公共互動裝置原型設計中開源硬件平臺應用研究

謝文婷 徐聰

摘? ?要：文章為基于Arduino開源平臺的公共互動裝置原型設計，提出系統化流程及應用方法指導。簡要介紹公共互動裝置原型設計的基本概念與實現流程現狀，通過優缺點對比，論證Arduino應用于公共空間互動裝置原型設計的必要性，總結基于Arduino平臺的公共互動裝置原型設計一般應用流程。采用Arduino開源平臺結合Krobot圖形化軟件編程工具進行應用實踐，驗證流程可行性與詳細闡述流程應用方法細節。Arduino開源平臺應用流程有助于初學者快速、有效地自主搭建體驗式的公共互動裝置原型，具有實踐學習指導意義。

關鍵詞：Arduino;公共空間;互動裝置;原型設計

公共互動裝置作為移動智能時代的產物，將為城市環境營造與公眾精神生活豐富帶來巨大的創新改變。在公共互動裝置設計過程中，由于其交互的復雜性，設計師往往需要通過可感知互動的原型設計來驗證交互構想。傳統的原型設計根據其呈現的物理狀態可分為靜態原型，如紙面草圖、二維效果圖、三維建模圖等。動態原型，如可交互軟件原型、動畫仿真、紙板實物模型等[1]，主要用于設計師對概念、造型、配色等方面的合理性、可行性進行探討，無法獲得使用者與裝置交互過程中有價值的反饋。因此，如何在互動裝置藝術設計過程中快速構建可交互的原型成為亟待解決的問題。本文通過分析傳統公共互動裝置原型的設計流程，提出將近年新興的快速原型構建工具Arduino融入公共互動裝置藝術原型設計過程中，以交互原型設計具體流程與設計實踐為基礎，闡述如何運用Arduino平臺快速構建可互動體驗的城市公共互動裝置藝術原型。

1? ? 公共互動裝置藝術原型設計流程現狀分析

公共互動裝置藝術是指在公共空間中存在的一種利用高新技術手段完成的可供人們與之實時交互的藝術表現形式，是數字化城市的產物[2]。從公共互動裝置設計項目全局角度出發，其流程分為產品計劃、產品創意、原型設計、嚴謹開發4個主要步驟（見圖1）。一個成功的創新設計不但需要具備巧妙的創意，而且還需制定周密、詳盡且不乏彈性的計劃，并將其付諸實踐，持之以恒地執行[3]。產品計劃階段是整個流程的頂層設計，在明確任務之后針對場景與場景中涉及的公眾進行需求分析。產品創意是在將研究所得需求轉化為可交互實體的形式或虛擬與實體結合的形式呈現，在原型設計階段旨在通過硬件設計與編程等方式將互動裝置粗略呈現，并對其進行可用性測試。嚴謹開發階段則是對裝置進行最終研發實現。其中，原型設計被視為整個設計流程中最核心的步驟，可在功能、感官以及技術實現測試中進行多次快速迭代，驗證其合理性。

目前常見的公共互動裝置項目中原型設計主要由跨學科團隊之間高度合作完成，自動化、機械學科背景人員負責硬件部分設計，計算機背景人員負責軟件編程部分。系統化的軟硬件研發流程可保證其最終呈現的效果，但也有一些缺點。

1.1? 周期長

原型研發過程將軟硬件細化分工，需要專業團隊對各自任務進行研發，過程中協同合作不足將導致在整合調試過程中遇到較多問題，方案的修改也將大大增加項目周期。

1.2? 迭代少

由于軟硬件研發的專業性，設計師參與度不深導致項目在原型階段迭代機會大大降低。

1.3? 方案修改難度大

在驗證過程中發現的問題大多是碎片化形式，很難一次性將問題總結并反饋給研發人員，同時軟硬件研發歸屬不同人員完成，人員之間缺乏溝通或溝通不及時都使方案修改難度增大。可見，選擇合適、高效的原型構建方法對于獲得快速、低成本、高質量的交互裝置具有較強推動作用。

2? ? Arduino開源平臺應用于公共互動裝置原型設計的一般流程

Arduino是一款專門針對創客、設計師、電子愛好者的開源電子硬件設計平臺，由硬件—各種型號的Arduino Board，和軟件—Arduino IDE組成，是一個開放源代碼的單芯片微電腦，編程語言是建立在C或C++語言基礎上[4]。

Arduino是為非專業人士實現創意、設想而創造的一款可便捷設計的智能控制器，但這里所指的創意實現與最終完成的專業級產品有所區別。在公共互動類裝置設計中，學習門檻低、使用便捷的Arduino主要幫助設計師完成產品實體模型化與量產之前的功能與體驗的可用性測試，驗證產品的行為邏輯合理性以評估產品可用性。同時，Arduino模塊化的特點可以讓設計人員在進行原型設計的過程中嘗試不同的組合方式，有利于創造新的可能。

