1 Einleitung
1.1 Android
Android ist ein Betriebssystem, das besonders im Smartphone- und Tablet-Bereich eingesetzt wird. Entwickelt wird es hauptsächlich von der sogenannten Open Handset Alliance, die von Google angeführt wird.
Im Kern von Android befindet sich der Linux-Kernel, der gänzlich unter der Open-Source-Lizenz General Public License (GPL) entwickelt wird. Der Linux-Kernel ist ein Stück Software, um unter anderem Hardware anzusteuern und Speicher zu verwalten. Außerdem werden Prozesse und Rechte zur Verfügung gestellt. Generell kann der Linux-Kernel als »Fundament« des Betriebssystems aufgefasst werden. Bis vor Kurzem wurde Linux vor allem in Server- und Embedded-Systemen verwendet. Dies änderte sich aber schlagartig in den letzten Jahren mit der rasanten Verbreitung von Android.
Linux
Linux ist ein Betriebssystemkern, der vom Hacker und Bastler Linus Torvalds in seiner Studienzeit entwickelt wurde. Mit der Lizenzierung unter GPL ermöglichte er die Verbreitung seines Systems ohne Restriktionen, weil er Entwicklern am System möglichst viel Freiraum geben wollte. Heute verbessern tausende Entwickler den Linux-Source-Code. Der »Vanilla-Kernel«, ein Referenz-Kernel von Linux, wird in regelmäßigen Abständen von Linus Torvalds veröffentlicht. Auch führende Technologiekonzerne wie Intel, ARM, Microsoft und IBM arbeiten am Linux-Kernel und tragen mit »Patches« zu dessen Weiterentwicklung bei.
Wie der Kernel ist der Android-Source-Code auch als »Open Source« lizensiert. Allerdings wird für die Bestandteile von Android, die außerhalb des Kernels liegen, eine weniger restriktive Lizenz (zumeist Apache oder LGPL) verwendet. Dies erlaubt es den Hardware-Vertreibern, Modifikationen vorzunehmen, ohne dazu verpflichtet zu sein, den dazugehörigen Source-Code zu offenbaren. Primär hat dies zum Ziel, den Wettbewerb zwischen den einzelnen Vertreibern anzukurbeln und die Plattform wirtschaftlich für Hardware-Hersteller (meist auch Mitglieder der Open Handset Alliance) interessant zu machen.
GPL
GPL ist eine »Copyleft«-Lizenz. Bei der Erweiterung von GPL-lizenziertem Source-Code muss dieser mit der gleichen GPL-Lizenz weitergegeben werden. Dies führt dazu, dass alle Änderungen, die am Source-Code vorgenommen werden, dem originalen Verfasser mitgeteilt werden müssen. Bei einer Apache-Lizenz ist das nicht nötig, allerdings muss bei Weiterentwicklungen eine Notiz vorhanden sein, dass der Source-Code auf einem Apache-lizenzierten Ausgangsprojekt beruht.
Das Hauptinteresse von Google ist es, die Android-Plattform zu verbreiten, sodass Endbenutzer in Zukunft möglichst viele Dienstleistungen über den Suchmaschinengiganten in Anspruch nehmen. Zusätzlich bemüht sich Google, ein »Entwickler-Ökosystem« zu pflegen, das als zentralen Bestandteil den Google Play Store hat. Entwickler sollen in der Lage sein, gewinnbringend Applikationen – die bekannten Android-Apps – zu vermarkten, und Google ist dabei am Erfolg beteiligt (30 Prozent des Preises einer App gehen beim Kauf an Google).
Die »Google Play«-App selbst ist – wie auch die Apps »GMail« und »Google Maps« – nicht Open Source und wird dem Kunden nur zur Verfügung gestellt, wenn die Hardware und die Android-Implementierung den Standards der Open Handset Alliance entsprechen. Dies erfolgt aus Gründen der Qualitätssicherung.
Android ist für Entwickler interessant, da es statt klassischer Softwareentwicklung eine nahezu geniale Einbettung von Applikationen in das Betriebssystem erlaubt. Mit akribisch genauer Dokumentation und guten Tutorials für das Android Software Development Kit (Android SDK) motiviert Google Entwickler, das Betriebssystem als Basis für ihre nächste große App zu verwenden.
Android SDK
Das SDK ist zentraler Bestandteil der Android-Philosophie. Auch mitgelieferte Apps wie »Telefon«, »E-Mail« und »Browser« basieren auf dem SDK. Regelmäßig veröffentlicht Google neue Versionen des SDKs, die es den Entwicklern erlauben, neue Features in ihre Apps einzubauen.
Als Programmiersprache für Android-Apps wird überwiegend Java verwendet. Mit der Möglichkeit, nativen Code in C/C++ zu schreiben und diesen via Java Native Interface (JNI) einzubinden, existiert zusätzlich die Option, zeitkritische Komponenten einer App auszulagern. In diesem Buch werden wir uns allerdings auf die klassische Android-Entwicklung mit Java konzentrieren.
