\chapter{Plataforma de Desarrollo} Una vez que hemos detallado los requisitos y objetivos de este proyecto, vamos a describir en este capítulo la plataforma de desarrollo empleada, tanto hardware como software. Además, describiremos el repertorio de bibliotecas en las que nos hemos apoyado para la realización del proyecto. \section{Plataforma Hardware} Presentamos ahora de una manera más detallada los componentes hardware que hemos utilizado para este proyecto: un par de cámaras para obtener las imágenes y vídeos, una solución hardware barata y de bajo consumo para procesamiento y un dispositivo móvil inteligente de última generación. \subsection{Tecnología VIA: PicoITX} \label{subsec:picoitx} El desarrollo de este proyecto lo hemos realizado pensando en que su ejecución se realizará en \emph{hardware} básico, de poco consumo, de bajo coste y de limitado procesamiento. Todo ello, con el fin de abaratar costes, optimizar algoritmos y ofrecer una solución al mayor número potencial de usuarios. \emph{VIA Technologies}, empresa fundada en \emph{Silicon Valley (Fremont, California)} se dedica a crear \emph{chipsets} y procesadores de bajo consumo, altamente eficientes y muy integrables con otros sistemas. A principio de los años 90 se convierte en uno de los principales distribuidores de chipsets y procesadores de bajo consumo, teniendo a día de hoy una oferta de soluciones muy amplia para diversos necesidades. Para nuestro proyecto hemos utilizado una de sus últimas soluciones en bajo coste y consumo. Se trata de la placa \emph{Pico-ITX} (\ref{fig:pico-itx}), cuyas dimensiones son realmente pequeñas, \emph{10 x 7.2} cm y monta un procesador \emph{VIA C7} de 1Ghz de velocidad. Además, esta placa nos provee de 4 conexiones USB, 1 \emph{Firewire}, 1GB de memoria RAM DDR2 533, conector \emph{SATA} donde se ha colocado un disco duro de 120 GB de capacidad. Además, gracias a su conexión ethernet 10/100 podremos tener conectividad con ella. Todos estos componentes los hemos integrado en una caja especial para \emph{Pico-ITX} denominada \emph{ARTIGO Pico-ITX} (\ref{fig:artigo}) que ofrece una mejor disipación de calor e integración de los conectores. Este sistema completo tiene un coste aproximado de 300\euro. \begin{figure}[htbp] \begin{center} \subfigure[]{\label{fig:pico-itx}\includegraphics[height=3.2cm]{img/pico-itx}} \hspace{0.3cm} \subfigure[]{\label{fig:artigo}\includegraphics[height=3.0cm]{img/via-artigo}} \hspace{0.3cm} \subfigure[]{\label{fig:artigo-montado}\includegraphics[height=3.2cm]{img/pico-artigo-montado}} \end{center} \caption{ Placa base \emph{Pico-itx} (a), kit ARTIGO (b) y montaje final (c)} \label{fig:pico} \end{figure} Una de las características más importantes de este sistema y por la cual nos hemos decantado por él, es que únicamente necesita 12V para su correcto funcionamiento. Esto quiere decir, que podemos utilizar el sistema enganchado a la red normal, o a una batería típica de coche de 12V dando una posibilidad muy alta de integración en cualquier emplazamiento. \subsection{Cámaras USB / Cámaras Inalámbricas} \label{subsec:cameras} Para este proyecto, como ya hemos explicado, es necesario tener un conjunto de cámaras como sensores principales del sistema. El sistema soporta cualquier cámara \emph{video for linux} (\emph{V4L} y \emph{V4L2}) que es soportada por el kernel de Linux. Para nuestros prototipos y solución final se han utilizado 2 tipos de cámaras. La primera de ellas es la Logitech webcam Pro 9000 (\ref{fig:logitech}) que se conecta mediante USB al \emph{pico-itx} y ofrece una tasa de flujo de vídeo de 25fps. La segunda cámara que hemos utilizado se trata de una cámara inalámbrica (\ref{fig:inalam}) alimentada por una pila de 4V cuya señal analógica la convertimos en digital para que