基于Arduino開源平臺的互動裝置藝術原型設計流程如圖1所示，主要分為以下幾個過程。

（1）Arduino硬件核心板與擴展板選型，Arduino開源平臺提供了多種功能的核心與擴展板，設計人員可根據產品功能需求、體積限制、外設數量等因素選擇所需的控制板與擴展外設。

（2）外設器件選型，設計人員根據交互需求，選擇合適的輸入輸出外設器件，如不同類型的傳感器或驅動器件。由于Arduino外設接口統一，可便捷地將元器件與核心、擴展板連接。

（3）軟件部分編程，通過Arduino軟件開發平臺，初學者可運用Kenrobot等圖形化編程軟件，用類似搭積木的方式便捷完成軟件程序編寫，上傳至開發板完成原型搭建。

（4）軟硬件測試與快速迭代，設計人員可利用搭建的原型系統測試設計方案與系統可用性。由于Arduino模塊接口統一與編程容易，設計人員通過不停快速迭代整個設計流程，得出最合理的方案。

3? ? 原型設計實踐

3.1? 項目計劃階段

原型設計實踐項目是一個為某商業綜合體設計的以傳統文化為主題的公共互動交互裝置。在強調以用戶為中心的時代，合理設計方案的產生是建立在對用戶需求地深刻了解基礎之上。項目設計團隊首先對公共空間互動裝置使用人群進行準確定位，通過年齡、職業收入、興趣愛好、認知水平、行為習慣、知覺特征等內容分析得出需求趨勢、動機，在顯性需求的基礎上挖掘深層需求。通過需求分析發現用戶傾向于以趣味化的方式了解傳統文化，因此項目可通過裝置交互產生人與人直接的交互行為，以寓教于樂的方式和兒童、成年人都能參與的形式，增加五感體驗，促進對傳統文化的理解[5]。同時，設計團隊對商城場地提供者的需求也進行分析。商場期望通過該項目吸引人們參與、拍照，增加人流量，促進商場宣傳，提高商場知名度，同時提升商場形象。

3.2? 產品創意階段

對用戶調研得出的需求進行深入分析，將需求進行功能轉化，經過場景描述、頭腦風暴、故事版等一系列設計方法得出基于傳統文化的公共空間互動裝置設計構思。（1）形態元素，設計實踐最終以四大名著之一的《西游記》為故事背景展開，結合傳統文化中皮影與鼓的表現形式進行。（2）交互形式，采用五感體驗中的聽覺、觸覺、視覺3大感覺媒介，以《西游記》電視劇相關音樂的吸引人群。鼓作為中國傳統打擊樂以敲打的形式發出聲音，配合節奏明快的《西游記》的主題音樂用戶很容易找到鼓點跟隨音樂合奏，如果精通樂理的用戶可以發現5個鼓有不同的音階，通過敲擊可以完成一些簡單的樂曲。同時，鼓中的皮影采用《西游記》電視劇5大主角的形象呈現，隨著用戶的敲擊皮影回透過動物材質制成的半透明鼓膜中顯現，并由舵機的帶動進行簡單的肢體舞動，整個體驗生動有趣。（3）使用場景，裝置以立式的方式放置于商場室外公共空間或室內商場公共空間中，在開闊公共空間中可供多人玩樂（見圖2）。

3.3? 原型設計階段

該裝置原型主要運用Arduino和Kenrobot的相關技術完成。鼓內互動行為的交互邏輯：拍打鼓面→聲音傳感器→點亮LED燈光→舵機運轉→停止拍打→燈光熄滅→舵機復位。硬件與軟件一共分為5組鼓，互不干擾、互不聯系。在技術實現階段首先根據交互邏輯進行一組的實驗，成功后再以同樣的方式完成后4組的制作[6]。以下為該項目具體操作流程。

（1）挑選合適的Arduino板與擴展板。該項目選用DFRduino UNO R3開發板搭配ATmega16U2，完全兼容Arduino UNO R3且功能更強大。

（2）選擇元器件。根據交互邏輯選擇相對應的聲音傳感器、LED燈、舵機模塊。聲音傳感器為輸入模塊，屬于模擬量（A）應連接紅藍黑模擬量專用杜邦線插入開發板中對應模擬端口（A0～A5）。LED燈、舵機模塊為輸出模塊，屬于數字量（D）應連接紅綠黑數字量專用杜邦線插入開發板對應數字量端口（0～13），具體如圖3所示。

