Luận văn thạc sĩ về phát triển phần mềm nhúng cho thiết bị cầm tay trên nền tảng Android

• Tác giả: Nguyễn Thị Thu Hiền
• Người hướng dẫn: TS. Lê Quang Minh
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Công nghệ thông tin
• Đề tài: Nghiên cứu phát triển phần mềm nhúng cho thiết bị cầm tay Android
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
• 1.1. Nghiên cứu khảo sát bài toán
• 1.2. Phân tích bài toán
• 1.3. Hệ điều hành di động
• 1.3.1. Đặc điểm của hệ điều hành di động
• 1.3.2. So sánh hệ điều hành Android với các hệ điều hành iOS
• 1.4. Mã nguồn mở
• 2. CHƯƠNG 2: TÌM HIỀU HỆ ĐIỀU HÀNH ANDROID
• 2.1. Tổng quan về Android
• 2.1.1. Android là gì?
• 2.1.2. Lịch sử phát triển Android
• 2.2. Các phiên bản Android
• 3. CHƯƠNG 3: TÍCH HỢP ANDROID VỚI THIẾT BỊ PHẦN CỨNG
• 3.1. Lựa chọn phần cứng
• 3.1.1. Chuẩn bị lựa chọn phần cứng
• 3.1.2. Lựa chọn thiết bị
• 3.2. Thiết lập môi trường phát triển
• 3.3. Quá trình tích hợp Android
• 4. CHƯƠNG 4: PHÁT TRIỂN PHẦN MỀM TRÊN ANDROID
• 4.1. Cấu trúc của một ứng dụng. Xây dựng ứng dụng
• 4.2. Mục tiêu của ứng dụng
• 4.3. Yêu cầu về chức năng
• 4.4. Mô hình Usecase
• 4.5. Biểu đồ tuần tự của hệ thống
• 4.6. Thiết kế các thành phần
• 4.7. Tính năng hỗ trợ tương tác
• 4.8. Kết quả phát triển và thử nghiệm
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng quan về đề tài

Nghiên cứu phát triển phần mềm nhúng cho các thiết bị cầm tay trên nền tảng Android là một lĩnh vực đang thu hút sự quan tâm lớn trong ngành công nghệ thông tin. Sự phát triển mạnh mẽ của thị trường thiết bị di động đã tạo ra nhu cầu cao về các ứng dụng và phần mềm nhúng. Android được lựa chọn do tính tương thích cao và khả năng mở rộng, cho phép các nhà phát triển tùy chỉnh và phát triển ứng dụng theo nhu cầu cụ thể. Đặc biệt, việc phát triển phần mềm nhúng trên nền tảng Android không chỉ giúp tối ưu hóa chi phí mà còn nâng cao hiệu suất sử dụng cho người dùng cuối. Theo thống kê, thị trường thiết bị cầm tay đang ngày càng mở rộng, với hàng triệu người dùng trên toàn thế giới. Điều này tạo ra cơ hội lớn cho các nhà phát triển trong việc tạo ra các ứng dụng mới, phục vụ cho nhu cầu đa dạng của người tiêu dùng.

1.1. Nghiên cứu khảo sát bài toán

Sự phát triển của các thiết bị cầm tay như điện thoại thông minh và máy tính bảng đã mở ra nhiều cơ hội cho việc phát triển phần mềm nhúng. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều thách thức cần giải quyết, đặc biệt là về giá thành và tính năng. Các sản phẩm hiện tại thường có giá cao, không phù hợp với nhu cầu của người dùng tại Việt Nam. Do đó, việc thiết kế và phát triển các ứng dụng Android với chi phí hợp lý và tính năng phù hợp là một nhiệm vụ cấp thiết. Hệ điều hành Android với mã nguồn mở cho phép các nhà phát triển dễ dàng tùy chỉnh và phát triển ứng dụng, từ đó tạo ra các sản phẩm phù hợp với nhu cầu của người dùng. Việc nghiên cứu và phát triển phần mềm nhúng trên nền tảng Android không chỉ giúp nâng cao hiệu quả sử dụng mà còn góp phần thúc đẩy sự phát triển của ngành công nghệ thông tin tại Việt Nam.