llegue al sistema a través de conexión USB. Esta cámara ofrece resoluciones pequeñas (320x240) pero es ideal para colocar en cualquier sitio poco accesible y sin toma de corriente cercana. \begin{figure}[htbp] \begin{center} \subfigure[]{\label{fig:logitech}\includegraphics[height=3.5cm]{img/logitech-webcam}} \hspace{0.6cm} \subfigure[]{\label{fig:inalam}\includegraphics[height=3.5cm]{img/cam-inalambrica}} %\hspace{0.3cm} %\subfigure[]{\label{fig:receiver}\includegraphics[height=3.2cm]{img/receiver}} \end{center} \caption{ Logitech 9000 (a), cámara inalámbrica (b)} \label{fig:cameras} \end{figure} \subsection{Teléfonos Móviles} \label{subsec:telefono-movil} Uno de los requisitos que comentamos en la sección~\ref{sec:requisitos} es que el sistema tendría como agente activo un dispositivo móvil inteligente o \emph{smartphone}. A continuación vamos a detallar el dispositivo móvil seleccionado y el porqué de su selección. El dispositivo móvil que hemos utilizado para este proyecto es el \emph{smartphone} de Google denominado \emph{Nexus One} (fig.~\ref{fig:nexus}). Este dispositivo, fabricado por \emph{HTC}, incorpora el sistema operativo \emph{Android} del que más adelante hablaremos. El \emph{Nexus One} dispone de una pantalla táctil de 3.7 pulgadas lo que hace realmente fácil su uso y el de las aplicaciones. Permite una resolución de 800x480 píxeles lo que da mucho juego para mostrar información variada del sistema. Dispone de un procesador \emph{Snapdragon} de 1Ghz y 512 MB de ROM lo que nos permite programar en un dispositivo móvil aplicaciones bastante exigentes. Además, dispone de múltiples conexiones para asegurar su conectividad: 2G/3G, WiFi, Bluetooth e incorpora sensores de última generación como sensor de luz, GPS y brújula digital. \begin{figure}[htbp] \begin{center} \subfigure[]{\label{fig:nexus1}\includegraphics[height=4.5cm]{img/nexus-one}} \hspace{0.6cm} \subfigure[]{\label{fig:nexus2}\includegraphics[height=4.5cm]{img/nexus-one2}} \end{center} \caption{Nexus One, smartphone de Google fabricado por HTC.} \label{fig:nexus} \end{figure} \subsubsection{Historia de los Teléfonos Android} El primer \emph{smartphone} que comercializó Google fue \emph{HTC Dream} a finales del años 2008. Este teléfono llevaba \emph{Android} como sistema operativo, que se desarrolló dentro del marco de la OHA (\emph{Open Handset Alliance}) y a día de hoy existen más de 200 móviles diferentes con dicho sistema. Desde luego, parece una buena plataforma para desarrollar (gracias a que es software libre) y para distribuir ya que poco a poco va comiendo mercado a sus directos competidores (\emph{iPhone} y \emph{BlackBerry}). Por tanto, no es casualidad que se haya optado por este dispositivo y este sistema operativo. A principios del año 2010 los responsables de Google-Android hablaban de las ventas: más de 60.000 unidades vendidas cada día en todo el mundo. A principios de mayo un estudio de \emph{NDP} (fig.~\ref{fig:estudio}), grupo dedicado al consumo, mercado y estadísticas, reveló que por primera vez las ventas de Android en EE.UU superaron a las ventas de iPhone. Son cifras a tener en cuenta y a estudiar ya que deseamos que este sistema, que ejecuta sobre Android, tenga la mayor penetración posible en el mercado. \begin{figure}[htbp] \begin{center} \includegraphics[height=5.5cm]{img/npd-mobile_500} \end{center} \caption{ Android superó en ventas al iPhone en el Q1 de 2010} \label{fig:estudio} \end{figure} \section{Plataforma Software} La implementación de este proyecto consiste en un conjunto de componentes software que se apoyan unos en otros, ofreciendo así el comportamiento deseado. Presentamos en esta sección el software y librerías auxiliares que hemos utilizado para la realización de este proyecto. \subsection{Sistema