BIOcomfort Health Assistant for Android Plattform

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1 Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik Fachgebiet Verteilte Multimodale Informationsverarbeitung Prof. Dr. Matthias Kranz BIOcomfort Health Assistant for Android Plattform Andreas Wallner Studienarbeit Verfasser: Anschrift: Andreas Wallner Matrikelnummer: Professor: Prof. Dr. Matthias Kranz Betreuer: Dipl.-Ing. Luis Roalter Beginn: Abgabe:

2 Kurzfassung Diese Studienarbeit befasst sich mit der Untersuchung verschiedener mobiler Health Manager Systeme. Ein solches System ermöglicht es dem Benutzer, Vitaldaten von bevorzugt mobilen Sensoren aufzunehmen. Dabei liegt der Schwerpunkt auf den Systemen, welche möglichst mit existierenden Smartphones funktionieren. Auf dem Markt exisitieren bereits verschiedene Sensoren, von denen Vitaldaten digital abrufbar sind. Diese Sensoren sind jedoch nicht durchgehend kompatibel und verwenden verschiedenste Technologien und Übertragungsstandards. Als Schnittstelle zum Datenempfang am Endgerät werden dabei oft USB-Dongles eingesetzt. Das erste Ziel dieser Arbeit liegt darin, prorietäre Hardware in Form von USB-Dongles über die meist am Smartphone vorhandene USB-Schnittstelle (über OTG) anzubinden. Damit ist es möglich existierende Systeme auch für Smartphones zu verwenden. Ein mobiles Health Manager System sollte sich deshalb nicht auf einzelne Standards und Hersteller beschränken, sondern offen, flexibel und erweiterbar sein. Außerdem sollen empfangene Vitaldaten einfach an andere berechtigte Dienste und Applikationen weitergereicht werden können. Derzeit vorhandene Systeme erfüllen die genannten Anforderungen nicht vollständig. In dieser Arbeit wird nun der Biocomfort Health Assistant für Android vorgestellt, welcher versucht diese Anforderungen zu erfüllen. Da diese Anwendung zum Datenempfang immer verfügbar sein muss, läuft diese im Hintergrund und besitzt deshalb keine grafische Benutzeroberfläche. Zur Visualisierung wurde zudem eine Beispiel-Applikation erstellt, welche die empfangenen Vital- und Gerätedaten darstellen kann. ii

3 Abstract This thesis addresses the examination of various mobile health manager systems. Such a system enables the user to gather vital data from preferred mobile sensors. Thereby the focus is on systems, which work with existing smartphones. Miscellaneous sensors already exist on the market, on which vital data can be retrieved digitally. However, those sensors are not throughout compatible und use various technologies and transmission standards. Thereby oftenly USB dongles are used as interface for receiving data. The first goal of this thesis lies in linking proprietary hardware in terms of USB dongles to the mostly available USB port (via OTG). So it is possible to use existing systems also for smartphones. A mobile health manager system should not be limited to single standards or manufacturers, but open, flexible and expandable. Besides, it should be possible easily to share received vital data with other authorized services and applications. Presently available Systems do not completely fulfill the mentioned specifications. This thesis introduces the Biocomfort Health Assistant for Android, which attempts to meet those requirements. Given that the application must be available all the time it is running in the background and has no graphical user interface. Additionally an application to visualize received vital and device data was created. iii

4 Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis iv 1 Einführung Motivation Aufbau der Arbeit Healthmanager Eigenschaften Vorhandene Softwarelösungen Garmin Ubiquitous Personal Health Surveillance and Management System ECG Monitoring System mit mobilem Barcode-Decoder Blutdruck Blutdruck Logbuch WiThings WiScale Biocomfort Health Manager Plattform Messgeräte Biocomfort Health Manager Software Development Kit Applikationsentwicklung unter Android Android-Smartphones Das Betriebssystem Android Android-Applikationen Applikationsspezifische Vorbereitungen am Gerät Rooting Kernel Geräte- und Applikationssetup Gerätesetup Applikationssetup Android Implementierung Anforderungen iv

5 INHALTSVERZEICHNIS v 4.2 Implementierung Biocomfort Health Assistant für Android Service Application GUI Application MockSDK Gui Probleme Android Umgebung Biocomfort Resourcen Beschränkungen Stabilität Mobilität Funktionsumfang Sicherheit Bediencomfort und Akzeptanz Zusammenfassung und Ausblick Zusammenfassung Ausblick Hardware Software Abbildungsverzeichnis 39 Literaturverzeichnis 40