Der Open-Source-Charakter des Betriebssystems zieht sehr viele Entwickler an. Allein schon die Möglichkeit, in den Source-Code des Betriebssystems Einblick zu nehmen, um Software-Patterns zu lernen und Bestandteile eines modernen Systems zu erkunden, begeistert viele Software-Entwickler. Auch der Bestandteil Linux ist ein Faktor, warum Bastler und Hobbyisten gerne mit Android arbeiten. Denn für Linux gibt es Hardware-Treiber wie Sand am Meer – und alle sind frei verfügbar.
1.2 Arduino
Die Marke Arduino hat vieles gemeinsam mit Android. Arduino ist eine Entwicklerplattform für Hardware. Neben den Hardware-Boards, die mit leistungsfähigen Mikrocontrollern ausgestattet sind, ist auch die Softwareplattform Arduino IDE (IDE = Integrated Development Environment) als Entwicklungsumgebung ein wichtiger Teil des Projekts. Beide Bestandteile, Hardware und Software, sind als Open Source verfügbar. Der Name Arduino ist allerdings als Marke eingetragen und geschützt.
Arduino-Boards
Originale Arduino-Boards werden in Italien hergestellt und weltweit vertrieben. Die Erfinder von Arduino arbeiten konstant an Verbesserungen bestehender Boards und an neuen Shields, die es ermöglichen, die Arduinos mit Peripherie zu erweitern.
Während der letzten zwei Jahre erlebte die Hardware-Branche mit Arduino etwas Unvorstellbares. Open-Source-Hardware, die jeder kopieren und vertreiben kann, bricht als Geschäftskonzept alle Regeln der Betriebswirtschaft. Mit einem Mix aus Markenstärke, durchdachtem Vertrieb und Weiterentwicklung der Arduino-Plattform schaffte es das Produkt in praktisch jedes Zimmer und jede Garage der passionierten Hobbytüftler. Wenn man heute einen Arduino kauft, dann kauft man Qualität sowie Kompatibilität, und dafür steht die Marke Arduino.
Für dieses Buch werden wir uns mit dem Arduino Due befassen. Er ist ein Entwicklerboard, das mit einem Cortex-M3 als Mikrocontroller bestückt ist und Aus- und Eingänge für Peripherie besitzt, z. B. serielle Schnittstelle, SPI, D/A-Wandler, A/D-Wandler und CAN.
Die Kommunikation mit Android ist ohne Zukauf von Modulen über USB möglich. Dies kann beim Arduino Due auf zwei Arten geschehen:
1. Arduino als USB-Device
Der Arduino wird über den USB-Seriell-Wandler (USB-Serial-Konverter) von Android angesprochen, dazu übernimmt Android die Rolle des USB-Hosts; je nach Gerät erfolgt dies mit einem USB-OTG-Konverter (USB On-The-Go). Gewisse Tablets verfügen über einen herkömmlichen USB-A-Port, wie er vom Desktop-PC bekannt ist. Der Arduino wird dabei vom Android-Gerät mit Strom versorgt und muss nicht extern gespeist werden.
2. Arduino als USB-Host
Der Arduino übernimmt die Rolle des USB-Hosts und versorgt das Android-Gerät mit Energie. Hierzu wird auf der Seite von Android die Android Accessory API verwendet und der Arduino als sogenanntes »Accessory« betrieben.
Auf beide Varianten wird in den kommenden Teilen des Buchs näher eingegangen.
Der Arduino kann so die Schnittstelle zur »realen Welt« werden und externe Hardware ansteuern. Vom Toaster-Regulator bis zur Rasenmäher-Steuerung sollte so alles möglich sein.
In Verbindung mit einem Arduino kann ein Android-Tablet oder ein Smartphone also in eine »Controller-Steuerung« verwandelt werden. Im Speziellen können dazu die Vorteile des Android-Betriebssystems ausgenutzt werden, z. B. Wi-Fi und Bluetooth oder Beschleunigungssensoren und Touchscreen.
Bluetooth und Wi-Fi
Natürlich könnte man auch den Arduino mit einen Bluetooth- oder Wi-Fi-Modul ausstatten. Allerdings ist es wesentlich einfacher, diese Bestandteile dem schon konfigurierten Smartphone zu übergeben und sich nicht um das Debuggen dieser Kommunikationsprotokolle auf niedriger Ebene kümmern zu müssen. Gerade wenn es darum geht, einen Netzwerk-Stack zu implementieren, greift man gerne auf Embedded-Systeme zurück, welche bereits Kernel-Treiber zur Verfügung haben.
Der Universal Serial Bus (USB) ist zentraler Bestandteil der Kommunikation zwischen Android und Arduino. In diesem Buch werden die zwei verschiedenen Varianten Accessory API und USB Serial genauer unter die Lupe genommen. Die Variante...