operativo y lenguaje} Debian\footnote{http://www.debian.org/} es una distribución basada en GNU/Linux, de libre distribución (software libre), multitarea y multiusuario. Concretamente hemos utilizado su versión estable,\emph{Debian Lenny}, apoyándose en la versión \emph{2.6.30-486} del kernel de Linux. Es un sistema operativo más que probado en arquitecturas de 32 bits, robusto, ágil y con un número extenso de aplicaciones y librerías instalables. En cuanto a los lenguajes de programación utilizados, debemos diferenciarlos dependiendo de los dispositivos utilizados. Una de las partes importantes del sistema es la programación con el \emph{middleware} distribuido ICE (apartado \ref{subsec:jde}). En la parte del \emph{PicoITX} se ha desarrollado todo en C y C++, utilizando la arquitectura JDEROBOT (apartado \ref{subsec:jde}), que permite la reutilización o integración de partes de código gracias a la gran comunidad que hay alrededor de estos lenguajes de programación. Por último, en la parte del dispositivo móvil hemos utilizado \emph{JAVA} para implementar las funcionalidades requeridas en \emph{Android} \subsection{JDEROBOT suite y ICE} \label{subsec:jde} La plataforma que hemos elegido para la realización de este proyecto es \emph{JDEROBOT 5.0}\footnote{http://jderobot.org/}. Este entorno, inicialmente diseñado para crear comportamientos en robots móviles, ha sido creado y diseñado por el Grupo de Robótica\footnote{http://www.robotica-urjc.es/} de la Universidad Rey Juan Carlos a lo largo de más de 5 años de trabajo como proyecto de software libre. \emph{JDEROBOT} facilita la creación de aplicaciones para que el robot se comporte de una determinada manera y exhiba conductas autónomas. Para ello resuelve los aspectos más generales de la programación de robots, como son el acceso a los sensores y actuadores, la multitarea, interfaces gráficas y las comunicaciones entre componentes. Añadiendo a todo esto software inteligente, se puede conseguir comportamientos avanzados. Los escenarios típicos donde \emph{JDEROBOT} tiene un uso claro son la robótica, domótica y visión. Desde hace bastantes años, el uso de \emph{middlewares} resulta esencial para desarrollar aplicaciones de calidad y dedicar el esfuerzo en la nueva funcionalidad y no en ``reinventar la rueda''. Siguiendo esta filosofía, JDEROBOT basa su arquitectura de comunicación en el middleware\emph{ICE} (\cite{henning04}) que le provee de una capa de abstracción sobre la red y sus conexiones. Gracias a este middleware se pueden distribuir aplicaciones sin necesidad de tener un experto en redes y comunicaciones. \emph{ICE} provee de serie la interoperabilidad entre diferentes lenguajes, lo que ayudará en gran medida al desarrollo de este proyecto. La arquitectura de JDEROBOT (\cite{lobato10}) se basa en pequeñas unidades de comportamientos denominadas \emph{componentes}. Estos componentes, interconectados entre sí mediante \emph{ICE}, son flujos de ejecución independientes (modulable, iterativo, y que puede ser activado o desactivado a voluntad) con un determinado objetivo. En cada uno de estos componentes se encapsula diferente funcionalidad que podrá ser reutilizada en posteriores ocasiones. Para dicha reutilización es necesario que los componentes definan un interfaz para que otros componentes pueda interactuar con él. Siguiendo la línea de comportamiento basados en componentes, nuestro software en este proyecto se compondrá de 5 componentes. La comunicación entre los componentes la provee \emph{ICE} a través de los interfaces definidos en el lenguaje \emph{SLICE} (\emph{Specification Language for ICE}), que ayuda a definir la manera de comunicación y parámetros usados entre componentes. Un ejemplo de este tipo de definición de interfaces se puede observar