IOIO在Android手機(jī)中的應(yīng)用與研究

摘要：IOIO是一個(gè)面向Android手機(jī)的軟硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，通過(guò)USB接口實(shí)現(xiàn)Android手機(jī)與外界物理設(shè)備的互動(dòng)。本文介紹了IOIO的硬件特性與開(kāi)發(fā)環(huán)境，給出了如何用IOIO來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)LED控制的實(shí)例。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用IOIO開(kāi)發(fā)Android手機(jī)具有簡(jiǎn)單易用的特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：Android手機(jī)；USB；IOIO

引言
    Android本意指“機(jī)器人”，是Google公司于2007年11月5日宣布的基于Linux平臺(tái)的開(kāi)源手機(jī)操作系統(tǒng)，是當(dāng)今三大智能手機(jī)操作系統(tǒng)之一。它包括操作系統(tǒng)、用戶界面、中間件和應(yīng)用程序，擁有移動(dòng)電話T作所需的全部軟件，同時(shí)，其開(kāi)放性保證該平臺(tái)不存在任何阻礙移動(dòng)產(chǎn)
業(yè)創(chuàng)新的專有權(quán)障礙。因此，其市場(chǎng)份額增長(zhǎng)迅速，軟件生態(tài)系統(tǒng)日漸成熟，大量軟件開(kāi)發(fā)人員投身到Android應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)中來(lái)。
    當(dāng)前Android手機(jī)主要集成了WiFi、藍(lán)牙通信接口，它們具有傳輸速率高、通用性好等優(yōu)點(diǎn)。但是在普適計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域中，大量傳感器、控制設(shè)備往往采用傳統(tǒng)的串行通信、I／O控制等技術(shù)。目前，Android手機(jī)往往缺乏這些接口，雖然可以采用藍(lán)牙轉(zhuǎn)RS232等技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)Android手機(jī)與外部物理設(shè)備的通信與控制，但是藍(lán)牙技術(shù)有通信距離短、不可靠、功耗高等缺點(diǎn)。特別是在低功耗物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中，我們很難采用藍(lán)牙、WiFi通信技術(shù)。因此這在某種程度上制約了Android手機(jī)在以上領(lǐng)域的應(yīng)用。
    IOIO是SparkFun公司出品的一款專門為Android1．5版本以上系統(tǒng)設(shè)計(jì)的通用型開(kāi)源控制模塊，它給開(kāi)發(fā)者提供了免費(fèi)的系統(tǒng)電路圖及系統(tǒng)主板MCU的Firmware，同時(shí)也提供了豐富的Java API接口。IOIO通過(guò)USB接口與Android手機(jī)相連，高度集成了數(shù)字I／O端口、PWM、模擬輸入端口、I2C總線、SPI，以及UART控制器等功能組件，只需通過(guò)簡(jiǎn)單、直觀的Java API驅(qū)動(dòng)程序即可直接操作外部硬件I／O端口，既無(wú)需嵌入式編程，又不用外部編程器，使用方便靈活。因此，通過(guò)IOIO模塊，Android手機(jī)可以方便地整合3G通信網(wǎng)絡(luò)、藍(lán)牙通信、觸摸屏交互技術(shù)、各類傳感器與外圍物理設(shè)備相連，從而增強(qiáng)了手機(jī)與物理世界的信息交互能力，為Android手機(jī)的創(chuàng)新應(yīng)用打下了良好基礎(chǔ)。目前，許多國(guó)際著名品牌的Android手機(jī)和平板電腦都兼容支持IOIO模塊，例如Google、Samsung、HTC、LG、Motorola等。

1 IOIO硬件結(jié)構(gòu)
    IOIO主要采用了低功耗PIC單片機(jī)作為系統(tǒng)控制器，IOIO模塊實(shí)物圖如圖1所示。IOIO硬件電路板上集成了模擬輸入、I2C總線、SPI、UART、GPIO等多個(gè)功能接口部件。主要引腳功能分類如表1所列。