II. Tìm hiểu hệ điều hành Android

Hệ điều hành Android là một trong những nền tảng phổ biến nhất cho các thiết bị cầm tay. Được phát triển bởi Google, Android cung cấp một môi trường linh hoạt cho việc phát triển phần mềm nhúng. Kiến trúc của Android bao gồm nhiều tầng, từ Linux Kernel đến Application Framework, cho phép các nhà phát triển dễ dàng truy cập và sử dụng các tài nguyên phần cứng. Hệ điều hành này hỗ trợ nhiều ngôn ngữ lập trình, chủ yếu là Java, giúp việc phát triển ứng dụng trở nên dễ dàng hơn. Sự phát triển của Android không ngừng mở rộng với nhiều phiên bản mới được phát hành, mỗi phiên bản đều mang lại những tính năng và cải tiến đáng kể. Điều này không chỉ giúp nâng cao trải nghiệm người dùng mà còn tạo ra nhiều cơ hội cho các nhà phát triển trong việc tạo ra các ứng dụng mới và sáng tạo.

2.1. Lịch sử phát triển Android

Lịch sử phát triển của Android bắt đầu từ năm 2005 khi Google mua lại công ty Android Inc. Kể từ đó, Android đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển quan trọng. Sự ra mắt của Android vào năm 2007 đánh dấu một bước ngoặt lớn trong ngành công nghiệp di động. Các phiên bản của Android được phát hành theo thứ tự chữ cái, mỗi phiên bản đều được đặt tên theo một món tráng miệng, điều này không chỉ tạo sự thú vị mà còn giúp người dùng dễ dàng nhận diện các phiên bản. Sự phát triển của Android đã thu hút sự tham gia của nhiều công ty lớn, tạo ra một hệ sinh thái phong phú cho các ứng dụng và dịch vụ. Điều này đã giúp Android trở thành một trong những hệ điều hành di động phổ biến nhất trên thế giới.

III. Tích hợp Android với thiết bị phần cứng

Việc tích hợp Android với các thiết bị phần cứng là một bước quan trọng trong quá trình phát triển phần mềm nhúng. Các nhà phát triển cần lựa chọn phần cứng phù hợp để đảm bảo tính tương thích và hiệu suất tối ưu. Quá trình này bao gồm việc thiết lập môi trường phát triển, lựa chọn thiết bị và tích hợp các thành phần phần cứng với hệ điều hành Android. Sự kết hợp này không chỉ giúp tối ưu hóa hiệu suất mà còn tạo ra các sản phẩm có tính năng đa dạng, phục vụ cho nhu cầu của người dùng. Việc tích hợp thành công Android với phần cứng sẽ mở ra nhiều cơ hội mới cho các nhà phát triển trong việc tạo ra các ứng dụng sáng tạo và hữu ích.

3.1. Lựa chọn phần cứng

Lựa chọn phần cứng là một trong những yếu tố quyết định đến sự thành công của việc phát triển phần mềm nhúng trên nền tảng Android. Các nhà phát triển cần xem xét nhiều yếu tố như hiệu suất, khả năng tương thích và chi phí khi lựa chọn phần cứng. Các bộ vi xử lý như ARM và Qualcomm thường được ưa chuộng do tính năng tiết kiệm năng lượng và hiệu suất cao. Việc lựa chọn đúng phần cứng không chỉ giúp tối ưu hóa hiệu suất của ứng dụng mà còn đảm bảo tính ổn định và độ tin cậy trong quá trình sử dụng. Sự kết hợp giữa phần cứng và phần mềm sẽ tạo ra những sản phẩm chất lượng, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người tiêu dùng.

IV. Phát triển phần mềm trên Android

Phát triển phần mềm nhúng trên nền tảng Android đòi hỏi các nhà phát triển phải nắm vững kiến thức về cấu trúc ứng dụng và quy trình phát triển. Các ứng dụng trên Android thường được xây dựng dựa trên mô hình MVC (Model-View-Controller), giúp tách biệt các thành phần và dễ dàng quản lý. Quy trình phát triển bao gồm việc phân tích yêu cầu, thiết kế hệ thống, lập trình và thử nghiệm. Việc phát triển ứng dụng cần chú trọng đến tính năng hỗ trợ tương tác và trải nghiệm người dùng. Kết quả phát triển và thử nghiệm sẽ giúp đánh giá hiệu quả của ứng dụng và đưa ra các điều chỉnh cần thiết để nâng cao chất lượng sản phẩm.

4.1. Cấu trúc của một ứng dụng

Cấu trúc của một ứng dụng trên nền tảng Android bao gồm nhiều thành phần chính như Activities, Services, Broadcast Receivers và Content Providers. Mỗi thành phần có vai trò riêng trong việc xử lý các tác vụ khác nhau. Activities là thành phần chính để tương tác với người dùng, trong khi Services thực hiện các tác vụ nền mà không cần giao diện người dùng. Broadcast Receivers cho phép ứng dụng nhận thông báo từ hệ thống, còn Content Providers quản lý và chia sẻ dữ liệu giữa các ứng dụng. Việc hiểu rõ cấu trúc này sẽ giúp các nhà phát triển xây dựng ứng dụng một cách hiệu quả và tối ưu.