6 Kapitel 1 Einführung Die Arbeit wurde im Fachgebiet Verteilte Multimodale Informationsverarbeitung (VMI) der Technischen Universität München verfasst. Sie beschäftigt sich mit der Entwicklung eines Health Manager Systems für die Android Smartphone-Plattform. Dabei werden anfangs vorhandene Implementierungen untersucht. In dieser Einleitung wird zunächst die Motivation der Arbeit erläutert, danach der Aufbau der Arbeit angegeben. 1.1 Motivation Die Überwachung von persönlichen Gesundheitsdaten, wie Blutdruck, Blutzucker und anderen Vitalwerten im Alltag wird immer häufiger eingesetzt. Besonders aussagekräftig sind Messdaten, wenn sie regelmäßig, sowie auch langfristig aufgenommen werden. Um solche Messungen zu verwalten, kann ein Rechner mit einer entsprechender Software verwendet werden, der die Daten speichert und bei Bedarf weitergibt. Hier ist es praktisch, statt eines Personal Computers (PC) oder Laptops ein Smartphone, wie z.b. ein Android-Mobiltelefon zu verwenden. Mobiltelefone sind im Idealfall immer für den Benutzer verfügbar, deshalb kann durch Erinnerungsfunktionen die regelmäßige Vitalwertsmessung unterstützt werden. Dies ermöglicht es die gemessenen Daten sofort zu archivieren und visualisieren. Da Smartphones über eine permanente Internetverbindung verfügen, können die gemessenen Daten außerdem standortunabhängig an Sachverständige verschickt werden. Das hat z.b. am Telefon den Vorteil, sofort unabhängige Meinungen unter Berücksichtigung eines Werteverlaufs zu erhalten oder Hilfe verständigen zu können. Auch für ältere oder pflegenbedürftige Menschen ist eine derartige Datenaufnahme per Mobiltelefon eigenständig durchführbar. Bei Problemen kann die Bedienung durch Verwandte oder Pfleger unterstützt werden. Ein weiterer Vorteil der Messung am Smartphone ist die ständige Präsenz der Gesundheitsdaten, die gesundheitswirksame Aspekte wie z.b. sportliche Betätigung oder gesunde Ernährung sichtbar 1

7 Kapitel 1 Einführung 2 machen können. Außerdem ist es möglich, Daten gezielt mit einem Mobile Personal Trainer zu teilen, um Trainingseinheiten gezielt auf persönliche Sequenzen abzustimmen. Somit können z.b. bei zu hohem Blutdruck entsprechende Trainings empfohlen oder bei schlechten Blutzuckerwerten passende Ernährungstips gegeben werden. Eine ständige Erinnerung kann das Gesundheitsbewusstsein im Positiven beeinflussen, Erfolge und Misserfolge eine motvierende Wirkung erzeugen. Dies kann durch den Vergleich mit alten Messdaten oder auch mobil mit anderen Benutzern erfolgen, was somit auch einen sozialen Aspekt bieten kann. Beim mobilen Einsatz ist nun eine drahtlose Übertragung der Messdaten sinnvoll. Smartphones besitzen intern diverse Schnittstellen zur Drahtloskommunikation mit mobilen Sensoren. Aufgebaut wird eine Verbindung oft über WLAN, Bluetooth und Infrarot, außerdem werden teilweise auch proprietäre Standards wie ANT/ANT+ unterstützt. Um Schnittstellen verwenden zu können, die vom Chip nicht direkt unterstützt werden, können diese per USB-Anschluss nachgerüstet werden. Um USB-Peripheriegeräte als USB Slave Geräte verwenden zu können, muss die Firmware des Telefons mit USB-Anschluss den USB On The Go Modus unterstützen. Dies ermöglicht, die Applikation am Mobiltelefon ortsunabhängig zu nutzen. 1.2 Aufbau der Arbeit Die Arbeit beginnt mit der Analyse aktueller Health Manager Systeme. Dabei werden sowohl Geräte als auch bestehende Softwaresysteme erläutert. Außerdem wird das Biocomfort Health Manager SDK vorgestellt. In Kapitel 3 wird zunächst der Aufbau des Android-Systems und dessen Applikationen erklärt. Dann wird die Konfiguration und Einrichtung des Health Manager Systems erläutert, wozu Änderungen am System vorgenommen wurden. In Kapitel 4 wird dann die entwickelte Implementierung vorgestellt. Dabei wird deren grundlegender Aufbau, wie auch Besonderheiten beschrieben. Abschließend werden in Kapitel 5 Ergebnisse zusammengefasst und mögliche Erweiterungen vorgestellt.

