital do Arduino UNO, esse terceiro fio também é conhecido como
fio de controle (BRAGA, 2013).
Pode-se observar na Figura 21, como foi feita a instalação do servomotor no
Arduino.
Figura 21. Instalação elétrica do servomotor Fonte: (O autor)
51
Na Figura 21, a instalação possui duas baterias de celular que alimenta o Arduino e o
servomotor. O fio amarelo é ligado no pino 11 do Arduino, esse fio é responsável pela
movimentação do servomotor.
3.3.3.1 Adaptação física do servomotor no veículo
O veículo original utiliza um motor de corrente continua para movimentar a direção
do veículo, se fez necessário remover o motor CC/DC utilizado para a direção e foi adaptado
o servomotor na frente do veículo. Foi necessário cortar parte da frente do veículo original
para que coubesse o servomotor. Na fixação do servomotor foi utilizada fita dupla face e
pedaços de plástico foram fixados com cola seca rápido. Na barra de direção foram retiradas
as engrenagens que eram utilizadas pelo motor CC/DC e fixado com um parafuso na
engrenagem do servomotor.
Na Figura 22 pode ser observado o resultado final da adaptação do servomotor.
Figura 22. Adaptação do servomotor Fonte: (O autor)
3.3.4 Bluetooth
Para que o Arduino receba as informações da aplicação Android, foi necessário
instalar um modulo Bluetooth no Arduino. O modulo escolhido para o projeto é o HC-06, é
um modulo comum de encontrar no mercado e custa cerca de U$ 10.78, (ALIEXPRESS,
2013).
52
Figura 23. Modulo Bluetooth HC-06 Fonte: (GUANGZHOU HC INFORMATION TECHNOLOGY, 2011)
Na Figura 24 é exibido como foi feita a conexão do módulo Bluetooth com a placa
Arduino. O modulo HC-06 possui quatro fios que devem ser conectados no Arduino. O fio
azul ou RXD é ligado no pino digital “0” do Arduino, esse é o canal de recebimento de
informação, o fio verde ou TXD, vai ligado no pino digital “1” do Arduino, esse é o canal
responsável por enviar as informações, o fio preto ou GND é o fio terra e vai ligado no pino
terra do Arduino e o fio vermelho ou VCC é o fio de alimentação de energia do modulo que
vai conectado ao pino de 5v do Arduino.
Figura 24. Conexão física do modulo HC-06 com o Arduino Fonte: (TUXTI, 2013)
3.3.5 Montagem eletrônica
Nesta seção mostra-se o esquema do circuito usado para controlar o Motor CC/DC, o
Servomotor e o adaptador Bluetooth.
53
Na Figura 25, é possível observar o esquemático do circuito elétrico completo que foi
montado para atender o projeto.
Figura 25. Esquemático do circuito do projeto Fonte: (O autor)
No circuito montado para o projeto foi utilizado duas baterias de celular ligadas em
série, cada uma possui 3.7 Volts. Juntas somam 7.4 Volts. As duas baterias conseguem
fornecer alimentação suficiente para todos os componente utilizados nesse projeto.
3.4 Coletando, enviando e recebendo as informações.
Nesta sessão será mostrado como será coletado as informações do acelerômetro do
smartphone, como será configurado o módulo Bluetooth e como o Arduino irá receber as
informações.
3.4.1 Aplicativo smartphone
Nesta sessão será mostrado como ocorre à coleta das informações do acelerômetro,
como são calculados os níveis de velocidade e como são enviadas as informações para o
Arduino.
54
3.4.1.1 Requisitos funcionais do aplicativo Android
Os requisitos funcionais que a aplicação Android deverá atender são os seguintes:
• Ler a saída da orientação do Acelerômetro;
• Determinar o nível de velocidade;
• Enviar a orientação via Bluetooth.
