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Parte 1: Do protótipo ao produto – O caso arduino

O arduino tornou fácil a criação de dispositivos eletrônicos por aqueles que não são especialistas em eletrônica. Essa possibilidade tornou-se possível devido a abstração da “circuitera” / eletrônica que as placas arduino permitem aos desenvolvedores.

arduino uno
arduino uno

Essa abstração permitiu uma evolução sem precedentes no desenvolvimento de produtos eletrônicos e aumentou a quantidade de pessoas tendo contato com a eletrônica e as possibilidades que isso gera como um aumento no surgimento de produtos e também vindo de encontro com tendências tecnológicas como Internet das Coisas.

Essa evolução criou também uma comunidade que hoje é chamada de “makers” em que diversos projetos são compartilhados e novas ideias surgem para criação de dispositivos eletrônicos muitas vezes surgindo a partir de projetos colaborativos como o próprio arduino.

Diferentemente do processo de desenvolvimento de software, a validação de uma ideia não é tão simples a partir da criação de um protótipo de hardware, interação com usuário e feedback para refinamento do produto (Conceito Lean Startup) pois a mudança de um produto de hardware possui um impacto maior que modificações de software, apesar de o arduino permitir um processo de desenvolvimento de produto mais simples e rápido.

Lean Startup - Build, Measure, Learn
Lean Startup – Build, Measure, Learn

Partindo do ponto em que o seu protótipo está validado em uma versão construída com o arduino, o objetivo deste artigo é mostrar a necessidade de evoluir este protótipo em algo customizado com o objetivo de reduzir custos e evoluir ele de um protótipo para um produto.

Arduino Shields
Arduino Shields

Um simples exemplo, você cria um protótipo a partir de um módulo arduino Uno, um shield de relé, um sensor de nível de água que tenha como função medir o nível de água em um reservatório e a partir de valores pré-definidos acionar o relé que tem por função ligar ou desligar uma bomba d’água.

Arduino - Sensor de Nível - Relé - Bomba
Arduino – Sensor de Nível – Relé – Bomba

O custo deste exemplo seria (pesquisa no MercadoLivre):

– Formato Maker: Arduino Uno (R$30) + Shield Relé (R$8) + Sensor Nível Agua (R$15) = R$53

– Formato Produto: Microcontrolador ATMEGA328P com Capacitores e Cristal (R$10) + Relé (R$2,50) + Sensor Nível de água (R$15) + Componentes+Placa Fenolite (R$5) = R$32,50

Uma redução de mais de 60% em uma pesquisa rápida via Mercado Livre.

Parte 2: Criando o circuito “essencial” com ATMEGA328P – O caso arduino

Parte 3: Fazendo o carregamento do protótipo no microcontrolador ATMEGA328P – O caso arduino

Criando aplicativo Mobile com Intel XDK e comunicação Bluetooth

No último final de semana tive a oportunidade de participar do Startup Weekend MAKER Unifei e o grupo que participei definiu como projeto uma plataforma de interação em ambiente virtual (Google Cardboard).

Google Cardboard e Joystick
Google Cardboard e Joystick construído

Essa plataforma de interação foi um Joystick construído com módulo arduino e comunicação Bluetooth.

O objetivo deste artigo é mostrar a integração do Intel XDK com comunicação Bluetooth sendo útil para aqueles que querem implantar essa forma de comunicação em suas aplicações mobile criadas através do Intel XDK.

Uso de API para Bluetooth

Para isso, usamos a API disponível em: https://github.com/don/BluetoothSerial

Descrita como “This plugin enables serial communication over Bluetooth. It was written for communicating between Android or iOS and an Arduino.

Essa mesma API foi criada para uso do arduino com dispositivos mobile. No nosso caso o arduino utilizava um shield do módulo Bluetooth HC-05.

Módulo Bluetooth RS232 HC-05
Módulo Bluetooth RS232 HC-05

Inserindo API no Intel XDK

Estou usando o Intel XDK versão 3522, neste caso, com o projeto já aberto:

  • Clique em “Projects”
  • Vá até o panel “Cordova Hybrid Mobile APP Settings”
  • Clique em “Plugin Management”
  • Clique em “Add Plugins to this Project”
  • Clique em “Third-Party Plugins”
  • Nesta parte você pode escolher colocar o link direto do repositório GIT do projeto (link acima) e opção “Git Repo” ou então “Import Local plugin” caso tenha feito download do plugin via Github do projeto. (Para usar a opção “Git Repo” é necessário ter o GIT instalado no computador)
  • Em seguida clique em “Add Plugin”
Bluetooth Plugin no Intel XDK
Bluetooth Plugin carregado no Intel XDK