（3）軟件部分編程，選用支持Arduino在線版圖形化編程軟件KenRobot進行程序編寫，具體如圖4所示。soundSensor_0代表聲音傳感器，led_0代表LED燈模塊，servo_0代表舵機模塊。根據交互邏輯選擇if表達式語句，如果聲音傳感器接收到的聲音值大于或等于某個數值，那么執行其后的語句。由于用戶靠近裝置時已觸發紅外傳感器執行音樂任務，因此，為更精準識別擊鼓的聲音在此將聲音傳感器接收到的閾值增大，經過調試發現將放置在鼓內的聲音傳感器的識別閾值設置為200及以上為最佳[8]。接下來，將編寫燈光點亮與舵機運轉的程序，其邏輯為當聲音傳感器接收到200以上值時將點亮LED模塊，隨后，舵機將帶動人物皮影關節進行兩個循環的0～90°的扭轉，其中，每個動作間隔500 ms模擬皮影的活動，在兩個循環后舵機復位燈光熄滅，結束一個拍打輸入后的整個設備輸出過程（見圖4）。

（4）軟硬件調試：第3階段是對設計實踐中第一部分拍打輸入燈光與舵機扭轉輸出的探索，主要在研究如何讓軟硬件相連通并在正確的編程邏輯下讓設備呈現想要的結果。當第一階段的設置正確后依照此方法進行另外4個鼓的交互程序設計，5個鼓輸入與輸出在一個Arduino UNO開發板上完成，完成的原型如圖5所示。

3.4? 原型可用性測試

可用性測試可在最短的時間內通過制定任務觀察用戶使用行為、操作過程，從中發現設計存在的問題，以便后期的修改。對基于Arduino開源硬件的公共空間互動裝置原型設計進行可用性測試不僅可以評估裝置是否實現基本功能，裝置的互動形式是否滿足用戶的深層需求，裝置的交互方式是否用戶的使用習慣相符，以及其存在的形式是否與周圍環境相符[9]。從最終的可用性測試結果來看產品原型滿足最初所想的功能，Arduino基本解決輸入與輸出的交互行為，但其精確度和靈敏度還有待提升。此次的裝置原型設計為日后的真實裝置制作奠定了堅實的基礎。

4? ? 結語

在互聯網與傳感器技術不斷發展與成熟的趨勢下，公共空間藝術不斷智能化、互動化、趣味化已成為未來幾年的必然發展方向。公共空間互動裝置作為藝術與技術的結合產物，其原型設計在整個設計流程中顯得尤為重要[10]。而如何將更接近構想的互動行為呈現出來是設計師在交互裝置設計過程中遇到的最大問題。基于Arduino開源硬件的技術途徑可以幫助設計師更好地完成其最終作品，同時，在原型調試過程中迸發出新的創意靈感，在設計質量得到保證的同時大大提升效率。

基金項目：教育部人文社會科學研究西部和邊疆地區項目;項目編號：15XJC760004。重慶市教委高校人文社會科學研究項目;項目編號：16SKGH052。重慶郵電大學社會科學基金重點項目;項目編號：2017-06。重慶郵電大學社會科學基金重點項目;項目編號：2017KZD04。重慶市教委科學技術研究項目;項目編號：KJ120512。

作者簡介：謝文婷（1989— ），女，湖南懷化人，講師，碩士;研究方向：工業設計與產品創意。

*通信作者：徐聰（1979— ），男，重慶人，副教授，碩士;研究方向：工業設計，交互設計。

[參考文獻]

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[3]ANNEMIEK VAN BOEIJEN，JAAP DAALHUIZEN.設計方法與策略[M].武漢：華中科技大學出版社，2014.

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[10]THOMAS B，DELPHINE D，SYLVIE D，et al. Low cost venom extractor based on Arduino board for electrical venom extraction from arthropods and other small animals[J].Toxicon Official Journal of the International Society on Toxinology，2016（118）：156-161.

Abstract：For the prototype design of public interactive device based on Arduino open source platform， this paper puts forward the guidance of systematic process and application method. This paper briefly introduces the basic concept and implementation flow of the prototype design of the public interactive device， and demonstrates the necessity of the application of Arduino in the prototype design of the interactive device in the public space by comparing the advantages and disadvantages of the prototype design. The general application process of prototype design of public interactive device based on Arduino platform is summarized. Using Arduino open source platform and Krobot graphical software programming tool to carry on the application practice， verify the feasibility of the process and elaborate the details of the process application method in detail. The application process of Arduino open source platform is helpful for beginners to build the prototype of experience-based public interactive device effectively and quickly， which is of significance for practical learning.

Key words：Arduino; public space; interactive device; prototype design