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ của công nghệ số và thiết bị di động, các thiết bị cầm tay như điện thoại thông minh, máy tính bảng ngày càng trở nên phổ biến với tính năng đa dạng và tiện ích cao. Theo ước tính, thị trường thiết bị di động toàn cầu đã tăng trưởng vượt bậc trong thập kỷ qua, với hàng triệu thiết bị được tiêu thụ mỗi năm. Tuy nhiên, các thiết bị này vẫn tồn tại một số hạn chế như giá thành cao, tính đa dụng chưa tối ưu cho từng đối tượng người dùng cụ thể, đặc biệt là trong lĩnh vực giáo dục và học tập tại Việt Nam. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phát triển phần mềm nhúng cho các thiết bị cầm tay trên nền tảng Android, nhằm tối ưu hóa tích hợp hệ điều hành với phần cứng và phát triển ứng dụng phù hợp với nhu cầu người dùng cuối, đặc biệt là sinh viên và giáo viên.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc tích hợp hệ điều hành Android với phần cứng dựa trên bộ vi xử lý ARM, đồng thời phát triển ứng dụng nhúng hỗ trợ tạo ghi chú trên thiết bị cầm tay. Thời gian nghiên cứu chủ yếu trong giai đoạn từ năm 2010 đến 2013, giai đoạn Android phát triển mạnh mẽ với nhiều phiên bản cập nhật. Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc giảm chi phí thiết bị, nâng cao hiệu quả sử dụng cho người học, đồng thời góp phần thúc đẩy phát triển công nghệ phần mềm nhúng tại Việt Nam, phù hợp với định hướng phát triển công nghệ thông tin của Chính phủ theo Quyết định số 1755/QĐ-TTg ngày 22/9/2010.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính: lý thuyết về hệ điều hành di động và lý thuyết về phát triển phần mềm nhúng. Hệ điều hành Android được nghiên cứu chi tiết với kiến trúc 4 tầng gồm Linux Kernel, Libraries + Android Runtime, Application Framework và Applications. Các khái niệm chính bao gồm:

• Máy ảo Dalvik: môi trường chạy ứng dụng Java trên Android, tối ưu hóa bộ nhớ và hiệu suất.
• Activity và Service: thành phần cơ bản trong ứng dụng Android, quản lý vòng đời và xử lý tác vụ nền.
• Hệ thống tập tin Android: tổ chức file theo mô hình phân cấp, quản lý quyền truy cập.
• Phần mềm nhúng: phần mềm được cài đặt sẵn trên thiết bị, hoạt động cùng phần cứng mà không cần cài đặt thêm.

Ngoài ra, mô hình phát triển phần mềm nhúng được áp dụng theo quy trình gồm nghiên cứu, xác thực khái niệm, kiểm tra phần mềm và phần cứng, tích hợp hệ thống, tạo mẫu và hoàn thiện sản phẩm.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm mã nguồn Android, tài liệu kỹ thuật về kiến trúc hệ điều hành, tài liệu hướng dẫn phát triển phần mềm Android SDK, cùng các tài liệu tham khảo về phần cứng và bộ vi xử lý ARM. Phương pháp phân tích sử dụng chủ yếu là phân tích hệ thống, khảo sát kỹ thuật, và thực nghiệm phát triển phần mềm.

Cỡ mẫu nghiên cứu là một thiết bị cầm tay VNUpad được phát triển tại Viện Công nghệ Thông tin, Đại học Quốc gia Hà Nội, sử dụng bộ vi xử lý ARM Cortex-A8/A9, RAM khoảng 512MB, bộ nhớ lưu trữ 16GB-64GB, màn hình cảm ứng đa điểm 1024x768, hỗ trợ kết nối WiFi và 3G. Phương pháp chọn mẫu là lựa chọn thiết bị đại diện cho nhóm thiết bị cầm tay phổ biến tại Việt Nam.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong năm 2013, bao gồm các giai đoạn: khảo sát và phân tích hệ điều hành Android (3 tháng), tích hợp Android với phần cứng (4 tháng), phát triển và thử nghiệm phần mềm ứng dụng (5 tháng).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Tích hợp thành công hệ điều hành Android với phần cứng ARM: Qua quá trình thiết lập môi trường phát triển, cấu hình và biên dịch nhân Linux hợp nhất với các bản vá Android, thiết bị VNUpad đã khởi động ổn định trên nền tảng Android 4.0. Tỷ lệ thành công trong việc khởi động và vận hành đạt khoảng 95%, với thời gian khởi động trung bình dưới 30 giây.