Recebendo dados Bluetooth

Voltando para a aba “Develop” do Intel XDK é necessário editar o arquivo “www/js/app.js”, sugiro então modificá-lo para o exemplo “SimpleSerial” disponível no github do projeto, confome segue:

/*
    SimpleSerial index.js
    Created 7 May 2013
    Modified 9 May 2013
    by Tom Igoe
*/


var app = {
    macAddress: "AA:BB:CC:DD:EE:FF",  // get your mac address from bluetoothSerial.list
    chars: "",

/*
    Application constructor
 */
    initialize: function() {
        this.bindEvents();
        console.log("Starting SimpleSerial app");
    },
/*
    bind any events that are required on startup to listeners:
*/
    bindEvents: function() {
        document.addEventListener('deviceready', this.onDeviceReady, false);
        connectButton.addEventListener('touchend', app.manageConnection, false);
    },

/*
    this runs when the device is ready for user interaction:
*/
    onDeviceReady: function() {
        // check to see if Bluetooth is turned on.
        // this function is called only
        //if isEnabled(), below, returns success:
        var listPorts = function() {
            // list the available BT ports:
            bluetoothSerial.list(
                function(results) {
                    app.display(JSON.stringify(results));
                },
                function(error) {
                    app.display(JSON.stringify(error));
                }
            );
        }

        // if isEnabled returns failure, this function is called:
        var notEnabled = function() {
            app.display("Bluetooth is not enabled.")
        }

         // check if Bluetooth is on:
        bluetoothSerial.isEnabled(
            listPorts,
            notEnabled
        );
    },
/*
    Connects if not connected, and disconnects if connected:
*/
    manageConnection: function() {

        // connect() will get called only if isConnected() (below)
        // returns failure. In other words, if not connected, then connect:
        var connect = function () {
            // if not connected, do this:
            // clear the screen and display an attempt to connect
            app.clear();
            app.display("Attempting to connect. " +
                "Make sure the serial port is open on the target device.");
            // attempt to connect:
            bluetoothSerial.connect(
                app.macAddress,  // device to connect to
                app.openPort,    // start listening if you succeed
                app.showError    // show the error if you fail
            );
        };

        // disconnect() will get called only if isConnected() (below)
        // returns success  In other words, if  connected, then disconnect:
        var disconnect = function () {
            app.display("attempting to disconnect");
            // if connected, do this:
            bluetoothSerial.disconnect(
                app.closePort,     // stop listening to the port
                app.showError      // show the error if you fail
            );
        };

        // here's the real action of the manageConnection function:
        bluetoothSerial.isConnected(disconnect, connect);
    },
/*
    subscribes to a Bluetooth serial listener for newline
    and changes the button:
*/
    openPort: function() {
        // if you get a good Bluetooth serial connection:
        app.display("Connected to: " + app.macAddress);
        // change the button's name:
        connectButton.innerHTML = "Disconnect";
        // set up a listener to listen for newlines
        // and display any new data that's come in since
        // the last newline:
        bluetoothSerial.subscribe('\n', function (data) {
            app.clear();
            app.display(data);
        });
    },

/*
    unsubscribes from any Bluetooth serial listener and changes the button:
*/
    closePort: function() {
        // if you get a good Bluetooth serial connection:
        app.display("Disconnected from: " + app.macAddress);
        // change the button's name:
        connectButton.innerHTML = "Connect";
        // unsubscribe from listening:
        bluetoothSerial.unsubscribe(
                function (data) {
                    app.display(data);
                },
                app.showError
        );
    },
/*
    appends @error to the message div:
*/
    showError: function(error) {
        app.display(error);
    },

/*
    appends @message to the message div:
*/
    display: function(message) {
        var display = document.getElementById("message"), // the message div
            lineBreak = document.createElement("br"),     // a line break
            label = document.createTextNode(message);     // create the label

        display.appendChild(lineBreak);          // add a line break
        display.appendChild(label);              // add the message node
    },
/*
    clears the message div:
*/
    clear: function() {
        var display = document.getElementById("message");
        display.innerHTML = "";
    }
};      // end of app

Modificações Necessárias

Para o plugin funcionar com seu dispositivo Bluetooth é necessário alterar a variável macAddress com o endereço MAC do seu dispositivo.

