Android / NXT 機器人大戰：智慧型手機控制...

名人推薦：國立台灣師範大學 應用電子科技學系   許陳鑑教授   
國立臺北教育大學 數位科技設計學系   范丙林教授
清雲科技大學資訊工程系主任  魯大德教授
樹德科技大學資訊管理系   胡舉軍教授                              聯合推薦


【推薦序】
機器人相關產業在近年來蓬勃發展，被認定是一極具潛力的明星產業，因應這種發展趨勢，在政府、產業界、與教育單位的積極推動下，機器人教育所受到的重視也與日俱增，各大專院校都開設有機器人相關課程，協助學生積極做好準備，迎接機器人產業化代的到來。
綜觀機器人產業之特性，...

Ch1 Android來勢洶洶
自從2007年11月5日正式發表開始，Android這個詞彙開始出現於各大手機專業報章雜誌，以Android為作業系統的行動裝置也從2008年的第一支HTC Dream (別名G1)逐漸增加到目前已超過上百種，而採用Android的行動裝置的種類更從手機逐漸擴展至平板電腦、GPS、甚至NetBook。
讀者們接下來將可以從本章了解Android的發展歷史、Google對於Android的市場定位、Android的系統架構、以及Android的未來發展。

1-1智慧型行動裝置浪潮
就從講古開始吧，但暫且不提遠古時期的Palm以及Windows Mobile 6.5等「PDA手機」(註一)，讓時光回溯至2005年（是的，3C產業的5年前已經算是古代了），當年Google已成為搜尋引擎之霸主，其手上擁有之資源，尤其是現金，多到不知如何利用時，除了繼續壯大那已令它名利雙收的搜尋引擎之外，同時也開始將研發觸角擴展至其他的計畫，包括ADAPT的無人自動車、潮汐發電以及智慧型行動裝置。

隨著Apple於2007年6月發表了叱吒市場三、四年的iPhone，其從Mac OS X 移植過來的作業系統iOS完美地整合了手機、PDA、iTune等應用，同時又將觸控螢幕的硬體操控能力發揮到淋漓盡致等等讓消費者驚艷的表現，再加上設計了創意性的App Store供第三方程式設計師設計軟體配合軟體銷售所帶來的龐大軟體販售收益，再再讓原本平靜無波的手機市場翻騰，更讓各大3C產業公司亟欲發展自有之產品及相似的商業模式以儘快從市場裡分得一杯羹。

Android 是一個作業業系統的名稱，也曾經是一家公司的名稱(Android Inc.)，Android的開發目標即是為了消費者提供一智慧型之行動裝置作業系統，當時Google挾帶本身所擁有的包含搜尋引擎、Google Map、Gmail等已在市場上既存的優勢服務，市場上傳言Google將仿效 Apple 開發自有品牌手機，並將以LBS(Location-Based Services， 註二)之創新應用準備強勢進入當時的手機市場，而Google在2005年買下Android 這家公司後就秘密地以Android為基礎進行手機作業系統的開發，令市場詫異的是，Google並未如眾人以為的仿效Apple自行開發包含軟硬體的品牌手機與iPhone直接競爭，卻是在2007年11月5日 帶領了一群尚未在電信服務或手機軟硬體等手持行動裝置產業獲得市場認同的公司，組成了開放手持裝置聯盟(Open Handset Alliance，OHA)，同時也發表了他們的行動裝置平台，就是Android，此時各方評論方才恍然大悟，原來Google要走的是一條與Apple iPhone不同的路，而且仍然秉持著Google一直以來開放而且免費的精神，讓耗費巨資開發出來的Android 成為開放式行動裝置作業系統，硬體廠商只要遵循Google的版權規範，即可以免費販售以Android為作業系統的任何行動裝置。

Google著眼的不是眼前的軟體或硬體的利潤，而是期待未來能藉由龐大的Android 行動裝置數量，在市場上提供更多的加值服務，而這些加值服務所能帶來的商業利益絕非如目前一般硬體廠商辛苦地販售手機所得利潤可以比擬，因為Google已經用Google本身成功的經驗證明了它的可能性，它只是將相同的商業模式再度複製於行動裝置產業。

1-2 Android系統架構與軟體開發
本書著重於Android與NXT間之軟硬體溝通與程式設計，故本節將由軟體開發的角度說明，以便讀者能對Android系統架構有基本的了解。
Android雖然也是植基於Linux，但不同於一般Linux行動裝置(Linux for Mobiles，LiMO) 硬體廠商的做法，其作業系統專屬於特定之裝置，不僅不易移植亦無未來升級之可能性，更無第三方軟體供應商可提供軟體服務；Google將Android 定位於更高層次之泛用型行動裝置作業系統，以便於未來可應用於更多樣的裝置上，並保留作業系統升級的可能性，最重要的是開放式的架構將吸引無數的軟體廠商與開發人員共同協力打造各式各樣的應用。

