軟硬件集成原型在界面設計中的應用研究

陳強

中圖分類號：TB472 文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069（2021）08-0132-03

引言

在信息時代智能化趨勢下，產品軟硬件交互形式更加多樣，界面與交互設計成為影響用戶體驗的重要因素，如何快速構建、高保真還原軟硬件設計原型進行可用性測試，為設計迭代提供依據，幫助改善用戶體驗，是產品界面設計亟待解決的問題。本文通過歸納總結軟硬件集成原型的特征及其對于界面開發設計的意義，介紹了一種基于設計師知識背景和專業能力，快速構建軟硬件集成原型的一般方法和流程，并通過實際案例闡述如何進行可用性測試和迭代設計，以期幫助設計師理解軟硬件關系、優化界面設計和用戶體驗。

一、產品的用戶界面

在工業時代“產品”主要指實質有形的物品，而在信息時代的當下，“產品”則有了更多內涵，范圍也更加廣泛，范指以使用為目的物品和服務的綜合體。以物聯網為代表的信息通信和微電子技術的進步，促使產品逐步向著智能化方向發展。從人機交互界面角度觀察，智能產品的軟硬件交互界面趨于統一。如果將產品人機界面按其最終的呈現形式分類，可以大致分為三種類型：純軟件的操作界面、純硬件的操作界面以及軟件和硬件相結合的操作界面。傳統硬件產品多采用純硬件操作界面或者以硬件為主導的軟件和硬件相結合的人機操作界面，而智能硬件產品則多采用純軟件操作界面或者以軟件為主導的硬件和軟件相結合的人機操作界面。

（一）界面設計趨勢

技術和消費升級，帶來產品的更新換代，讓智能硬件產品逐步取代傳統硬件產品，智能硬件產品的用戶界面設計呈現出以軟件為主導的軟件和硬件相融合的趨勢。

1.軟件界面：在軟件界面方面，智能硬件產品根據產品功能復雜度和體積結構大小配置不同的軟件界面，小型智能硬件產品軟件界面大多以信息的顯示為主，配上基本功能按鍵，復雜功能的操作實現則借助移動終端的觸摸屏幕遠程控制。大型智能硬件產品則一般配置有純觸控式操作面板，并伴隨配套的APP程序，以實現更加專業和精準的智能控制。

2.硬件界面：在硬件界面方面，智能硬件產品界面設計相較于傳統硬件的變化，外觀方面主要體現在實體按鍵的減少、甚至出現了部分產品為了外觀的簡潔與科技感，采用純觸摸式按鍵完全取代實體按鍵的設計，更激進的設計則不設置硬件功能按鍵，以各種傳感器配合語音、手勢、體感交互技術實現無接觸式對硬件的控制。

（二）界面設計存在的問題

智能產品的界面設計蓬勃發展的同時，也暴露出一系列問題，亟待設計解決。

1.界面語義模糊、功能提示匱乏、伴隨著新手用戶功能固著的存在。簡潔的產品外觀造型和交互界面讓用戶無從下手。與智能硬件產品越來越復雜和多樣化的功能相反的，是極簡化的產品外觀和界面設計，這就造成了用戶很難通過界面外觀解讀產品功能操作，特別是從傳統硬件產品過渡到智能硬件的新手用戶群體，還存在著對于舊有產品的功能固著（Functional fixedness），功能固著是一種心理學上的認知偏見，它描述了對于一個工具功能使用的已有知識和經驗置于新的使用情景下所帶來的消極影響。在使用智能硬件時，傳統硬件產品的使用思維所形成的功能固著伴隨著新手用戶初期使用階段，根據心理學的研究成果，功能固著有以下特征：

（1）用戶學習使用方式對功能固著的產生不構成影響。（2）即使功能固著對用戶初次嘗試使用產品時產生消極影響，但是在初次嘗試失敗后，功能固著將會消失，后續嘗試中這種影響將不復存在。（3）說明書和視頻功能指導并不能完全消除用戶所存在的功能固著。（4）直觀物理知識和運動技能的個體差異影響功能固著。

智能硬件產品的很多功能，由于界面交互設計的問題，導致不能很好地被用戶發現、了解和使用，造成功能上的浪費，因為功能的冗余和信息架構的混亂，又帶來了交互效率的低下。

2.軟硬件設計分離，造成用戶體驗的碎片化與割裂感。目前的智能產品的人機交互可以通過產品本體和移動終端控制程序實現控制，通過兩種或多種操控模式并存或接力實現任務操作，而由于軟硬件開發上的彼此獨立，造成軟硬件設計不能很好統一，不僅增加了用戶的學習成本，也帶來了使用流程上的割裂感和體驗的碎片化。