3.4.1.2 Funcionamento do Aplicativo Android
O acelerômetro é um tipo de sensor que permite a identificação da posição física do
dispositivo. Ou seja, através dele é possível saber quando um dispositivo esta inclinado para a
esquerda ou direita, para frente ou para trás, pra baixo ou para cima e a partir dessas
informações realizarem eventos. O uso do acelerômetro é muito frequente em aplicativos
Android, principalmente em jogos. Um bom exemplo são os jogos de corrida em que o celular
se transforma no volante do carro, e ao inclina-lo para a direita o veículo executará uma curva
para a direita, o mesmo acontece para a esquerda. Na Figura 26 é possível observar uma visão
geral da aplicação Android, onde a aplicação interage com o Acelerômetro e o Bluetooth.
Figura 26. Visão geral da aplicação Android Fonte: (O autor)
Na Figura 27 pode ser observado o funcionamento do aplicativo Android através do
diagrama de estado.
55
Figura 27. Diagrama de estado da aplicação Android Fonte: (O autor)
O software faz a leitura das saídas do Acelerômetro no smartphone e com as
orientações obtidas o aplicativo Android faz o processamento das informações, determina o
nível de velocidade do veículo, deixar as informações amigáveis para que o Arduino possa
entendê-las e envia através do modulo Bluetooth para o Arduino.
3.4.1.3 Coletando as informações do acelerômetro
Para que a aplicação trate os eventos do acelerômetro foi necessário implementar a
interface SensorEventListener, essa interface implica na implementação de dois métodos, o
onAccuracyChanger(Sensor sensor, int accuracy) que é acionado quando acontece
mudança do na precisão sensor do acelerômetro e o onSensorChanged(SensorEvent event)
que é acionado quando o sensor identifica uma alteração na posição do dispositivo, toda a
lógica do nível de velocidade é feito no método onSensorChanged(SensorEvent event).
O método onSensorChanged(SensorEvent event), fornece um array com os valores
dos três eixos, o X, Y e Z em relação ao smartphone, ou seja, quando o smartphone sofre
alguma alteração em sua posição os valores dos eixos são alterados e assim é possível calcular
e determinar quando o smartphone está sofrendo alguma alteração na sua posição.
3.4.1.4 Nível de velocidade
O Software Android calcula três níveis de velocidade, são eles o nível 1, nível 2 e o
nível 3 além da marcha ré e do veículo parado. Os níveis de velocidade são determinados a
partir da inclinação do smartphone para cima, na medida em que o usuário inclina o
smartphone para cima, ou seja, quanto mais distante de “0” o valor do eixo X estiver mais alto
é o nível de velocidade de locomoção do veículo. O acelerômetro do smartphone varia o valor
do eixo X de -10 a 10, a partir dessa variação é que são determinados os níveis de velocidade.
Na Tabela 5 é exibido os níveis de velocidade do veículo.
56
Tabela 5. Níveis de velocidade do veículo Fonte: (O autor)
Nível 1 Nível 2 Nível 3 Ré Parado Valor de X > 3 e < 5 > 5 e < 8 > 8 < -2 >-2 e < 2
Capacidade de giro do Motor 62% 78% 100% 62% 0%
Na Figura 37, Figura 38, Figura 39, Figura 40 e Figura 32 respectivamente, são
possíveis observar as posições reais aplicadas ao smartphone para cada item da Tabela 5.
3.4.1.5 Enviando os dados para o Arduino
A plataforma Android inclui suporte para a pilha de rede Bluetooth, que permite que
um dispositivo troque dados com outro dispositivo Bluetooth.
Para a aplicação conseguir utilizar o adaptador Bluetooth, primeiramente foi
necessário declarar duas permissões no arquivo de manifesto, a permissão BLUETOOTH e
BLUETOOTH_ADMIN.
Para enviar as informações pelo dispositivo Bluetooth foi necessário implementar o
dispositivo BluetoothAdapter que é obtido através do método estático getDefaultAdapter().
Existe apenas um adaptador para todo o sistema caso o método getDefaultAdapter() retornar
“null” é por que o dispositivo não suporta Bluetooth.
Na aplicação existe uma classe chamada “ConexionBT”. Essa classe é responsável
por implementar as quatro principais tarefas que são necessárias para a comunicação via
Bluetooth, ainda nesta classe é declarado o endereço “MAC” (endereço único do adaptador
cliente) no caso é o endereço físico do adaptador ligado ao Arduino. Também é declarado o
UUID que é o identificador único da aplicação Android. O método utilizado para enviar as
mensagem para o Arduino é o “sendMessage” que está implementado na “Main_Activity” da
aplicação.