en el listado \ref{list:ejemplointerfazice}. De este interfaz se pueden obtener sus proxys en diferentes lenguajes como C++, python y JAVA entre otros. \begin{lstlisting}[language=c++,float=htbp,caption=Definición del interfaz Image,label=list:ejemplointerfazice] module jderobot{ ... interface Image{ /** * Returns the image source description. */ idempotent ImageDescription getImageDescription(); /** * Returns the latest data. */ idempotent ImageData getImageData() throws DataNotExistException, HardwareFailedException; }; \end{lstlisting} \subsection{Android} \label{subsec:android} Se puede definir \emph{Android} como un conjunto de software para móviles que incluye un sistema operativo, un \emph{middleware} y un conjunto de aplicaciones clave. Además, dispone de un kit de desarrollo denominado \emph{SDK Android}, que provee las herramientas y \emph{APIS} necesarias para empezar a desarrollar aplicaciones para la plataforma \emph{Android} usando el lenguaje de programación \emph{JAVA} \subsubsection{Arquitectura} La arquitectura general de \emph{Android} se basa en el kernel de Linux como se puede observar en la figura \ref{fig:android-arch}. \emph{Android} parte de un kernel 2.6.24 para sustentar todos los niveles del framework. Su \emph{runtime} se basa en una máquina virtual java, denominada \emph{DALVIK} que está optimizada para requerir poca memoria y está diseñada para permitir ejecutar varias instancias de la máquina virtual simultáneamente, delegando en el sistema operativo el soporte de aislamiento de procesos, gestión de memoria e hilos. En este mismo nivel se encuentran las librerías del sistema típicas en entornos GNU/Linux como por ejemplo \emph{SGL}, \emph{SSH}, \emph{OpenFL} o \emph{libc}. Encima de esta capa se encuentra el \emph{framework}, programado en JAVA, que ofrece funcionalidad y acceso al gestor gráfico, gestor de contenidos, diferentes controladores de teléfono, localización y conectividad. Todo ello, permite generar aplicaciones de una manera sencilla y que corran en un dispositivo móvil (\cite{android2010}). \begin{figure}[htbp] \begin{center} \includegraphics[height=8.0cm]{img/android-architecture} \end{center} \caption{Componentes generales del sistema operativo \emph{Android}} \label{fig:android-arch} \end{figure} \subsubsection{Fundamentos de una aplicación Android} La plataforma de Android proporciona diferentes componentes a la hora de programar en función del objetivo de tu aplicación. Android provee cuatro tipos diferentes de componentes: \begin{itemize} \item \emph{Activity}: Una actividad es el componente más usado en las aplicaciones Android. Típicamente una actividad representa una pantalla individual en el terminal y presenta una interfaz gráfica al usuario. Por ejemplo, en una aplicación de listado de teléfonos utilizaríamos dos actividades. Una para mostrar el listado de nombres y teléfonos y la segunda para mostrar la información detallada del contacto seleccionado. La navegación entre las pantallas se realiza iniciando nuevas actividades. Cuando una actividad es abierta, la actividad previa es puesta en pausa y agregada el \emph{history stack} y no volverá al estado de ejecución hasta que vuelva a ser invocada. \item \emph{Services}: Un servicio no tiene interfaz gráfica, pero puede ejecutarse en segundo plano por un tiempo indefinido (se asemeja mucho al demonio de los sistemas Linux). Por ejemplo, podemos utilizar un servicio para que vaya capturando cada cierto tiempo la posición GPS y nos avise cuando estemos cerca de algún amigo. Mientras tanto el usuario puede seguir realizando otras tareas. \item \emph{Broadcast receivers}: Este tipo de componentes se utilizan para recibir y reaccionar ante ciertas notificaciones \emph{broadcast}. Este tipo de componentes