綜上所述界面設計存在的問題，可以通過軟硬件集成原型在產品開發階段加以解決。

二、智能產品界面設計中軟硬件集成原型的特征和意義

（一）智能產品界面設計中軟硬件集成原型的意義

無論是產品造型結構還是界面交互設計開發，都涉及到原型的構建和評估，原型的作用在于幫助論證評估設計方案的正確性，為設計迭代提供依據，為產品定型提供參考。

智能產品界面設計不僅涉及軟件層面交互原型設計，還涉及到硬件層面的控制面板造型與按鍵設計。單一的軟件或者硬件原型不能夠全面反映軟硬件銜接過程中的問題，而通過創建界面物理原型將物理界面制作出來，從概念轉變成實體，同高保真交互原型聯動進行聯動測試，構建軟硬件集成原型，能夠幫助設計師樹立人機交互界面的整體觀念、統一界面設計風格，提升人機界面交互體驗的整體性。

（二）智能產品界面軟硬件集成原型特征

1.功能模擬：智能產品界面軟硬件集成原型主要特征是能夠完整模擬產品和用戶之間的交互行為。智能硬件產品不同于傳統硬件，其交互形式更加多樣，功能更加復雜，技術原理也更加抽象，通過構建界面的軟硬件集成原型，能夠實現智能硬件產品從界面外觀造型結構到人機界面交互間產品界面完整形態的功能模擬。

2.軟硬件聯動：軟硬件集成原型能夠實現實體物理界面和軟件交互原型的聯動，通過3D打印快速成型技術，還可以實現物理實體界面的快速制造，進而能夠測試物理按鍵的交互方式與界面信息反饋機制，合理配置功能按鍵布局并統一軟硬件界面設計風格，還能夠最大程度接近和模擬產品真實的交互過程，在界面開發階段就能夠檢驗和暴露界面設計和人機交互過程中的問題。

3.數據收集與測試評估：產品原型還承擔著最初階段用戶測試和反饋意見收集的任務，軟硬件集成原型能夠模擬真實界面的工作方式，通過設計測試任務，完整還原用戶任務操作過程，獲取可靠的用戶數據，幫助改進產品原型設計的同時，為原型迭代提供依據，最終實現產品界面用戶體驗的最優化。

三、智能產品界面軟硬件集成原型構建流程和方法

（一）軟硬件集成原型構建流程

卡耐基梅隆大學的Asim Smailagic基于跨領域設計流程的整合，提出了以用戶為中心的跨領域并行系統設計方法，簡稱UICSM（a User-Centered Interdisciplinary Concurrent System Design Methodology），其目的是為了協同工業設計師、人機交互設計師、電氣及機械工程設計師進行跨領域、跨流程的系統開發，并結合終端用戶的測試評估進行產品的迭代設計與優化。利用UICSM軟硬件設計流程整合方法可以幫助指導和構建軟硬件集成原型。

根據UICSM的軟硬件設計流程整合方法為指導，筆者將軟硬件集成原型設計構建流程劃分分為三個階段（如圖1）：

1.軟硬件梳理階段：通過軟硬件關系的匹配將硬件設計中的功能結構（包括功能劃分、技術參數、人機尺寸等）與軟件設計中的信息構架（包括用戶研究、行為邏輯、控件設定等）進行映射，在整合設計的基礎上進行軟硬件的功能選擇與配置。

2.軟硬件設計構建階段：在軟硬件功能配置基礎上，進行軟硬件設計風格匹配，以整合物理用戶界面（Physical User Interface，縮寫為PUI）的功能和造型、CMF（材質、色彩、工藝），及圖形用戶界面（Graphical User Interface，縮寫為GUI）的交互方式、界面視覺。

3.可用性測試與評估階段：按照形成性評估和總結性評估的流程，采用實體評估與虛擬測試相結合的方法，對硬件物理原型與軟件交互原型進行測試評估，在此基礎上進行設計的迭代和優化。

（二）軟硬件集成原型構建方法

考慮到設計師的能力范圍與工作的職能分配，原型旨在幫助優化界面設計，而非電氣工程師那樣直接用于產品開發，因此在軟硬件原型構建方法上，選擇了開源電子原型平臺Arduino與無代碼交互原型設計工具Protopie相結合的技術路線。