3.4.2 Configurando o módulo Bluetooth
Para configurar o módulo HC-06 são necessários utilizar comandos ATs. Com os
comandos ATs pode ser mudado o nome do dispositivo, a senha PIN para conexão e a taxa de
transmissão que deve ser de 9600 baud. Para conseguir enviar os comandos para o módulo é
necessário conecta-lo ao computador através de uma conexão USB. Pode ser utilizado o
Arduino para prover uma ponte entre o módulo HC-06 e o computador.
57
Figura 28. Conexão para configurar o módulo HC-06 Fonte: (O autor)
Como pode ser visto na Figura 28, o módulo HC-06 é conectado no Arduino e o
micro computador é conectado ao Arduino. Com essa conexão é possível enviar comandos
ATs para o módulo Bluetooth e assim conseguir alterar suas configurações que vem com
padrão de fabrica.
Por exemplo, para alterar o nome do módulo Bluetooth é utilizado o comando AT +
NAMEnome, um exemplo do comando ficaria assim, AT + NAMEteste, agora o módulo
possui o nome “teste” configurado, o nome é limitado para no máximo 20 caracteres. Para
alterar o PIN é utilizado o comando AT + PINxxxx, onde os “x” devem ser substituídos por
números. Para alterar o “baud” que corresponde a taxa de transmissão é utilizado o comando
AT + BAUNDx, onde “x” corresponde a um valor da primeira coluna da Tabela 6, por
exemplo, AT + BAUND4, configura o módulo para taxa de 9600 baud. Na Tabela 6 pode ser
verificado os possíveis valores em bauds que podem ser configurado no adaptador Bluetooth.
Tabela 6. Valores em bauds Fonte: Adaptado de (http://www.wavesen.com/probig.asp?id=11)
Cod. Taxa em bauds Cod. Taxa em bauds 1 1200 7 57600 2 2400 8 115200 3 4800 9 230400 4 9600 A 460800 5 19200 B 921600 6 38400 C 1382400
58
Não foi necessário alterar as configurações de fabrica do adaptador, pois o adaptador
já vem configurado com a taxa de transmissão de 9600 baud e vem apto a conectar-se com o
smartphone Android.
3.4.3 Aplicação Arduino
Nesta sessão será mostrado como ocorre o funcionamento da aplicação Arduino.
3.4.3.1 Requisitos funcionais da aplicação Arduino
Os requisitos funcionais que a aplicação Arduino deverá atender são os seguintes:
• Ler as orientações recebidas via Bluetooth;
• Determinar a orientação do veículo de acordo com a orientação recebida do
smartphone;
• Acionar os atuadores para que o veículo se comporte conforme a orientação do
smartphone.
3.4.3.2 Funcionamento da aplicação Arduino
A aplicação Arduino possui basicamente duas funções a void Setup(), que é utilizada
para declaração inicial do programa. É nessa função que foi definido quais os pinos digitais
do Arduino são utilizados e a função void Loop(). Nessa função é onde fica todo o código da
aplicação e essa função, como pode ser observado no nome, é um loop infinito que fica
rodando até que o Arduino seja desligado. Na Figura 29 mostra uma visão geral da aplicação
Arduino.
Figura 29. Visão geral da aplicação Arduino Fonte: (O autor)
59
Como pode ser observado na Figura 29 a aplicação Arduino interage com o módulo
Bluetooth, servomotor e com o motor CC/DC.
Na Figura 30 é possível observar o funcionamento da aplicação Arduino através do
diagrama de estado. A aplicação Arduino funciona da seguinte maneira, ela recebe as
informações de orientação do acelerômetro do smartphone e determina se o veículo deve
andar para frente, para trás, virar a esquerda, virar à direita ou parar. O Arduino utiliza os
atuadores (servomotor e motor CC/DC) para fazer com que o veículo interaja com o mundo
físico.