2. Phát triển ứng dụng ghi chú nhúng trên Android: Ứng dụng NotesEX được xây dựng với đầy đủ các thành phần Activity, Service, Content Provider và Broadcast Receiver, hỗ trợ tạo, lưu trữ và quản lý ghi chú nhanh. Ứng dụng hoạt động mượt mà trên thiết bị với thời gian phản hồi dưới 1 giây cho các thao tác chính, tỷ lệ lỗi dưới 2%.

3. Hiệu quả sử dụng tài nguyên hệ thống: Ứng dụng ghi chú chiếm dung lượng bộ nhớ RAM trung bình 15MB khi chạy, chiếm khoảng 3% tổng RAM thiết bị, đảm bảo không ảnh hưởng đến các ứng dụng khác. CPU sử dụng trung bình dưới 10% trong quá trình hoạt động.

4. So sánh với các hệ điều hành khác: Android với tính năng mã nguồn mở, khả năng tùy biến cao và hỗ trợ đa nhiệm vượt trội so với iOS, giúp phát triển phần mềm nhúng linh hoạt hơn. Theo báo cáo ngành, Android chiếm khoảng 60% thị phần thiết bị di động tại Việt Nam năm 2013, tạo điều kiện thuận lợi cho phát triển ứng dụng.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân thành công trong tích hợp Android với phần cứng ARM là do sự tương thích cao của nhân Linux 2.6 đã được chỉnh sửa phù hợp, cùng với việc áp dụng các bản vá lỗi Android chính thức. Việc sử dụng bộ vi xử lý ARM Cortex-A8/A9 với tốc độ trên 1GHz và RAM 512MB đảm bảo hiệu năng đủ dùng cho các ứng dụng nhúng.

So với các nghiên cứu khác, kết quả phát triển ứng dụng ghi chú trên Android cho thấy tính ổn định và hiệu quả cao, phù hợp với nhu cầu người dùng trong giáo dục và công việc. Việc ứng dụng các thành phần cơ bản của Android như Activity và Service giúp tối ưu hóa vòng đời ứng dụng và quản lý tài nguyên hiệu quả.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ vòng đời Activity, biểu đồ sử dụng CPU và RAM của ứng dụng, cũng như bảng so sánh tính năng giữa Android và iOS. Những kết quả này khẳng định tiềm năng phát triển phần mềm nhúng trên nền tảng Android cho các thiết bị cầm tay tại Việt Nam.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tăng cường đào tạo và phát triển kỹ năng lập trình Android cho các nhà phát triển phần mềm nhúng: Tổ chức các khóa học chuyên sâu về Android SDK, Java và phát triển ứng dụng nhúng, nhằm nâng cao chất lượng nguồn nhân lực trong vòng 12 tháng tới, do các trường đại học và trung tâm đào tạo công nghệ thông tin thực hiện.

2. Phát triển bộ công cụ tích hợp phần cứng và phần mềm chuẩn cho thiết bị cầm tay: Xây dựng các thư viện, driver và tài liệu hướng dẫn tích hợp Android với các loại phần cứng phổ biến như ARM Cortex, cổng HDMI, USB, nhằm rút ngắn thời gian phát triển sản phẩm, dự kiến hoàn thành trong 18 tháng, do các viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ chủ trì.

3. Khuyến khích phát triển ứng dụng nhúng phục vụ giáo dục và đào tạo: Hỗ trợ tài chính và kỹ thuật cho các dự án phát triển ứng dụng phục vụ sinh viên, giáo viên như ứng dụng ghi chú, đọc sách, trình chiếu, nhằm tăng cường hiệu quả học tập, thực hiện trong 24 tháng, do các cơ quan quản lý giáo dục phối hợp với doanh nghiệp công nghệ.

4. Xây dựng chính sách hỗ trợ phát triển phần mềm nhúng mã nguồn mở tại Việt Nam: Ban hành các chính sách ưu đãi về thuế, đầu tư cho các doanh nghiệp phát triển phần mềm nhúng trên nền tảng Android, thúc đẩy đổi mới sáng tạo và cạnh tranh trên thị trường quốc tế, áp dụng trong 36 tháng tới, do Bộ Thông tin và Truyền thông phối hợp với các bộ ngành liên quan.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà phát triển phần mềm và kỹ sư công nghệ thông tin: Nắm bắt kiến thức về tích hợp hệ điều hành Android với phần cứng, phát triển ứng dụng nhúng, áp dụng trong thiết kế sản phẩm công nghệ mới.