1.通過ProtoPie交互原型設計工具構建軟件界面原型

ProtoPie具有無代碼邏輯交互和軟硬件聯通的功能特點。

無代碼：交互原型設計工具ProtoPie是一款無代碼交互原型設計工具。它具有無代碼、可快速制作高質量原型、操作原理簡單、多觸點手勢、傳感交互等方面的優勢。

邏輯交互：自然界物體間的交互是由動作的對象，引起交互發生的觸發動作，受觸發動作影響而產生的反應動作，三者組成。ProtoPie的概念模型是基于將對象、觸發動作、反應動作組合成淺顯易懂交互的原理，以此可以替換復雜的編程機器語言，制作出一個個完整的交互原型，這一交互特點完全順應了設計師和用戶的思維模式，讓設計師能夠以用戶視角梳理智能產品的交互邏輯。

軟硬件聯通：可以與硬件進行通訊，并實時測試，可在手機和網頁端實時預覽與分享。利用ProtoPie可調配陀螺儀、麥克風、羅盤等多種智能傳感器的特點，支持多觸點手勢、麥克風等感應交互方式，并且可以調節交互演示速度，慢放原型中所有的交互動作，方便開發等人員查看細節。ProtoPie Player是和ProtoPie Studio配套使用的預覽工具。通過在ProtoPie Studio上制作的原型可即時在安裝了ProtoPie Player的iPhone、iPad等移動設備上進行測試，能夠完全模擬智能產品的物聯網遠程控制機制。

2.通過Arduino物聯網（IoT）開發套件構建物理硬件界面原型

Arduino是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺。Arduino項目于2005年在意大利Ivrea開始，它的目標是創建一個設備，用來控制學生制作的交互式設計項目。Arduino致力于為各行各業的、可能從未拿起電烙鐵、從未寫過代碼的人提供開發智能制作項目的機會。Arduino包含硬件（各種型號的Arduino板）和軟件（Arduino IDE）。Arduino的硬件原理圖、電路圖、IDE軟件及核心庫文件都是開源的，在開源協議范圍內里可以任意修改原始設計及相應代碼。

Arduino具有開源、廉價、便捷、開放、跨平臺等優勢，非常適合設計師制作物理實體原型。作為物聯網（IoT）開發的重要組成部分，設計師還可以根據界面的交互形式，配置傳感器模擬人機界面的交互反饋機制。Arduino能夠通過配置的傳感器模塊獲取外界包括溫度、光線、聲音在內的環境變化，并通過設置的顯示屏等人機界面、蜂鳴器等執行器，將信息呈現在交互界面中或以一定的交互形式直接反饋給用戶。

四、智能洗衣機界面軟硬件集成原型設計實踐

在智能家居系統下，產品自身的軟硬件共同構成大系統里的一個個小的功能，用戶可以通過移動終端圖形界面遠程控制各個產品，也可以通過產品自身的物理界面直接操作，智能洗衣機就是智能家居產品的典型代表，下文以智能洗衣機界面軟硬件集成原型構建為例，旨在模擬智能洗衣機軟硬件交互的過程，包括實現面板物理按鍵的操控及屏顯的信息反饋、移動終端設備遠程控制等交互操作，以實踐案例說明軟硬件集成原型在界面設計中的應用。

根據智能產品界面軟硬件集成原型構建方法和流程，案例分為三個階段，下面分階段概述任務過程：

（一）軟硬件分析整合階段

這一階段是梳理軟硬件的功能配置，需要根據產品的功能設定、機械尺寸要求，確定產品的軟硬件分配、物理按鍵分布、屏幕位置和尺寸，相應的這些按鍵和屏幕布置和尺寸影響著軟件的交互方式和信息架構。對物理操控按鍵的取舍，是軟硬件整合階段重要任務，需要結合用戶研究數據做出判斷，最終確定原型界面軟硬件交互的功能分配。

在洗衣機界面設計案例中，通過分析洗衣機界面的硬件功能分配，將用戶界面按功能分布劃分為：洗劑盒區域、洗衣程序設置區域、洗衣程序顯示區域、電源與啟動按鍵區域。在設計實踐中通過軟硬件的分析，保留了傳統洗衣機的撥輪式控制按鍵、基本的電源與啟動停止按鍵，取消了洗衣程序顯示界面中的各項功能按鍵，將之整合到移動端APP程序中。