8 Kapitel 2 Healthmanager Im hektischen Alltag nimmt bei vielen Menschen die persönliche Gesundheit nur noch eine nachrangige Rolle ein. Bei immer mehr Menschen diagnostiziert der Arzt Berufskrankheiten [1] und Herzkrankheiten [2]. Eine Überwachung der persönlichen Gesundheit erfolgt oft erst, wenn schwerwiegende Symptome auftreten. Unter anderem viele Herz- und Zuckerkranke benutzen deshalb tragbare Sensoren, um gewünschte Werte jederzeit messen zu können. Dabei existiert jedoch eine große Zahl von Geräten von unterschiedlichen Herstellern. Gemessene Daten sind bei einer größeren Palette von Sensoren entsprechend verstreut und damit schwierig zu verwalten. Health Manager Systeme versuchen dieses Problem zu lösen, und bilden somit eine zentrale Instanz für persönliche Gesundheitsdaten. Solche Systeme ermöglichen dem Benutzer, jederzeit seine Vitalwerte zu überwachen. Dies kann damit sowohl im Krankheitsfall, als auch vorbeugend erfolgen. Dabei werden in diesem Kapitel zunächst Eigenschaften von Health Manager Systemen genannt. Unter Abschnitt 2.2 werden dann vorhandene Softwarelösungen für Health Manager Systeme erläutert. Zuletzt wird in Abschnitt 2.3 die Biocomfort Health Manager Plattform vorgestellt. 2.1 Eigenschaften Um persönliche Gesundheitsdaten aufzunehmen, können im privaten Bereich tragbare Sensoren verwendet werden. Diese oft sehr günstigen Geräte besitzen meist nur schlechte Darstellungsmöglichkeiten, begrenzten Speicherplatz und keine Sicherung gegen Geräteverlust oder Defekt. Deshalb ist es wünschenswert, aufgenommene Daten zu einem zentralen Datenspeicher zu transferieren. Der Datentransfer kann kabelgebunden oder drahtlos erfolgen. Diese Rolle nimmt der sogenannte Health Manager ein, einer auf einem Rechner installierten Software-Platform. Als ganzheitliches System versucht der Health Manager möglichst alle gesundheitsrelevanten Vital- 3

9 Kapitel 2 Healthmanager 4 werte zu erfassen. Dies hat den Vorteil, dass eventuelle Parallelen zwischen verschiedene Werten erkannt werden können. Außerdem kann auch der Messwertverlauf über kürzere oder längere Zeiträume dargestellt werden. Dieser ist meist wichtiger als Einzelwerte. Einem Datenverlust kann durch Synchronisation mit Onlinediensten vorgebeugt werden. Dies hat außerdem den Vorteil, dass Daten von überall abrufbar sind. Da so gemessene Daten leicht an andere Instanzen, also z.b. Ärzte oder Therapeuten, weitergegeben werden können, ist eine deratige Datenaufnahme Grundlage für Telemedizin. Im Folgenden werden zunächst existierende Lösungen beschrieben, dann die Biocomfort Health Manager Plattform vorgestellt. 2.2 Vorhandene Softwarelösungen Sowohl für Smartphone als auch am PC existiert bereits eine sehr große Zahl von Health Manager Applikationen. Im folgenden werden einige ausgewählte unter Android lauffähige Systeme vorgestellt und deren Merkmale genannt Garmin Die Trainingsdaten- und Healthmanagerplattform Garmin Connect ist auf Fitnesstraining fokussiert. Die Daten werden vom jeweiligen Fitness- oder Medizinmessgerät hochgeladen und online gespeichert. Hier können per Webinterface die Daten graphisch analysiert und Trainingspläne erstellt werden. Geplant werden können auch Lauf- oder Fahrradstrecken, sowie Trainingsziele und andere Aktivitäten. Momentan existieren diverse Trainingsgeräte, sowie als medizinisches Messgerät eine Waage. Außer durch hochladen können Vitalwerte auch manuell eingegeben werden. Mit Garmin Fit existiert auch eine Applikation für Android, die Daten von Garmin Connect anzeigen kann Ubiquitous Personal Health Surveillance and Management System Das Ubiquitous Personal Health Surveillance and Management System [3] ist ein Healthmanagement-System für Android-Mobilgeräte, das Gesundheitsdaten von drahtlosen Sensoren empfängt. Dies erfolgt über einen ZigBee-Empfänger, der entweder über USB oder Bluetooth die Daten an das Smartphone weiterleitet. Die empfangenen Daten werden dabei verschlüsselt über die Internetverbindung des Smartphones zu einem zentralen Datenspeicher übertragen. Um die gespeicherten Serverdaten zu teilen, kann man Berechtigungen an zugelassene Personen wie Ärzte, Verwandte, Freunde und Pfleger vergeben. Außerdem werden bei Überschreitung gesundheitskritischer Grenzwerte automatisch Alarmmeldungen versandt, versehen mit entsprechenden Standortdaten des Smartphones.