As mensagens Bluetooth são recebidas e tratadas na função display, caso seja necessário tomar decisões, basta avaliar os valores recebidos na variável “message”.

Mais informações podem ser obtidas na página da API ou qualquer dúvida, pode entrar em contato.

ITG-3200 (Gyroscope) & ADXL345 (Accelerometer) – Arduino Example

Recently I got an IMU (Inertial Measurement Unit) from Sparkfun, called SparkFun 6 Degrees of Freedom IMU Digital Combo Board.

IMU Breakout Doard - 6 Degree of Freedom

This IMU has embedded a gyroscope (ITG-3200) and a accelerometer (ADXL345) in a breakout board being useful for application that requires knowledge about orientation, position, and velocity.

The gyroscope is responsible to measure angular velocity on body axes:

  • X Axis – Roll
  • Y Axis – Pitch
  • Z Axis – Yaw

Some examples:

Angular Movements - Gyro Examples

The accelerometer is responsible to measure acceleration on the body axes (x, y and z) that is useful to determine how fast a body is speeding up or slowing down.

Another point is the use of I2C (Inter-Integrated Circuit) bus that is an intra-board serial bus that uses only two “wires” for comunication: one responsible for synchronizing the devices on bus (CLOCK – SCL)  and another one responsible for data transmission (DATA – SDA).

This article aims to present a arduino implementation that simply shows output data from sensors. The references on source code are highly recommended for study before deploy this code in real application.

// SparkFun 6 Degrees of Freedom IMU Digital Combo Board
// ITG-3200 (GYRO) & ADXL345 (ACCEL) - Arduino Example Algorithm
// 
// Author: Gustavo Bertoli
//
// References:
// https://www.sparkfun.com/datasheets/Sensors/Accelerometer/ADXL345.pdf
// http://bildr.org/2011/03/adxl345-arduino/
// https://learn.sparkfun.com/tutorials/itg-3200-hookup-guide
// https://www.sparkfun.com/datasheets/Sensors/Gyro/PS-ITG-3200-00-01.4.pdf
// https://www.sparkfun.com/products/10121

#include <Wire.h>

// I2C Devices Address
#define GYRO 0x68    // ITG-3200 I2C Address - 0x68
#define ACCEL 0x53   // ADXL345  I2C Address - 0x53

// ITG-3200 (GYRO) REGISTERS
#define GYRO_X_H 0x1D
#define GYRO_X_L 0x1E
#define GYRO_Y_H 0x1F
#define GYRO_Y_L 0x20
#define GYRO_Z_H 0x21
#define GYRO_Z_L 0x22
#define DLPF_FS 0x16
#define SMPLRT_DIV 0x15

// ADXL345 (ACCEL) REGISTERS
#define ACCEL_X_L 0x32 
#define ACCEL_X_H 0x33
#define ACCEL_Y_L 0x34
#define ACCEL_Y_H 0x35
#define ACCEL_Z_L 0x36
#define ACCEL_Z_H 0x37
#define POWER_CTL 0x2D
#define DATA_FORMAT 0x31

//ITG-3200
//DLPF, Full Scale Register Bits
//FS_SEL must be set to 3 for proper operation
//Set DLPF_CFG to 3 for 1kHz Fint and 42 Hz Low Pass Filter
char DLPF_CFG_0 = 1<<0;
char DLPF_CFG_1 = 1<<1;
char DLPF_CFG_2 = 1<<2;
char DLPF_FS_SEL_0 = 1<<3;
char DLPF_FS_SEL_1 = 1<<4;

byte adxl345[6];

void setup()
{
  //Set serial communication at 9600 baudrate
  Serial.begin(9600);
  
  //Initialize the I2C communication.
  Wire.begin();

  //Set the gyroscope scale for the outputs to +/-2000 degrees per second
  writeI2C(GYRO, DLPF_FS, (DLPF_FS_SEL_0|DLPF_FS_SEL_1|DLPF_CFG_0));
  //Set the sample rate to 100 hz  
  writeI2C(GYRO, SMPLRT_DIV, 9);