（二）軟硬件設計構建階段

軟硬件原型設計階段主要包括原型設計和原型集成兩部分。

軟硬件界面原型設計可分為軟件原型設計和硬件原型設計。

軟件原型設計構建（如圖2）包括：使用ProtoPie Studio設計洗衣機控制面板的樣式，按照界面功能的劃分，運用模塊化設計思維，為洗衣程序選擇旋鈕、洗衣程序顯示界面、電源與啟動按鍵配置多種色彩和樣式方案，還設計了與之配套的移動端APP程序界面，為保持整體風格的統一性，采用了和機身界面相適應的交互操作和樣式風格。

硬件原型設計構建（如圖3）包括：1個面包板（用于組裝）、2個按鈕（用于模擬開始和暫停按鍵）、2個電阻（10kΩ：用于按鈕）、1個旋鈕模塊（用于模擬旋鈕選擇操作）、1個電阻（1kΩ：用于旋鈕）、USB電纜（B型到A型：用于將Arduino板連接到筆記本電腦）、USB適配器（類型A到類型C/micro：用于將Arduino板連接到移動設備）。按照右側的面包板線路圖，將按鍵和旋鈕通過跳線與Arduino Uno板連接，并在計算機上通過Arduino IDE軟件編寫和調整按鍵和旋鈕的控制代碼，再通過USB電纜將Arduino開發板連接到計算機后，將按鍵和旋鈕控制程序燒錄到Arduino Uno板上。

軟硬件原型集成（如圖4）：通過USB電纜將安卓設備連接到Arduino，并在安卓設備上開啟USB調試。打開ProtoPie Player加載Pie文件的軟件原型。

連接線材包括一根標準的USB連接線和一根安卓設備的OTG連接線。軟硬件連接方式主要通過用一根USB線連接安卓設備和Arduino，USB電纜的一端通過OTG電纜連接后，將另一端連接到Arduino上。安卓設備和Arduino通過usb串行通信進行通信，為了確保通信順暢，須在安卓設備上啟用開發者模式。接著在安卓設備上運行Bridge應用，然后在ProtoPie Player上運行原型。Arduino可以與安卓設備通信，按動Arduino上的物理按鈕會在安卓設備上引起反應，同樣點擊安卓設備的觸摸屏虛擬按鍵，Arduino設備上的傳感器也會有相應反饋。

（三）可用性測試與評估

可用性測試和評估可分為形成性評估（Formative EvaIuations）和總結性評估（Summative EvaIuations）（如圖5）。

形成性評估在產品開發早期進行，旨在發現產品思路，并為設計指明方向。一方面通過利用信息架構可視化進行用戶可用性分析，梳理軟硬件關系。另一方面將設計好的洗衣機界面原型方案導入ProtoPie交互原型設計工具中，通過和移動端APP程序進行虛擬測試，以檢驗產品功能邏輯和信息架構的匹配程度，也可以同時檢視軟硬件界面設計風格的統一性。

總結性評估在產品開發后期進行，可以通過眼動實驗結合合意性測試來評估產品軟硬件界面交互的用戶體驗滿意度。通過眼動追蹤可以了解人們在哪尋找信息和功能，借此測試和評估用戶界面設計的可用性。在產品可用性要求基礎之上，通過合意性測試可以評估產品原型能否讓用戶產生預期的情緒反應，以評判產品的美觀性。在制作軟硬件集成原型階段，可以通過3D打印等快速成型技術，制作等比例的界面實體手板模型，并與電子硬件原型相結合，通過物理按鍵與界面的手板模型的組合，可以更加直觀的測試物理按鍵的舒適度、與界面信息顯示的交互反饋以及軟硬件交互的用戶體驗。

在可用性測試驗證產品的可用性、易用性和美觀度的基礎之上，對軟硬件集成原型用于智能產品界面設計的策略進行總結完善，編制可行性的策略報告，幫助改進和梳理方法流程，還可以針對實際需求調整策略實施方案。

結論

隨著物聯網技術的普及，產品智能化趨勢成為必然，智能產品的用戶體驗，尤其是人機交互界面必將成為產品競爭的重要焦點，界面的軟硬件交互設計也需要與時俱進，運用更加智慧化手段來豐富設計的形式和內容、提高設計效率。本文介紹了運用Arduino電子原型平臺和Protopie交互原型工具構建軟硬件集成原型的一般流程和方法，并通過智能洗衣機界面設計的案例詳細闡述了方法和流程的實踐應用。該方法具有簡便、快速、高效的特點，適合設計師學習和掌握，借助軟硬件集成原型，希望能夠幫助設計師更好的理解軟硬件關系，協調軟硬件功能分配、統一軟硬件設計風格、從而提升人機交互效率。