就軟體開發而言，植基於Linux 的Android當然可以用C開發原生的應用程式（Native App），但著眼於Java語言已經在市場上發展成熟，擁有源源不絕的程式設計師，Google 決定讓 Java成為Android 上最主要的開發方式，目的是要讓Android 能夠在眾多開發人員的共同努力之下成為一個泛用型的行動裝置作業系統。 Android SDK支援幾乎所有目前的Java SDK，除了與展現層有密切關係的Abstract Window Toolkit (AWT) 和 Swing 因為Android SDK已有專屬的圖形介面架構而未被支援，Android SDK的開發方式與環境均Java的世界完全相容。

可想而知，Android 的核心必然存在一個Java虛擬機器(JVM)負責解譯Java byte code，Google為Android 開發了Dalvik 這個JVM 用來執行編譯過的Java class 以最佳化在那些在CPU、記憶體、電源等硬體環境有多重限制的手持裝置，但原本Dalvik 並不是針對Java設計的，它認識的指令集不是Java byte code，而是Dalvik executable(簡稱dex)。為此Android也提供了一個工具dx，可以把 Java bytecode再轉譯成dex供Dalvik執行，而每個Android應用程式都會有一個專屬的Dalvik 虛擬機器(instance)負責執行。

談到這裡其實已經進入了Android 的系統核心，此時讀者們可以看一下Android的系統架構圖，由下到上，可以看到紅色的 Linux Kernel，綠色的Libraries，黃色的Android Runtime(包含Core Library及JVM)，以及藍色的Application Framework及 Applications：


資料來源: Google IO Developer Conference

而基於目前作業系統設計的潮流多採用硬體抽象層（Hardware Abstract Layer, HAL）架構，在Android　基本的系統架構上，也提出了Android HAL架構，這HAL架構的存在可以把Android framework與Linux kernel隔開，同時也可迴避Linux於商業應用上可能的法律爭議：

資料來源: Google IO Developer Conference

對程式開發人員而言，上述系統架構只要有基本的了解，接下來再熟悉Android SDK就朝向Android程式開發的大門再邁進了一步。

Android SDK是一整套完整的開發工具，包含了公用程式庫、除錯器、手機模擬器、範例程式、以及教學參考文件，支援Linux、Mac OS X、或Windows等作業系統，已經熟悉Java程式開發的讀者們也可以直接在Eclipse這套IDE裡直接安裝Android Development Tools (ADT) Plugin，當然也有程式設計界的大神們堅持不使用任何IDE協助開發，直接用記事本（Text Editor）寫程式、在command line的環境裡進行測試與除錯，筆者並不反對（還會獻上崇高的敬意），只是不適用於大多數的開發人員。

除了上述傳統的開發方式之外，Google於2010年7月又發表了App Inventor for Android，這是一套線上圖形介面的軟體開發工具，只要稍具邏輯概念，就可以在線上將軟體元件拖拖拉拉地組合在一起，快速地打造出一個完整的Android應用程式，此部分將另有專書進行探討。

1-3 Android 版本歷程
Android自從發表之後，平均約每半年即有一次明顯的升級，而從1.5版開始每代Android系統都以甜點的名稱為代號（可能因為在Google工作的人天天都有免費的甜點吃，已經吃成精了），同時以英文字母C字頭的甜點開始命名，依字母順序排列，1.5版是Cupcake（紙杯蛋糕），1.6版是Donut（甜甜圈），2.1版是Éclair（閃電泡芙，一種法式奶油夾心甜點），然後是2.2版的Froyo（冷凍乳酪）、2.3版的Gingerbread（薑餅），以及3.0版專屬於平板裝置的Honeycomb（蜂窩，小熊維尼的甜點…）。並將於2011年底發布可同時用於開發手機與平板裝置的2.4 Ice Cream Sandwich，足見Google對於智慧型裝置的重視。