Figura 30. Diagrama de estado da aplicação Arduino Fonte: (O autor)
A aplicação Arduino utiliza 4 pinos digitais para compor a solução, são eles o pino 6
que prove o PWM para o motor CC/DC os pinos 9 e 10 que são ligados no CI L293D para
que seja possível inverter os polos do motor CC/DC e o pino digital 11 utilizado para ligar o
fio de controle do servomotor. A aplicação recebe as informações do Bluetooth a partir do
método “Serial.read()”, a porta serial é declarada na função “void setup()” da seguinte
maneira “Serial.begin(9600)” o parâmetro passado é o valor em baud configurado no
adaptador Bluetooth.
A aplicação recebe apenas um numero de 0 a 9, ou seja, cada número tem uma função
diferente para a aplicação, por exemplo, se o smartphone enviar o número “5” a aplicação
Arduino identifica que o veículo deve ficar com servomotor na posição inicial que é de 24
graus isso significa que o veículo ficará com a direção na posição reta. Se o smartphone
enviar o número “0” a aplicação Arduino identifica que o veículo deve andar para trás (ré).
Para isso o Arduino manda o sinal de LOW (desligado) para o pino 10, HIGH (ligado) para o
pino 9 e determina que o motor gire com uma potencia de 62% da rotação do motor. Na
Tabela 7 podem ser observados os códigos, significados e a ação que o Arduino deve tomar
dependendo do código recebido.
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Tabela 7. Códigos enviados para o Arduino Fonte: (O autor)
Código Significado Ação 0 Ré Pin 10 – LOW, Pin 9 – HIGH, Pin 6 – 62% (PWM) 1 Nível 1 de velocidade Pin 10 – HIGH, Pin 9 – LOW, Pin 6 – 62% (PWM) 2 Nível 2 de velocidade Pin 10 – HIGH, Pin 9 – LOW, Pin 6 – 78% (PWM) 3 Nível 3 de velocidade Pin 10 – HIGH, Pin 9 – LOW, Pin 6 – 100% (PWM) 4 Para/Stop Pin 10 – LOW, Pin 9 – LOW, Pin 6 – 100% (PWM) 5 Direção reta Pin 11 – 24º Graus 6 Vira para direita Pin 11 – 36º Graus 7 Vira para direita Pin 11 – 48º Graus 8 Vira para a esquerda Pin 11 – 12º Graus 9 Vira para a esquerda Pin 11 – 0º Graus
3.5 Testes do projeto
Todos os testes foram realizados levando em consideração que a superfície que o
veículo percorreu é plana. Levando em consideração que o servomotor possui uma posição
inicial de 24º graus, isso garante que a direção do veiculo está em linha reta. E o smartphone
utilizado é o modelo Samsung Galaxy S3. Na Figura 31 é possível observar os valores em
graus que o braço do servomotor consegue atingir quando o veículo vira, tanto para a
esquerda quanto para a direita.
Figura 31. Angulação do braço do servomotor Fonte: (O autor)
3.5.1 Veiculo parado ou frear
No teste foi deixado o smartphone na posição exibida na Figura 32 (horizontal)
devidamente conectado com o veículo e nada ocorreu, ou seja, o teste comprovou que quando
o smartphone está na posição exibida na Figura 32 o veículo não se movimenta.
61
Para comprovar que a posição horizontal deixa o veículo em repouso, foi realizado o
seguinte experimento. Veículo em movimento, o smartphone é colocado na horizontal.
Imediatamente o veículo desacelera e para. Isso está correto, pois nesta posição o aplicativo
Android não envia informação para o Arduino.
Figura 32. Posição do smartphone para o veículo ficar parado Fonte: (O autor)
3.5.2 Virar para direita
No teste foi ajustada a posição do smartphone saindo da posição da Figura 32 para a
posição exibida na Figura 33. Quando o smartphone sofreu essa alteração em sua posição o
servomotor do veículo saiu da posição inicial de 24º graus (posição reta do veículo) e parou
na posição de 34º graus, fazendo com que a direção do veículo virasse para a direita.
Figura 33. Virar para a direita nível 1 Fonte: (O autor)
Ainda no teste foi alterada novamente a posição do smartphone saindo da posição
exibida na Figura 33 para a posição exibida na Figura 34. Isso fez com que o servomotor
saísse da posição de 34º graus para a posição de 48º graus, ou seja, o ângulo de inclinação da
roda aumentou e assim ele consegue fazer uma curva mais acentuada para direita.