10 Kapitel 2 Healthmanager 5 Als systemkompatible Sensoren werden verschiedene gewerblich erhältliche Sensoren genannt. Das sind sowohl ein Sensor für Elektrokardiogramme, Elektromyographien und Elektroenzephalografien, die Aktivität von Herz, Gehirn und Muskeln messen. Außerdem kann ein Blutzucker-, Blutdruck- sowie ein Atmungssensor verwendet werden. Auf dem Smartphone besteht keine Möglichkeit zur Visualisierung der Daten, dies geschieht dann am Rechner, der UPHSM Agent dient lediglich zur Datenaufnahme und Datenübergabe. Außerdem ist eine Weiterleitung der Vitaldaten an kompatible Applikationen direkt am Smartphone so nicht vorgesehen. Das UPHSM ist somit vornehmlich an pflegebedürftige, chronisch Kranke und Senioren gerichtet ECG Monitoring System mit mobilem Barcode-Decoder Abbildung 2.1: ECG Monitoring Applikation [4] Weiterhin bieten P. Cheng und W. Chung [4] ein Ubiquitous Healthcare System für die Android Plattform an. Das System fokussiert sich auf die Aufnahme und Analyse elekotrokardiographischer Daten unter der Verwendung eines Wireless Sensor Networks (WSN). Der im Brustgürtel des Health Shirt enthaltene ECG-Sensor überträgt die Daten drahtlos unter Verwendung des Standard IEEE Die Empfangsstation am Mobiltelefon ist als Wireless Dongle ausgeführt und wird über ein serielles RS-232 Communication Interface verbunden. In einer grafischen Android-Anwendung werden die empfangenen Messdaten, wie in Abbildung 2.1 zu sehen, angezeigt. Die Übertragung und Anzeige geschieht in Echtzeit, außerdem kann zwischen bloßer Darstellung der Wellenform und Datenanalyse gewählt werden. Das System bietet weiterhin mit der Personalied Medicine Care Assistance einen personalisierten QR-Code Scanner speziell für Medikationen an. Entsprechend an der Medikation angebrachte Codes kann man dabei über die im Mobiltelefon integrierte Kamera dekodieren und somit identifizieren. Durch Verlinkung auf die entsprechende Url werden auch nichtvisuelle Inhalte wie

11 Kapitel 2 Healthmanager 6 Audiodateien dargestellt. Dies kann eine hilfreiche Stütze für Blinde oder visuell eingeschränkte Menschen sein. Mit dem ECG als derzeit einzigem Sensor ist das System vornehmlich zur Vorbeugung von Herzkrankheiten und für chronisch Kranke interessant. Um ein ganzheitlicheres System zu bieten, sollten noch weitere Sensoren verfügbar gemacht werden Blutdruck Die Applikation Blutdruck [5] dient vornehmlich der Visualisierung und Speicherung von Blutdruckwerten. Dabei müssen gemessene Daten manuell am Smartphone eingegeben werden. Berichte können im Tabellenformat via an den Hausarzt übermittelt werden. Außerdem ist es mit dieser Applikation möglich die Daten statistisch auszuwerten. Zusätzlich existiert eine Erinnerungsfunktion, die regelmäßige Messungen unterstützt. Die Applikation ist dabei jeweils als Lite- und Vollversion erhältlich. Ein Funktion zur direkten Datenaufnahme von drahtlosen Sensoren ist nicht vorhanden Blutdruck Logbuch Ähnlich wie die Blutdruck-Applikation Blutdruck aus Abschnitt müssen auch im Blutdruck- Logbuch [6] Daten manuell eingegeben werden. Bei einer Messung werden dabei neben Messdaten und Messzeit auch der Messort abgespeichert. Außerdem ist es auch möglich Herzfrequenz und Gewicht hinzuzufügen. Die Datenexportfunktion unterstützt verschiedene Formate und kann zur Darstellung der Vitaldaten in Fremdprogrammen genutzt werden. Eine kostenpflichtige Pro Version bietet zusätzlich weitere Analysetools für die Messdaten WiThings WiScale Die Applikation WiThings WiScale [7] ermöglicht es, Vitaldaten einer Personenwaage zu empfangen und darzustellen. Bei der Messung wird dabei auch das Verhältnis zwischen Fett- und Muskelmasse bestimmt. Dabei werden der Body Mass Index (BMI) berechnet und Orientierungsbereiche angezeigt. Die Messwerte werden unter Nutzung von IEEE b/g per Wlan übertragen. Die Waage beherrscht die Verschlüsselungsmethoden WEP, WPA und WPA2-personal. Nach der Speicherung am Smartphone können die Daten entweder über eine Website oder direkt auf dem Onlinedienst Twitter veröffentlicht werden. Neben der Android-Applikation existiert auch entsprechende Software für Mac, PC, iphone oder ipad.