以下是為有興趣了解Android發展史的讀者們所整理的Android各個版本名稱代號、發表日期、以及重要演進：

表1-1 Android版本演進
名稱代號
發表日期
重要演進
Beta
2007/11/05

1.0/1.1
2008/09/23
第一支Android 手機　HTC Dream同時公開亮相
Android Market　啟用
Google App 與 Android App 整合
1.5
(Cupcake)
2009/04/30
發表Widgets 供嵌入其他App
使用攝影鏡頭錄影
可上傳video/photos 到　YouTube/Picasa
1.6
(Donut)
2009/09/15
語音與文字搜尋可使用於App
大幅改進Camera, Camcorder 及 Gallery 等多媒體應用
支援CDMA/EVDO, 802.1x, VPNs
2.0/2.1
(Eclair)
2009/10/26
修改使用者介面
導入HTML5
支援Exchange ActiveSync 2.5
2.2
(Froyo)
2010/05/20
採用JIT編譯器加速App的執行
整合Chrome 的V8 JavaScript 引擎
支援Adobe Flash
支援USB tethering 及 WiFi hotspot
2.3
(Gingerbread)
2010/12/06
改進使用者介面
改進軟體鍵盤及copy/paste之功能
支援NFC(Near Field Communication)
3.0
(Honeycomb)
2011/02/22
專供平板電腦使用
改進使用者介面
專供平板電腦使用之軟體鍵盤與App
支援多核CPU

下一版本Android的名稱已經確定叫做Ice Cream Sandwich（冰淇淋三明治），預計將於2011年年中發表，這個版本將整合2.3及3.0兩個版本，曾有傳言代號是2.4，但既然名稱已是”I”開頭，我們相信代號會是3.x。

1-4 Android 授權
雖然Google標榜Android是一個免費的開放作業系統，但基於Google本身的商業利益考量，整個Android平台仍有以下三種授權方案：

1. 依Android開放源碼特性的開放性授權方案，廠商可免費使用Android，但不能預載 Google應用程式。
2. 與Google簽署出版授權方案，此方案可預載Google應用程式，但廠商可以限制該款手機所存取的Android Market應用程式。
3. Google商標可以烙印在手機上的Google Experience授權方案，該款手機可以自由存取Google及Android Market應用程式。

第一類授權代表示該硬體的Android系統是由廠商自行下載Android原始碼後移植到硬體的，硬體上的各種使用者介面或是應用程式就由廠商自行研發或外購整合(或甚至什麼都不做)，也就是說對廠商而言Android免費，但不會有 Gmail、Google Map等 Google 應用程式，大多山寨機都屬此類。

第二類就是經過Google授權的硬體裝置，可以預載Google的應用程式如Gmail、Google Map等，廠商必須支付授權費，但不能上 Android Market 購買並下載應用程式，此類為市場大宗，我們所熟悉的HTC手機多採此種授權方案。

第三類是除了已經過Google授權，Google也同時參與了產品研發，故Google的應用程式在這類手機上都會出現，同時也可以上 Android Market 購買並下載應用程式，這種裝置的機殼上可以印上"with Google"的標誌，這是與第二類手機在外觀上最大的差別，HTC Magic、HTC Desire 還有遠傳小精靈IDEOS都屬於本類授權。

其實還有一種Android手機完全不須考慮上述三種授權，那就是Google自行生產的Google品牌手機，目前已有兩款：由HTC代工設計生產的Nexus One，以及出自於Samsung的Nexus S，無從得知Google開發販售自有品牌手機的目的與策略為何，但從銷售過程與結果觀察，不知是否是因為Google不善於銷售硬體，抑或是Google不欲影響其合作夥伴的關係，這兩支手機均叫好不叫座，銷售量都不敵由其合作廠商HTC及 Samsung發表的同款兄弟姊妹機，故雖有Google　Logo的加持，卻只能淪為市場上Android機海之一…

由於品牌手機廠商多採第二類授權，但因為Google的應用程式升級時是綑綁在Android系統中，若品牌手機廠商未能即時提供已發表手機升級之新版本Android，該手機的消費者就無法升級Google的應用程式，因此Google已接獲不少客戶抱怨。目前已有傳言Google為避免硬體廠商在開發新版Android的速度過慢以致影響了使用者升級Google應用程式的權益，從下一版本開始，許多目前內建於系統中的Google應用程式如瀏覽器、email App、通訊錄、輸入法等將與Android作業系統分離，當Google升級了這些應用程式後，將直接公布於Android Market，消費者可自行由Android market 下載升級，不再需要等待 HTC，Dell，Samsung 等大廠緩慢的作業系統升級腳步。

1-5 Android Market
Apple iPhone/iPad的成功，有一部分的原因必須歸功於App Store，因為消費者透過App Store可以花費少許的代價購買並安裝許多酷炫軟體，而Google 也採用了相似的商業模式，世界各地的程式設計人員可以將他們的作品公開在Android Market販售，而如上一節所述，採用第二類及第三類授權方案的行動裝置可以預載Android Market，使用者隨時可以連上Android Market 搜尋所需要的軟體進而決定是否購買。