no tienen interfaz gráfica y pueden reaccionar ante eventos como cambio de zona horarias, llamadas, nivel de batería ... Todos los \emph{receivers} heredan de la clase base \emph{BroadcastReceiver}. \item \emph{Intent}: Este tipo de componentes es una clase especial que usa Android para moverse de una pantalla a otra. Un \emph{Intent} describe lo que una aplicación desea hacer. Cualquiera \emph{activity} puede reutilizar funcionalidades de otros componentes con solo hacer una solicitud en la forma de \emph{Intent}. %\item Content providers: \end{itemize} Para la realización de este proyecto, la aplicación Android se basa en un conjunto de Actividades que se comunican a través de \emph{Intents} para realizar el paso de parámetros correspondiente. \subsubsection{Ciclo de vida de una aplicación Android} En la mayoría de los casos, una aplicación Android ejecuta dentro de su propio proceso Linux. El proceso es creado para ejecutar el código de la aplicación y es el sistema quien pedirá y reclamará su memoria para reasignarla a otra aplicación. Una característica peculiar en Android es que el tiempo de vida de un proceso no es controlado directamente por la aplicación. Es el sistema quien decide y determina el tiempo de vida basándose en el uso y capacidades del sistema. Para determinar qué procesos deberían ser eliminados ante una condición baja de memoria, Android prioriza los procesos bajo una jerarquía para asignar a cada proceso una \emph{importancia} en el sistema. Existen diferentes procesos de acuerdo a esta jerarquía: \begin{itemize} \item \emph{Foreground Process}: Es un proceso de primer plano que aloja una \emph{activity} en la pantalla y con la que el usuario está interactuando (su método \emph{onResume()} ha sido llamado) ó que un \emph{IntentReceiver} está ejecutándose. Este tipo de procesos serán eliminados como último recurso si el sistema necesitase memoria. \item \emph{Visible Process:} Es un proceso que aloja una \emph{activity} pero no está en primer plano (su método \emph{onPause()} ha sido llamado). Esto ocurre en situaciones donde la aplicación muestra una cuadro de diálogo para interactuar con el usuario. Este tipo de procesos no será eliminado a caso que sea necesaria la memoria para mantener a todos los procesos del primer plano corriendo. \item \emph{Service Process:} Es un proceso que aloja un \emph{service} que ha sido iniciado con el método \emph{startService()}. Este tipo de procesos no son visibles y suelen ser importantes para el usuario (conexión con servidores, reproducción de música). \item \emph{Background Process:} Es un proceso que aloja una \emph{activity} que no es actualmente visible para el usuario (su método \emph{onStop()} ha sido llamado). Normalmente la eliminación de estos procesos no suponen un gran impacto para la actividad del usuario. Es muy usual que existan numerosos procesos de este tipo en el sistema, por lo que el sistema mantiene una lista para asegurar que el último proceso visto por el usuario sea el último en eliminarse en caso de necesitar memoria. \item \emph{Empty Process:} Es un proceso que no aloja ningún componente. La razón por la que existe este proceso es para tener una cache disponible de la aplicación para su próxima activación. Es común, que el sistema elimine este tipo de procesos con frecuencia para obtener memoria disponible. \end{itemize} En el presente proyecto, todas las actividades ejecutadas en la aplicación \emph{Android} utilizan \emph{Foreground Process} cuando están activas y \emph{Visible Process} cuando son llevadas a segundo plano. \subsubsection{Ciclo de vida de una Activity} A continuación vamos a hablar del ciclo de vida de una \emph{Activity} y de cómo influyen en la ejecución de la aplicación. Es muy necesario comprender bien