12 Kapitel 2 Healthmanager Biocomfort Health Manager Plattform Nach den bisher genannten Health Manager Lösungen wird nun auf die Biocomfort Health Manager Plattform eingegangen. Biocomfort bietet mit der Health Manager Plattform ein umfassendes System zur Erfassung von Gesundheitsdaten an. Dieses besteht aus einer Familie von Messgeräten zur Aufnahme und Softwareprogrammen- und Diensten zur weiteren Verarbeitung der medizinischen Messdaten. Zur drahtlosen Datenübertragung mit dem IEEE Standard wird ein Wireless Gateway genutzt. Biocomfort bietet dabei im Gegensatz zu allen anderen Lösungen offene Programmierschnittstellen an. Mit diesen Programmierschnittstellen, dem Biocomfort Health Manager SDK, können variabel Benutzerprogramme für verschiedene Plattformen erstellt werden. Dieses SDK wurde bei der Entwicklung des Biocomfort Health Assistant für Android genutzt Messgeräte Abbildung 2.2: Wireless USB-Dongle zum mobilen Datenempfang, Blutdruckmessgerät zur Messung am Handgelenk, Blutzuckermessgerät mit mitgelieferter Einstichhilfe zur hygienischen Messung, sowie Diagnosewaage zur Bioelektrischen Impedanzanalyse Zur Messung von Vitaldaten sind unter der Biocomfort Health Manager Plattform verschiedene Mobilsensoren zur Datenaufnahme verfügbar. Dies sind derzeit sowohl ein Blutdruck- und Blutzuckermessgerät, sowie eine Diagnosewaage zur Bioelektrischen Impedanzanalyse. Den Messgeräten liegt ein einheitliches Bedienkonzept zugrunde, das die Bedienung für den Erstbenutzer vereinfacht. Alle Geräte besitzen ein LCD-Display zur Darstellung von Geräte-, Mess- und Benutzerdaten. Messdaten können dort einzeln oder als Durchschnittswert für 7, 14, 21 oder 28 Tage dargestellt werden. Bei überhöhten Werten werden nach der Messung Warnungen am jeweiligen Messgerät ausgegeben. Zur Verwaltung von Messwerten für verschiedene Personen können bis zu 8 verschiedene Benutzerprofile auf den Geräten erstellt werden. Die Messwerte werden jeweils bei der Messung mit einem Zeitstempel und entsprechender Benutzernummer versehen.

13 Kapitel 2 Healthmanager 8 Blutdruckmessgerät Die Blutdruckmessung mit dem tenso-comfort Blutdruckmessgerät erfolgt im oszillometrischen Messverfahren am Handgelenk. Dabei pumpt das Gerät bei der Messung automatisch Luft zu oder ab. Der intere Messwertspeicher kann mehr als 112 Messungen abspeichern. Ein einzelner Messwert besteht dabei (neben Zeitstempel und Benutzernummer) je aus systolischem Blutdruck, diastolischem Blutdruck sowie dem gemessenen Puls. Bald ist alternativ auch ein Sensor zur Blutdruckmessung am Oberarm erhältlich. Blutzuckermessgerät Das gluco-comfort Blutzuckermessgerät bestimmt den quantitativen Blutzuckerwert im amperometrischen Messverfahren. Zur hygienischen Gewinnung eines Blutstropfens ist neben dem eigentlichen Messgerät eine Stechhilfe mit austauschbaren Einstichnadeln vorhanden. Die Messung erfolgt durch Einführung von Messstreifen und dauert etwa 10 Sekunden. Der interne Messwertspeicher von gluco-comfort reicht für 122 Messungen. Diagnosewaage Die scaleo-comfort Diagnosewaage nimmt bei der Messung neben dem Gewicht weitere Vitalwerte auf. In der Bioelektrischen Impedanzanalyse werden über den Wiederstandswert Körperfett, Körperwasser und Muskelmasse bestimmt. Diese sind für die Ermittlung eines aussagekräftigeren Gewichtswertes nützlich, da z.b. durch Wasseraufnahme bzw. Abgabe die Körpermasse verfälscht wird. Gespeichert werden können bis zu 44 Messungen, der Messbereich bewegt sich zwischen 10 und 150 kg Biocomfort Health Manager Software Development Kit Für vergleichbare Peripheriegeräte mit Softwareanbindung, wie die drahtlosen Messgeräte von Biocomfort, wird zur Datenaufnahme und Kommunikation lediglich ein proprietäres Softwarepaket angeboten. Derartige Softwarepakete sind oft auf wenige Plattformen und auf Peripheriegeräte der beteiligten Partner beschränkt. Dadurch ist die Integration von Hardwarekomponenten Dritter nicht möglich, was eine Einschränkung auf Geräte des Herstellers bedeutet. Als Alternative dazu werden von Biocomfort öffentliche Programmierschnittstellen in Form des Health Manager Software Development Kit angeboten. Diese sind in den auf vielen Plattformen verbreiteten Programmiersprachen C und Java vorhanden. Das SDK bietet dabei Funktionen zur Kommunikation mit den Medizingeräten. Damit können Geräte- und Messdaten abgerufen werden. Außerdem werden weitere Daten, wie z.b. Informationen bei Übertragungsfehleren oder anderen