截至2010年年底的統計，Android Market 上已有二十萬支Apps，並共計已被下載二十五億次！而至2011年4月，被下載的次數已上升至驚人的超過三十億次，這說明了Android Market 上的軟體受到歡迎的程度

而目前除了可以透過其Android裝置從Android Market下載App之外，也可以直接執行以下載或複製而來的APK檔，對於Android Market的經營，Google並不將其設計成一獨佔事業，反而以開放的態度歡迎任何獨立的Android Market自行營運，相較於不被Apple認可的地下App store，這是Google 的Android Market與 Apple 的App store 最大的不同點，Google並不汲汲營營地爭取眼前的銷售利潤。

而由於行動裝置(尤其是手機)的螢幕較小，原本使用者只能透過其Android裝置在Android Market瀏覽軟體資訊，既傷眼效率又差，2011年1月Google終於推出了Android Market官方網站，除了軟體清單、軟體說明與使用者評價之外，與Apple App Store官網不同的是，Android Market官方網站可以讓使用者直接從網頁上將所選擇的軟體或遊戲直接下載到行動裝置裡安裝，使用者只需要登入Google帳號、按下Install按鈕，所指定的軟體便會透過網路下載安裝，除此之外，Android Market網頁還可以同步更新行動裝置中已安裝的軟體清單，直接在網頁上看到行動裝置上已安裝的軟體！

1-6 Android 與NXT
進階的機器人課題主要是在於定位、導航與地圖繪製，換句話說就是讓機器人知道「我在那裡?」、我的目標在那裡?」以及當下位置與目標的距離方位等等。這些課題需要方位感測器（orientation）、GPS全球定位系統，甚至需要使用無線網路傳輸等等。很巧地，這些東西在智慧型手機上都有，甚至在動態控制上常用的加速規（acceleration）與陀螺儀（gyroscope）也都是Android手機上的標準配備，因此只要透過藍牙連線，機器人就可以取得Android手機上的各種資訊，大大地擴充了機器人的功能性，真的是太棒了！
Android應用程式是使用Java進行開發，另一方面知名的教育性機器人樂高NXT也可透過機器人端上執行leJOS（專屬於樂高NXT的JVM，請參考本書第4章）。或者可直接發送NXT直接控制指令（NXT Direct Commands）在機器人端無對應程式的情形下，只要建立了藍牙連線即可控制NXT機器人。本書將在第12至14章討論如何使用不同的控制方法來直接控制NXT機器人。並於本書最後一章介紹如何結合PC、Android手機與樂高NXT機器人完成一台居家保全機器人，使用者可在電腦端遙控機器人動作，並透過無線網路將Android手機的影像回傳到電腦螢幕。一旦偵測到可疑狀況時，會自動拍照以保留證據。

1-7 總結
時至今日，雖然Android仍只是個三歲多的作業系統，但它已經大一統Linux原有的市場，任何行動裝置的硬體廠商已經沒有任何理由不採用Android而重新自行開發植基於Linux的作業系統，畢竟Android免費(無微軟權利金的剝削)，有龐大的軟體開發商及程式設計師，而且最重要的是，有Google這個巨人的背書，硬體廠商必然趨之若鶩。

有人說Google不是硬體商，也不是軟體商，而是廣告商！它自始至終根本沒打算進入手機市場，其開發Android的目的只有一個，就是極大化它的網路服務使用人數，基於這個邏輯，行動裝置廣告理所當然地成為Google的商業利益著眼點。當我們連上Google的任何一項服務，我們就是幫未來的Google獲利的一個人頭，也成為Google跟廣告客戶談判的籌碼，更不用談Google向來賣的商品幾乎都是服務，從未打算靠賣硬體來獲利，這完全與Apple採用封閉系統從上游到下游軟硬兼吃的商業模式不同。

從個人電腦發展的歷史觀察，開放式架構必然會引起市場競爭，進而導致價格下降，緊接著就是大量普及於一般消費者，Google目前對於Android的市場操作應是預期歷史會重演於行動裝置的競爭上，有趣的是，二十年多前「封閉的Apple II 對決開放式系統IBM PC」 的情景似乎已經重現於「封閉的iPhone v.s. 開放的Android」，但與當年IBM不同的是，既使iPhone的銷售量在短期內略佔上風，Google仍可立於不敗之地，因為終端消費者既使買了iPhone，他們用的還是Google提供的網路服務啊！