2. Các nhà sản xuất thiết bị di động và máy tính bảng: Tham khảo quy trình lựa chọn phần cứng, cấu hình hệ điều hành và phát triển phần mềm phù hợp để tối ưu hóa sản phẩm, giảm chi phí và nâng cao tính cạnh tranh.

3. Giảng viên và sinh viên ngành Công nghệ Thông tin, Công nghệ Phần mềm: Sử dụng luận văn làm tài liệu học tập, nghiên cứu về hệ điều hành Android, phát triển phần mềm nhúng và ứng dụng thực tiễn trong giáo dục.

4. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách công nghệ: Hiểu rõ tiềm năng và thách thức trong phát triển phần mềm nhúng tại Việt Nam, từ đó xây dựng các chính sách hỗ trợ phù hợp nhằm thúc đẩy ngành công nghiệp công nghệ thông tin.

Câu hỏi thường gặp

1. Phần mềm nhúng là gì và khác gì so với phần mềm ứng dụng thông thường?
   Phần mềm nhúng là phần mềm được cài đặt sẵn trên thiết bị và hoạt động cùng phần cứng mà không cần cài đặt thêm. Trong khi đó, phần mềm ứng dụng thông thường có thể được cài đặt hoặc gỡ bỏ bởi người dùng. Ví dụ, ứng dụng ghi chú trên thiết bị Android cũng được coi là phần mềm nhúng khi được tích hợp sẵn.

2. Tại sao chọn hệ điều hành Android cho phát triển phần mềm nhúng?
   Android là hệ điều hành mã nguồn mở, miễn phí, có khả năng tùy biến cao và hỗ trợ đa nhiệm tốt. Điều này giúp các nhà phát triển dễ dàng tích hợp và phát triển ứng dụng phù hợp với nhiều loại phần cứng khác nhau, đồng thời giảm chi phí phát triển.

3. Bộ vi xử lý ARM có ưu điểm gì trong thiết bị cầm tay?
   ARM tiết kiệm năng lượng, tiêu thụ công suất thấp, phù hợp với thiết bị di động cần thời gian sử dụng pin lâu. Ngoài ra, ARM có kiến trúc RISC đơn giản giúp xử lý nhanh và hiệu quả, được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị di động hiện nay.

4. Làm thế nào để phát triển ứng dụng trên nền tảng Android?
   Phát triển ứng dụng Android sử dụng ngôn ngữ Java, dựa trên Android SDK và máy ảo Dalvik. Các thành phần chính của ứng dụng gồm Activity, Service, Content Provider và Broadcast Receiver, được quản lý vòng đời và tài nguyên bởi hệ điều hành.

5. Ứng dụng ghi chú trên thiết bị cầm tay có những tính năng gì nổi bật?
   Ứng dụng ghi chú hỗ trợ tạo, lưu trữ, chỉnh sửa và quản lý ghi chú nhanh, giao diện thân thiện, phản hồi nhanh dưới 1 giây, chiếm ít tài nguyên hệ thống, giúp người dùng dễ dàng ghi chép và truy cập thông tin mọi lúc mọi nơi.

Kết luận

• Luận văn đã thành công trong việc tích hợp hệ điều hành Android với phần cứng dựa trên bộ vi xử lý ARM, đảm bảo hiệu năng và ổn định cho thiết bị cầm tay VNUpad.
• Phát triển ứng dụng ghi chú nhúng trên nền tảng Android với các thành phần cơ bản, đáp ứng nhu cầu người dùng trong giáo dục và công việc.
• Nghiên cứu khẳng định ưu thế của Android về tính mở, khả năng tùy biến và hỗ trợ đa nhiệm so với các hệ điều hành di động khác.
• Đề xuất các giải pháp đào tạo, phát triển công cụ tích hợp, khuyến khích ứng dụng giáo dục và chính sách hỗ trợ phát triển phần mềm nhúng tại Việt Nam.
• Các bước tiếp theo bao gồm mở rộng phát triển ứng dụng đa dạng, tối ưu hóa tích hợp phần cứng và triển khai chính sách hỗ trợ trong vòng 1-3 năm tới.

Hành động ngay hôm nay: Các nhà phát triển và doanh nghiệp công nghệ nên tận dụng nền tảng Android để phát triển các sản phẩm phần mềm nhúng phù hợp với thị trường Việt Nam, đồng thời phối hợp với các cơ quan đào tạo và quản lý để nâng cao năng lực và thúc đẩy đổi mới sáng tạo.