2 IOIO開(kāi)發(fā)環(huán)境
2．1 Android應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)介
    Android操作系統(tǒng)自上向下分成應(yīng)用層、應(yīng)用框架層、組件庫(kù)層、虛擬機(jī)和Linux內(nèi)核層。其構(gòu)架如圖2所示。

    應(yīng)用層(Application layer)。Android操作系統(tǒng)和一系列核心應(yīng)用模塊一起發(fā)布，其核心應(yīng)用模塊主要包括電話短信功能、網(wǎng)頁(yè)瀏覽器、聯(lián)系簿等。
    應(yīng)用框架層(Application Framwork layer)。開(kāi)發(fā)者通過(guò)使用核心應(yīng)用程序來(lái)調(diào)用Android框架提供的API組件。
    組件庫(kù)層(Libraries layer)。Android包含了一套C／C++函數(shù)庫(kù)，主要包括libc、Media Framework、WebKit、OpenGLES、FreeType、SQLite等，這些功能通過(guò)Android應(yīng)用框架展現(xiàn)給開(kāi)發(fā)人員。
    運(yùn)行時(shí)環(huán)境(Android Runtime)。Android包括了一個(gè)核心庫(kù)，該核心庫(kù)提供了Java編程語(yǔ)言核心庫(kù)的大多數(shù)功能。每一個(gè)Android應(yīng)用程序都擁有一個(gè)獨(dú)立的Dalvik虛擬機(jī)實(shí)例。
    Linux內(nèi)核層(Linux kernel layer)。Android底層核心是一個(gè)基于Linux 2．6．23內(nèi)核開(kāi)發(fā)的獨(dú)立操作系統(tǒng)。主要是加了一個(gè)名為Gold fish的虛擬CPU以及Android運(yùn)行所需的特定驅(qū)動(dòng)代碼。該層用來(lái)提供系統(tǒng)的底層服務(wù)，包括安全機(jī)制、內(nèi)存管理、進(jìn)程管理、網(wǎng)絡(luò)堆棧及一系列的驅(qū)動(dòng)模塊。
2．2 IOIO軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境要求
    IOIO模塊的應(yīng)用開(kāi)發(fā)需要安裝以下軟件工具：
    ◆Eclipse IDE(Integrated Development Environment)；
    ◆Android SDK(Software Development Kit)，只能采用V6．0版本；
    ◆JDK(Java Development Kit)；
    ◆下載IOIOLib庫(kù)。它為Android手機(jī)提供了豐富的接口API，例如Digital I／O、模擬輸入、PWM輸出、Pulse輸入、串行UART、SPI、I2C總線等。
    圖3為IOIO軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境界面。

3 IOIO應(yīng)用開(kāi)發(fā)實(shí)例——LED亮滅控制
    IOIO模塊引腳0連接的是板載LED的正極，LED負(fù)極接地，因此高電平點(diǎn)亮，低電平熄滅，實(shí)驗(yàn)效果如圖4所示。

    該演示程序核心Java代碼如下：
    
   
   
    從以上LED控制實(shí)例中可以發(fā)現(xiàn)，基于IOIO的IOIOLib庫(kù)，可以方便快速地構(gòu)建Android手機(jī)電子互動(dòng)應(yīng)用系統(tǒng)，IOIO具有簡(jiǎn)單易用的優(yōu)勢(shì)。

結(jié)語(yǔ)
    IOIO是一個(gè)開(kāi)放的人機(jī)互動(dòng)平臺(tái)，為Android手機(jī)提供了豐富的I／O接口資源，拓展了Android手機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域，增強(qiáng)了Android手機(jī)與物理世界的信息交互能力，相信在物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代會(huì)不斷涌現(xiàn)出大量Android移動(dòng)創(chuàng)新應(yīng)用系統(tǒng)，這將有利于信息物理系統(tǒng)的發(fā)展。