根據2010年底的資料，行動裝置作業系統呈現三分天下的態勢: Google Android，Apple iOS，以及RIM BlackBarry，很遺憾地回顧歷史，微軟沒能掌握住潮流，雖然Windows Mobile也曾占有市場一席之地，卻只能坐視對手的逐漸壯大而無力反擊，弔詭的是HTC當年若非靠著Windows Mobile也不可能會有今天的局面，若有機會，Windows Mobile以及HTC的故事可以另外發展成另一個篇章。什麼，Nokia Symbian? 那已是明日黃花，在市佔率逐年下滑的狀況下Nokia早已低頭與Microsoft 結盟，除非有隱藏版秘密武器尚未公諸於世，短期內應很難在智慧型手機市場有一席之地；至於Palm，它已被HP買下而更名成HP WebOS，基於HTML5的WebOS在多工以及操作方式均令人期待，同時也可以感受到HP欲急起直追的努力，近期內準備讓 Palm這個睽違市場多年的品牌起死回生，推出兩款WebOS新手機，但形勢比人強，沒有足夠的App吸引喜新厭舊的消費者，短期內應該沒有任何成功的機會。而在三強中以目前的競爭的態勢來看，Google Android以及Apple iOS誰輸誰贏仍有待觀察，至於RIM BlackBarry，只能說筆者目前並不看好，雖然這家公司的手機仍有一定之市占率，但其早期基於商務人士使用的利基Push Mail早已不再擁有任何市場優勢，更不用提其硬體鍵盤在亞洲地區的無用武之地。

在本章截稿前AC Nielsen公布了在北美地區的最新民意調查，Android手機已成為最多消費者想擁有的智慧型手機系統，取代了 iPhone 、更將 Blackberry 等其他作業系統甩在後頭。數字顯示，31% 消費者計畫選擇 Android 為下一支手機之作業系統；Apple 的 iOS 則為 30% ，而 RIM 的 Blackberry 更下跌至只有11%！ 所以在此恭喜各位將本章看完的讀者們，你們選對了正確的道路，已將時間投資在未來最具發展潛力的行動裝置作業系統：Android。

註一:
筆者所定義的"PDA手機"是主觀的定義，指的是僅將PDA與手機的功能整合在一起，但卻未能提供更多的加值功能與服務的行動裝置。

註二:
市場上認為Google 要做的是 Localization Service 的廣告, Android 平台推出後可以與電信系統商拆帳，廣告主付廣告費給 Operator 再跟 Google 拆帳，譬如消費者到了台北士林夜市附近就會自動收到x大雞排的簡訊，接著手機直接定位到x大雞排的位置同時告訴消費者現在只要憑這個簡訊x大雞排打八折。

Ch1 Android來勢洶洶
自從2007年11月5日正式發表開始，Android這個詞彙開始出現於各大手機專業報章雜誌，以Android為作業系統的行動裝置也從2008年的第一支HTC Dream (別名G1)逐漸增加到目前已超過上百種，而採用Android的行動裝置的種類更從手機逐漸擴展至平板電腦、GPS、甚至NetBook。
讀者們接下來將可以從本章了解Android的發展歷史、Google對於Android的市場定位、Android的系統架構、以及Android的未來發展。

1-1智慧型行動裝置浪潮
就從講古開始吧，但暫且不提遠古時期的Palm以及Windows Mobile 6.5等「PDA手機」(註一)，讓時...

Ch1 Android來勢洶洶
Ch 2 樂高NXT機器人
Ch 3 開發環境設定
Ch 4 leJOS機器人控制方法
Ch 5 Android程式設計基礎
Ch 6 Android和NXT
Ch 7 Android百寶箱
Ch 8 Google App Inventor
Ch 9 按鈕控制
Ch 10 翻轉控制
Ch 11 [專題]Touchpad 單點觸控面板
Ch 12 [專題] TouchPad control直接控制
Ch 13 [專題] Tank control多點觸控
Ch 14 [專題] Drag control刷刷樂
Ch 15 影像採集機器人

Ch1 Android來勢洶洶
Ch 2 樂高NXT機器人
Ch 3 開發環境設定
Ch 4 leJOS機器人控制方法
Ch 5 Android程式設計基礎
Ch 6 Android和NXT
Ch 7 Android百寶箱
Ch 8 Google App Inventor
Ch 9 按鈕控制
Ch 10 翻轉控制
Ch 11 [專題]Touchpad 單點觸控面板
Ch 12 [專題] TouchPad control直接控制
Ch 13 [專題] Tank control多點觸控
Ch 14 [專題] Drag control刷刷樂
Ch 15 影像採集機器人