14 Kapitel 2 Healthmanager 9 Problemen, weitergeleitet. Darüberhinaus kann über das SDK die Konfiguration der Medizingeräte eingestellt,der interne Gerätespeicher gelöscht oder die Gerätezeit verändert werden. Die Dokumentation zum SDK ist online abrufbar, außerdem sind nach Registrierung Beispielprogramme verfügbar. Auf der Basis dieser Schnittstellen wird die Implementierung einer Softwarelösung unter Android ermöglicht.

15 Kapitel 3 Applikationsentwicklung unter Android In diesem Kapitel werden Grundlagen für die Entwicklung und den Aufbau von Android- Smartphones beschrieben. Weiterhin wird auf Eingriffe ins Android-System eingegangen, die speziell für die entwickelte Anwendung erforderlich waren. 3.1 Android-Smartphones Smartphones sind weltweit immer weiter verbreitet [8]. Durch die Übernahme von Android Inc. im Jahr 2005 stieg auch Google in diese Branche ein gründete Google zusammen mit mehreren Hardware- und Softwareanbietern, sowie Mobilfunkpartnern, die Open Handset Alliance. Diese veröffentlichte am 1. Oktober 2008 das unter der Federführung von Google entwickelte Smartphone-Betriebssystem Android. Das Android-Betriebssystem (fortan Android genannt) steht unter der quelloffenen Apache-Lizenz. Neben dem Betriebssystem stellt Google das Android Software Development Kit (SDK) und das Android Native Development Kit (NDK) bereit. Das SDK bietet neben einer Reihe von Entwicklungstools eine in Java implementierte Programmierschnittstelle (Application Programming Interface - API). Zusätzlich dazu können Applikationen mit dem NDK um Nativen Code ergänzt werden. Android-Mobiltelefone werden derzeit von Smartphone-Herstellern wie Samsung, HTC, LG, Dell, außerdem von Google selbst in Kooperation mit anderen Herstellern, angeboten. In den USA machen Android-Mobiltelefone derzeit knapp mehr als die Hälfte des Smartphone-Marktes aus [9] Das Betriebssystem Android Das Betriebssystem Android kann in folgende Komponenten unterteilt werden: Kernel, Bibliotheken, Laufzeitumgebung, Application Framework und Anwendungen. Dieser Aufbau ist in Abbildung 3.1 dargestellt. 10

16 Kapitel 3 Applikationsentwicklung unter Android 11 Abbildung 3.1: Architektur des Android-Betriebssystems Kernel Der Android-Kernel basiert auf Mainline-Linux [10] und kann als GPLv2-Software [11] frei heruntergeladen [12] und modifiziert werden. Der Kernel ist dabei für die Speicherverwaltung, Prozessverwaltung, Sicherheit, Lastverteilung und E/A-Operationen zuständig. Der Kernel stellt außerdem als unterste Schicht Treiber zur Einbindung von Hardware zur Verfügung. Bibliotheken und Laufzeitumgebung Die Standardbibliotheken des Systems sind in C/C++ geschrieben und bilden zusammen mit der Android-Laufzeitumgebung die Schicht oberhalb des Kernels. Diese Bibliotheken werden