62
Figura 34. Virar para a direita nível 2 Fonte: (O autor)
3.5.3 Virar para a esquerda
No teste foi ajustada a posição do smartphone saindo da posição da Figura 32
(horizontal) para a posição exibida na Figura 35. Quando ocorreu essa mudança no
smartphone o servomotor sofreu uma alteração de 12º graus, ou seja, a posição anterior era a
posição reta (24º graus) e passou a ser 12º graus, isso fez com que o veículo virasse para a
esquerda.
Figura 35. Virar para a esquerda nível 1 Fonte: (O autor)
Ainda no teste foi ajustada novamente a posição do smartphone saindo da posição da
Figura 35 até a posição da Figura 36, isso fez com que o servomotor alterasse novamente sua
inclinação de 12º para 0º graus, fazendo com que o veículo virasse para esquerda o máximo
permitido.
63
Figura 36. Virar para a esquerda nível 2 Fonte: (O autor)
Durante os testes de virar o veículo tanto para a direita quando para a esquerda foi
necessário ajustes no programa Arduino, pois o smartphone fica enviando constantemente as
informações para o Arduino fazendo com que o servomotor ficasse mudando o ângulo de
giro. Por exemplo, quando o smartphone foi posicionado conforme a Figura 36 o servomotor
girava para 0º e logo em seguida voltava para 24º. Isso acontecia devido a um contador no
programa que é utilizado para deixar o veículo com a direção reta no momento em que é
ligado. Para resolver esse problema foi necessário iniciar o contador na função Setup(), assim
o contador é iniciado apenas quando o veículo é ligado e na função Loop() ele sofre apenas
incremento.
3.5.4 Andar para frente
No teste foi ajustada a posição do smartphone saindo da posição da Figura 32
(horizontal), para a posição exibida na Figura 37. Quando ocorreu essa mudança no
smartphone o Arduino aplicou uma força de 62% fazendo o motor CC/DC girar no sentido
horário e o veículo andar para frente.
Figura 37. Andar para frente nível 1 Fonte: (O autor)
64
Ainda no teste foi ajustada novamente a posição do smartphone saindo da posição da
Figura 37 para a posição da Figura 38, isso fez com que o a força aplicada ao motor CC/DC
fosse alterada de 62% para 78% ainda no sentido horário, fazendo com que o veículo se
locomovesse ainda mais rápido.
Figura 38. Andar para frente nível 2 Fonte: (O autor)
Ainda no teste foi ajustada novamente a posição do smartphone, saindo da posição da
Figura 38 para a posição da Figura 39, isso fez com que a força aplicada ao motor CC/DC
fosse alterada de 78% para 100% ainda no sentido horário, fazendo com que o veículo
andasse na sua velocidade máxima.
Figura 39. Andar para frente nível 3 Fonte: (O autor)
3.5.5 Andando para trás
No teste foi ajustada a posição do smartphone saindo da posição da Figura 32 para a
posição exibida na Figura 40. Quando ocorreu essa mudança no smartphone o Arduino
aplicou uma força no motor CC/DC de 62% no sentido anti-horário, fazendo como que o
veículo andasse para trás.
65
Figura 40. Andando para trás Fonte: (O autor)
Durante os testes de andar para frente e para trás foi necessário ajustar a potencia
aplicada ao motor CC/DC, pois o valor inicial era de 50% para o nivel 1 de velocidade e não
foi suficiente para o veículo mover-se devido ao seu peso. Isso também ocorreu com a
potência aplicada para o veículo andar para trás, pois eram as mesmas configurações. Fez-se
necessário aplicar a potência de 62% nas duas.
3.5.6 Teste de campo
Nos testes de campo o veículo foi submetido às condições necessárias citadas no item
3.5. Na Figura 41 é possível observar um pequeno trecho percorrido pelo veículo durante o
teste de campo. O veículo sai do Ponto 1 com o smartphone na posição da Figura 37, isso
significa que o braço do servomotor está com 24º e percorre o trecho simbolizada pela linha
laranjada até o Ponto 2. No Ponto 2 é adicionado duas novas posições ao smartphone. A linha
verde indica a posição da Figura 33, ou seja, o braço do servomotor com 36º graus e a linha
preta indica a posição da Figura 34, ou seja, o braço do servomotor com 48º. Na linha preta o
veículo possui uma curva mais acentuada, pois o smartphone está mais inclinado. Na linha
verde o veículo possui uma curva menos acentuada, pois o smartphone está menos inclinado.