éste ciclo para poder aprovechar las posibilidades que nos ofrece la arquitectura de \emph{Android}. Toda \emph{Activity} sigue un ciclo, el paso entre esos estados se pueden deber a la ejecución de código o a la intervención del usuario. Como se puede observar en la figura \ref{fig:act_lifecycle}, hay estados destinados a realizar algunas acciones y algunas que, simplemente, no se usarán nunca. \begin{figure}[htbp] \begin{center} \includegraphics[height=20.0cm]{img/activity_lifecycle} \end{center} \caption{Esquema del ciclo de vida de una \emph{Activity}} \label{fig:act_lifecycle} \end{figure} Una \emph{Activity} es una única y focalizada vista con la que el usuario puede interactuar. Casi todas las Activity, al interactuar con el usuario, se encargan de crear una ventana para colocar la intefaz gráfica. \emph{Android} almacena y ordena las \emph{Activity} creadas en una pila. Cuando una nueva Activity se crea, se coloca en lo más alto de la pila y se convierte en la Activity en curso y la \emph{Activity} anterior permanece justo debajo, en modo pausa, y no volverá al frente hasta que la nueva \emph{Activity} finalice. \subsubsection{Desarrollo de una actividad} A la hora de programar una actividad (una pantalla) en \emph{Android} resulta bastante sencillo debido a su arquitectura. Para ello, tenemos que tener en cuenta que el interfaz gráfico se define en un archivo \emph{XML} y la lógica se programa en una clase \emph{JAVA} (modelo vista-controlador). En el listado \ref{list:screen-xml} se muestra el código \emph{XML} necesario para posicionar 2 botones y un texto en la pantalla. \begin{lstlisting}[language=xml,float=htbp,caption=Layout definido en XML,label=list:screen-xml] \end{lstlisting} La parte visual está ya definida, y por tanto lo único que queda es programar la parte lógica en un clase en \emph{JAVA}, tal como puede observarse en el listado \ref{list:java-class}. \begin{lstlisting}[language=java,float=htbp,caption=Clase en Android,label=list:java-class] public class LocationActivity extends Activity { private ProgressDialog pd; private Button btUpdate; private TextView txtLocation; private Location currentLocation; protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) { super.onCreate(savedInstanceState); setContentView(R.layout.main); btUpdate = (Button)this.findViewById(R.id.btUpdate); txtLocation = (TextView) this.findViewById(R.id.tvGPS); } } \end{lstlisting} \newpage \subsubsection{Entorno de programación} \emph{Android} ofrece un conjunto de herramientas a disposición del desarrollador que hacen más sencilla la programación en dispositivos móviles. Para este proyecto hemos utilizado la versión 2.1 del SDK de desarrollo\footnote{http://developer.android.com/}. Además, \emph{Android} ofrece una extensión muy completa para el entorno de desarrollo de \emph{Eclipse} que facilita el acceso al \emph{API}, al emulador y al depurador. En la figura \ref{fig:android-sdk} se puede observar el entorno de desarrollo de \emph{Eclipse} con la extensión para \emph{Android} y el emulador arrancado. El emulador de \emph{Android} es una herramienta muy potente, ya que es muy fiable y con un alto porcentaje de robustez. Aunque es algo lento, como la mayoría de los emuladores, tiene dos grandes puntos a su favor. El primero es que puedes emular casi todas las características reales del móvil: fallos en la red, cámara de fotos, SMS, llamadas o posicionamiento \emph{GPS}. El segundo es su fiabilidad, aplicación que pruebas y funciona correctamente en el emulador, lo hace igual de bien en el dispositivo móvil real. \begin{figure}[htbp] \begin{center} \includegraphics[height=8.0cm]{img/android-sdk} \end{center} \caption{Entorno de desarrollo \emph{Android}} \label{fig:android-sdk} \end{figure} % LocalWords: ITX