17 Kapitel 3 Applikationsentwicklung unter Android 12 zur Beschleunigung rechenintensiver Anwendungen von höher gelegenen Schichten aufgerufen. Rechenintensive Anwendungen sind z.b. das Abspielen von Medien, Seitenrendering im Web oder beschleunigte 3D-Anwendungen. Statt der regulären C-Standardbibliothek wird eine für Android optimierte Version eingesetzt. In der Android-Laufzeitumgebung findet sich neben den Java-Standardbibliotheken die Dalvik Virtual Machine (VM). Diese registerbasierte Virtuelle Maschine ersetzt die Standard Java VM. Durch die hardwarespezifische Optimierung des Java-Bytecodes ist die Ausführung mehrerer VM- Instanzen resourcenschonender und benötigt weniger Speicher als die Java VM. Android Application Framework Das Android Application Framework bildet einen Satz von Systemkomponenten, die zur Anwendungsentwicklung genutzt werden. Diese liegen als Klassenbibliotheken in der Programmiersprache Java vor. Enthalten sind unter anderem Klassen für GUI, Datenaustausch, Einbindung von Resourcen, Systemdienste und Hardwarekomponenten. Applikationen Anwendungen bilden die für den Benutzer sichtbare höchste Schicht im Betriebssystem. Als Zugriffsschutz zwischen Anwendungen wird für jede neue Anwendung ein neuer Benutzer erstellt. Applikationen werden normalerweise in Java entwickelt, können jedoch auch mit C/C++-Code ergänzt werden. Mit Android Lighthouse [13] existiert auch die Möglichkeit, native Applikationen mit Qt/C++ zu erstellen Android-Applikationen Der Android Application Framework stellt einige Grundkomponenten zur Applikationserstellung und Android bereit. Hier werden einige ausgewählte erklärt. Activities Eine Activity ist eine Komponente der Benutzeroberfläche. Normalerweise repräsentiert eine Activity eine einzelne Bildschirmseite der Applikation. Diese beinhaltet einzelne User Interface (UI) Elemente, über die der Benutzer mit der Applikation interagieren kann. Der sichtbare Teil der Anwendung besteht aus Activities, zwischen denen man während der Ausführung wechseln kann. Für jede Anwendung ist zwar eine Einstiegs-Activity definiert, im Gegensatz zu Desktopanwendungen

18 Kapitel 3 Applikationsentwicklung unter Android 13 gibt es jedoch keine Main-Funktion. Jede Activity kann über Intents von anderen Anwendungen aufgerufen werden, sofern diese die entsprechende Berechtigung besitzt. Services Zur Ausführung von Aufgaben im Hintergrund kann ein Service definiert werden. Rechenintensive Prozesse können hier ausgelagert werden, um das UI nicht zu blockieren. Services werden nach Beendigung der Anwendung, die ihn startete, nicht gestoppt. Es wird zwischen Started Services und Bound Services unterschieden. Started Der Started Service wird von einer Applikation gestartet und arbeitet, bis er die ihm übergebene Aufgabe erfüllt hat. Er übergibt dabei keinen Rückgabewert. Ergebnisse können z.b. über Broadcasts versendet werden. Bound Wenn sich eine Anwendung mit einem Started Service verbindet spricht man von einem Bound Service. Diese Client-Server Verbindung ermöglicht eine zweiseitige Kommunikation. Auch applikationsfremde Services oder Activities können sich so mit dem Service verbinden und Daten mit ihm austauschen. Intents Intents sind Nachrichten, die zum Starten von Activities und Services vom System oder von Anwendungen verschickt werden. Es ist möglich, serialisierte Anwendungsdaten an diese anzuhängen. Intents können sowohl Komponenten der eigenen Anwendung als auch externe Komponenten starten. Somit können anwendungsfremde Komponenten in die eigene Applikation eingebaut werden, ohne diese neu zu implementieren. Zum Export kann man mit Intent-Filtern dem System mitteilen, welche Intents durch die Applikation bearbeitet werden können. AIDL-Interfaces Das Android Interface Definition Language (AIDL) erlaubt es eine Programmierschnittstelle zu erstellen, auf die sich sowohl Client, als auch Server einigen, um mit IPC miteinander zu kommunizieren. In AIDL-Dateien können Remote Procedure Calls (RPCs) vereinbart werden, die von einem Client aus aufgerufen werden können.