Os Pontos 3 e 4 acontecem quando o veiculo atinge o ponto máximo da sua curva.
66
Figura 41. Gráfico com trecho percorrido para o teste de virar para direita Fonte: (O autor)
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4 CONCLUSÕES
O objetivo principal deste trabalho foi utilizar tecnologia open source para
movimentar um veículo com um smartphone através de uma conexão Bluetooth. Para isso
acontecer, foi necessário estudar uma relação de conteúdos como Android, Arduino,
Bluetooth, acelerômetro, atuadores e eletrônica.
O estudo realizado buscou mecanismos para unir duas áreas completamente distintas
e ao mesmo tempo tão próximas, pois sempre andam lado-a-lado (hardware e software) com
foco em entender o funcionamento do Arduino e seus shields, atuadores, Bluetooth e dos
aplicativos Android para smartphones.
A primeira tarefa realizada neste Trabalho Técnico-científico de Conclusão do Curso
foi reunir informações suficientes sobre Arduino, atuadores, shields Bluetooth para Arduino e
sobre aplicativos para sistema operacional Android. Todas as informações levantadas foram
de extrema relevância, permitindo a conclusão do trabalho com êxito. O processo de
levantamento de informações permitiu que diversos tipos de Arduinos, atuadores e shields
Bluetooth fossem analisados buscando os que atendessem aos requisitos do projeto. O
processo também possibilitou a analise de trabalhos similares com o intuito de utilizar o
conhecimento e dificuldades já enfrentadas por outras pessoas. Após obter as informações
necessárias para o desenvolvimento do projeto, partiu-se para a modelagem do projeto. Uma
solução encontrada foi à utilização da UML para especificar os diagramas (diagrama de
atividade, diagrama de estados) e o caso de uso. Na parte do projeto também foi descrito
sobre a instalação eletrônica dos atuadores e do modulo Bluetooth no Arduino.
Desde o início do projeto houve um grande desafio a ser enfrentado e vencido, já que
este projeto possui uma multidisciplinaridade envolvendo além da filosofia do Faça Você
Mesmo Do It Yourself – DIY as áreas de conhecimento, como mecânica, eletrônica e
computação.
Com este projeto pode-se perceber que as tecnologias open-source possibilitam fazer
diversas coisas, apenas sendo preciso pesquisar soluções para os problemas que certamente
podem ser resolvidos com as tecnologias open-source.
68
Neste projeto além de superar os problemas encontrados, a parte eletrônica também
foi um contratempo, pois é preciso tomar cuidado para evitar que os componentes sejam
ligados de forma errada e assim danificá-los. Os motores de corrente contínua e servomotor
apresentam suas particularidades como foi citado nas etapas de testes e validação, mas o
suporte que existe na utilização da plataforma Arduino garantiu que não houvesse problema
nas implementações.
O software Android foi que mais consumiu tempo no projeto, cerca de 70% do
tempo. Vale ressaltar que é um assunto extra-curso, porém de muita utilidade. As dificuldades
encontradas na implementação do adaptador Bluetooth foi devido a quatro principais tarefas
para a comunicação, que são elas:
• Configurar o Bluetooth;
• Encontrar dispositivos que estejam emparelhados;
• Conectar os dispositivos; e
• Transferir dados entre os dispositivos.
Com este trabalho conclui-se que é possível guiar um veículo tipo controle remoto
utilizando apenas tecnologia open-source. O trabalho aponta e descreve: como e o que é
necessário para o desenvolvimento do protótipo.
4.1 Trabalhos futuros
• Melhorar a aparência do circuito. Elaborar uma placa de circuito impresso
com os componentes necessários ao funcionamento e adaptando plugs para
um encaixe mais adequado.
• Incluir no software Android a opção de guiar o veículo sem utilizar o
acelerômetro, guiando o veículo apenas com botões.