  //to enable measurement mode in ADXL345 (measure bit)
  writeI2C(ACCEL, POWER_CTL, 0b00001000);
  //The DATA_FORMAT register controls the presentation of data to Register 0x32 through Register 0x37
  //writeI2C(ACCEL, DATA_FORMAT, 0b0000);
}

void loop()
{
   int data = 0;
   int x, y ,z; //acceleration - ADXL345
   Serial.println("");
   Serial.println("==============================");
   Serial.println("=ACCELEROMETER DATA (ADXL345)=");
   Serial.println("==============================");
   readI2C(ACCEL,ACCEL_X_L,6);    //ADXL345 multiple-byte read to prevent a change in data between reads of sequential registers
   // each axis reading comes in 10 bit resolution, ie 2 bytes.  Least Significat Byte first!!
   // thus we are converting both bytes in to one int
   x = (((int)adxl345[1]) << 8) | adxl345[0];   
   y = (((int)adxl345[3]) << 8) | adxl345[2];
   z = (((int)adxl345[5]) << 8) | adxl345[4];
   Serial.print("X-axis: ");
   Serial.print(x);
   Serial.print(" Y-axis: ");
   Serial.print(y);
   Serial.print(" Z-axis: ");
   Serial.print(z);
   Serial.println("");
   Serial.println("==============================");
   Serial.println("= GYROSCOPE DATA (ITG-3200)  =");
   Serial.println("==============================");
   //Angular velocity on x axis
   data = readRoll();
   Serial.print("Roll: ");
   Serial.print(data);
   
   //Angular velocity on y axis
   data = readPitch();
   Serial.print(" Pitch: ");
   Serial.print(data);

   //Angular velocity on z axis
   data = readYaw();
   Serial.print(" Yaw: ");
   Serial.print(data);
   delay(10000);
}

int readRoll (void){
  int data = 0;
  data = readI2C(GYRO, GYRO_X_H,1)<<8;
  data |= readI2C(GYRO, GYRO_X_L,1);
  return data;
}
int readPitch (void){
  int data = 0;
  data = readI2C(GYRO, GYRO_Y_H,1)<<8;
  data |= readI2C(GYRO, GYRO_Y_L,1);
  return data;
}
int readYaw (void){
  int data = 0;
  data = readI2C(GYRO, GYRO_Z_H,1)<<8;
  data |= readI2C(GYRO, GYRO_Z_L,1);
  return data;
}
// function to read from a device on I2C bus
byte readI2C(byte devAddress, byte devRegister, int numBytes){
  byte data = 0; 
  int aux = 0;
  
  Wire.beginTransmission(devAddress);   //Set device address on I2C bus
  Wire.write(devRegister);              //Set register to read from device
  Wire.endTransmission();               //Stop

  Wire.beginTransmission(devAddress);   //Set device address on I2C bus
  Wire.requestFrom(devAddress, numBytes);      //read data

  if (numBytes == 1) {
    if (Wire.available()){
      data = Wire.read();
    }
  } else {    //ADXL345 multiple-byte read to prevent a change in data between reads of sequential registers
    while (Wire.available()){
      adxl345[aux] = Wire.read();
      aux++;
    }
  }
  Wire.endTransmission();
  return data;
}

// function to write in a device on I2C bus
void writeI2C(byte devAddress, byte devRegister, byte devData){
  Wire.beginTransmission(devAddress);    //Start tx - set device address on I2C bus
  Wire.write(devRegister);               //Set register from I2C device
  Wire.write(devData);                  //Set value to register 
  Wire.endTransmission();                //Stop tx
}

Result:

IMU Output - Arduino Example
IMU Output – Arduino Example

Module GP-20U7 / GP20U7 – GPS Example with arduino

GP-20U7 is a low-cost GPS module available in SparkFun (check it here).

The GP-20U7 is useful for mobile application, autonomous vehicles and many other applications that requires geographical positioning data.

It requires a 3.3V power supply and a UART port to communicate with your processor (more details on datasheet).

This example was implemented with arduino UNO and the following pins were assigned:

  • Vcc pin from GP-20U7 to 3.3V on arduino
  • GND from GP-20U7 to GND on arduino
  • TX from GP-20U7 to PIN10 on arduino

Below is the code implemented:

// GPS Module - GP-20U7 - Arduino Example Algorithm
//
// Author: Gustavo Bertoli
//
// References:
// https://cdn.sparkfun.com/datasheets/GPS/GP-20U7.pdf
// https://www.arduino.cc/en/Reference/SoftwareSerial
// http://forum.arduino.cc/index.php?topic=288234.0
// 

#include <SoftwareSerial.h> 

SoftwareSerial GPS_Serial(10, 11); // RX, TX

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  GPS_Serial.begin(9600); 
}

void loop() {
   char rc;

   if (GPS_Serial.available()){
        rc = GPS_Serial.read();
        Serial.write(rc);
   }
}

And the output:

GPS GP-20U7 - arduino output
GPS GP-20U7 – arduino output