19 Kapitel 3 Applikationsentwicklung unter Android 14 Resourcen Resourcen werden zur deklarativen Gestaltung bestimmter Anwendungskomponenten verwendet. Android kennt verschiedene Arten von Resourcen, meist in XML-Dateien formuliert, die die Programmierung und Wiederverwendbarkeit des Codes steigern sollen. Android bietet unter anderem Resourcen für Animationen, Farbdefinitionen, Rastergrafiken, Layouts, Menüs, Strings und Styledefinitionen. Auch ist es möglich, benutzerdefinierte Resourcen, sog. RAW-Resourcen, einzubinden. Manifest Android summiert alle anwendungsrelevanten Eigenschaften in einer XML-Datei. Diese Datei wird Manifestdatei (AndroidManifest.xml) der Anwendung genannt. In dieser werden Activities, Services und weitere Komponenten registriert und Berechtigungen deklariert. Zusätzlich können hier die Eigenschaften der Anwendung selbst oder auch ihrer Komponenten (Activity oder Services) festgelegt werden. So kann z.b. eingestellt werden, ob die Anwendung den vollen Bildschirm benutzt (Fullscreen), oder Hardwarebeschleunigung benötigt. 3.2 Applikationsspezifische Vorbereitungen am Gerät Generell ist der Biocomfort Health Assistant für Android unter jeder Android Plattformversion und jedem Androidgerät lauffähig, jedoch unter einigen Vorraussetzungen. Momentan ist die Applikation auf API-Version 14 und neuer (entsprechend Plattformversion 4.0 und späteren) beschränkt. Um frühere Android-Versionen verwenden zu können, müssen vorhandene C-Bibliotheken von Biocomfort für die entsprechende Hardware kompiliert werden. Außerdem muss der Kernel des Geräts die Biocomfort-Hardware in Form des USB-Gateways unterstützen. Damit ist das Vorhandensein entsprechender Treiber und Treibermodi erforderlich. Der größte Teil der Entwicklung erfolgte neben anfänglichen Tests im Emulator am Samsung Nexus S, das alle besagten Vorraussetzungen erfüllt Rooting Android benutzt das Rechtemanagement des Linux-Kernels applikationsbezogen, d.h. für jede Applikation wird bei der Installation ein neuer User erstellt. Die Applikation kann somit nur auf applikationseigene, nicht jedoch auf Systemdaten, oder die Daten anderer Applikationen zugreifen. Die Kommunikation zwischen Applikationen erfolgt über Schnittstellen des Android Application Framework. Nun existiert unter unixoiden System neben normalen Usern immer auch ein User, der

20 Kapitel 3 Applikationsentwicklung unter Android 15 Berechtigungen hat auf alle Dateien zuzugreifen. Bei den meisten Desktop-Linuxdistributionen ist der Zugriff auf Systemadministratorrechte über Dienstprogramme wie su oder sudo möglich. Unter Android jedoch ist der Root User in Standardkonfiguration deaktiviert. Im normalen Betrieb ist das Rooten des Telefons nicht erforderlich, außerdem ein erhebliches Sicherheitsrisiko. Einerseits besteht dabei die Gefahr, dass das System durch Eingriffe unbenutzbar wird. Andererseits kann die Sicherheit der in Applikationen gespeicherten Benutzerdaten nicht mehr garantiert werden. Beim Rooten erlischt meist die Herstellergarantie, somit ist bei Nicht- Entwicklungsgeräten davon abzuraten. Das Rooting ist bei der Entwicklung in vielerlei Hinsicht nützlich, als auch erforderlich. Einige Applikationen können erst nach erfolgtem Rooting genutzt werden. Darüberhinaus kann mit Administratorrechten auch per Shell auf Applikationsdaten, wie im hier beschriebenen Anwendungsfall, z.b. der Zugriff auf SQLite-Messwertdatenbanken zugegriffen und diese zu Debugging-Zwecken inspiziert werden. Nur bei erfolgtem Rooting kann außerdem auf Gerätedateien zugegriffen werden, Rechte geändert oder Dateisysteme ein- und ausgehängt werden. Bei Entwicklung des Biocomfort Health Assistant war das Rooting aus verschiedenen Gründen erforderlich. Zunächst mussten Konfigurationsdateien auf der Systempartition eingespielt werden. Außerdem wurde dort auch das FTDI-Kernelmodul abgelegt, um dies beim Systemstart automatisch zu laden. Weiterhin war es nötig, Geräteknoten neu zu erstellen und zu verlinken. Ohne Root-Rechte ist außerdem kein Wireless Debugging möglich, was die Entwicklung sehr stark behindern würde. Am wichtigsten jedoch werden die Root-Rechte bei der Nutzung von USB-On-the-go (USB-OTG). Da der benutzte Treiber nicht automatisch zwischen Client und On-the-go Modus umschalten kann, muss dies als Root manuell erledigt werden. Für verschiedene Geräte existieren verschiedene Methoden zum Rooten. Eine Möglichkeit wäre z.b., eine modifizierte Firmware mit Rootrechten zu flashen. Beim Nexus S ist die einfachste Methode, ein Recoveryprogramm zu installieren, über das manuelle Systemupdates eingespielt werden können. Als Recoverytool dient meist ClockworkMod (siehe Abbildung 3.2), über das ein Superuser-Paket installiert wird Kernel Die gesamte Gerätekommunikation erfolgt bei Android als linuxbasiertem System über Treiber im Linuxkernel. Da der Linuxkernel eine große Masse von Hardware unterstützt, würde die Größe des Kernels bei der Integration aller Treiber sehr stark anwachsen. Deshalb können Treiber über sog. Module aus dem Kernel ausgelagert werden, die erst im laufenden Betrieb geladen werden. Vor der Kompilierung des Kernels wird eine Konfiguration festgelegt. Diese bestimmt für jeden Treiber, ob dieser im Kernel integriert, als Modul ausgelagert, oder nicht kompiliert wird.

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