• Incluir no software Android uma opção de buscar dispositivos Bluetooth
próximos para a conexão.
• Acrescentar características ao veículo que aproximem da realidade, como por
exemplo: incluir dois LED’s simulando os faróis de um veículo e adicionar
69
no software Android botões para ligá-los, na parte traseira colocar dois led´s
vermelhos e fazê-los acender quando o carro é desacelerado, simulando
freios.
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REFERÊNCIAS
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GLOSSÁRIO
Arduino É uma plataforma de hardware e software livre para prototipagem rápida que permite conectar vários tipos de sensores e atuadores para realizar seu controle.
Atuador Elemento que produz movimento seja sua fonte pneumática, hidráulica ou elétrica.
Bluetooth Tecnologia de comunicação sem fio.
Flash Tecnologia que permite a criação de animações vetoriais.
Microcontrolador É um circuito integrado que possui internamente um microprocessador com características de um computador, porém com limitação em seu hardware.
Ponte-H É um circuito eletrônico que permite controlar um motor de corrente contínua através de um microcontrolador.
Processing Linguagem/ambiente de código aberto que possibilita programar imagens, animações e interações.
PWM Técnica que permite simular variações de tensões entre 0 e 5 volts.
Shield São placas que se acoplam em cima da placa Arduino para ampliar suas funcionalidades.
Sketch Nome usado para identificar um programa escrito em Arduino.
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APÊNDICE A. SKETCH DO VEÍCULO
#include <Servo.h> Servo motor; int pos = 0; int motor1Pin1 = 10;// pin 2 L293D int motor1Pin2 = 9; // pin 7 L293D int motor1Pin3 = 6; // pin 1 L293D int h = 0;
void setup() { motor.attach(11); pinMode(motor1Pin1, OUTPUT); pinMode(motor1Pin2, OUTPUT); pinMode(motor1Pin3, OUTPUT); Serial.begin(9600); } void loop() { char c = Serial.read(); int ang; //posição inicial da direção if (h==0){ motor.write(24); } //ré if(c == '0'){ digitalWrite(motor1Pin1,LOW); // set pin 2 on L293D high digitalWrite(motor1Pin2,HIGH); // set pin 2 on L293D high analogWrite(motor1Pin3,150); //set pin 1 on L293D } //Nível 1 de velocidade if(c == '1'){ digitalWrite(motor1Pin1,HIGH);// set pin 2 on L293D high digitalWrite(motor1Pin2,LOW); // set pin 7 on L293D high analogWrite(motor1Pin3,140); //set pin 1 on L293D } //Nível 2 de velocidade if(c == '2'){ digitalWrite(motor1Pin1,HIGH);// set pin 2 on L293D high digitalWrite(motor1Pin2,LOW); // set pin 7 on L293D high analogWrite(motor1Pin3,200); //set pin 1 on L293D } //Nível 3 de velocidade if(c == '3'){
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digitalWrite(motor1Pin1,HIGH);// set pin 2 on L293D high digitalWrite(motor1Pin2,LOW); // set pin 7 on L293D high analogWrite(motor1Pin3,255); //set pin 1 on L293D } //STOP veículo parado if(c == '4'){ analogWrite(motor1Pin1,LOW);// set pin 2 on L293D high digitalWrite(motor1Pin2,LOW);// set pin 7 on L293D high analogWrite(motor1Pin3,255); //set pin 1 on L293D } //posição direção reta do veículo if(c == '5'){ ang = motor.read(); if(ang!=24){ motor.write(24); } } //vira para a direira if(c == '6'){ ang = motor.read(); if(ang!=36){ motor.write(36); delay(170); } } //vira para a direira if(c == '7'){ ang = motor.read(); if(ang!=48){ motor.write(48); delay(170); } } //vira para a esquerda if(c == '8'){ ang = motor.read(); if(ang!=12){ motor.write(12); delay(170); } } //vira para a esquerda if(c == '9'){ ang = motor.read(); if(ang!=2){ motor.write(2); delay(170); } }
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h = 1; /*utilizado para contar o primeiro loop, *para que o veículo quando for ligado fique *com a direção na posição inicial */ }
