我的創(chuàng)客初體驗(yàn)

我的創(chuàng)客初體驗(yàn)低學(xué)齡孩子寫作業(yè)往往是一件令家長頭疼的事。孩子們寫一會(huì)兒作業(yè)就喊著要吃東西、喝水或是上廁所，不能高效安靜地完成作業(yè)，家長們看著只能干著急。孩子小，注意力不集中是其中的原因之一。那么，怎樣訓(xùn)練孩子的注意力，使其能夠?qū)Ｗ⒌貙懽鳂I(yè)呢？筆者設(shè)計(jì)了一款培養(yǎng)孩子專注力的作品，現(xiàn)分享如下。●設(shè)計(jì)思路具體的設(shè)計(jì)思路是：①在孩子準(zhǔn)備寫作業(yè)前，提醒孩子做好準(zhǔn)備。②孩子寫作業(yè)過程中，若有交互需求，給3次機(jī)會(huì)和孩子交流，并溫馨提醒孩子專心寫作業(yè)。③倒計(jì)時(shí)。默認(rèn)給孩子20分鐘時(shí)間專心寫作業(yè)，倒計(jì)時(shí)時(shí)間到了，詢問作業(yè)寫好了沒有，若孩子作業(yè)寫完了，給予孩子表揚(yáng)，鼓勵(lì)孩子的進(jìn)步;若孩子作業(yè)沒有完成，也要用激勵(lì)性的語言給孩子加油，同時(shí)提醒孩子休息10分鐘，為下一段學(xué)習(xí)時(shí)間做好準(zhǔn)備。④其他簡單的語音交互功能。⑤簡單娛樂功能，如語音點(diǎn)播歌曲?！裣到y(tǒng)硬件設(shè)計(jì)1.硬件準(zhǔn)備（1）Arduino主控板筆者選擇了Arduino平臺(tái)的Nano板作為主控板。Nano是一款基于ATmega328P的開發(fā)板，它有14路數(shù)字輸入輸出口，6路模擬輸入口，支持串口、I2C接口和SPI接口三種通信方式，方便外接各種傳感器，小巧而又便宜，適合編程造物。為了方便調(diào)試和使用，系統(tǒng)還選配了一塊擴(kuò)展板（如圖1）。（2）語音識(shí)別模塊自動(dòng)語音識(shí)別技術(shù)（AutomaticSpeechRecognition）是一種將人的語音轉(zhuǎn)換為文本的技術(shù)，簡稱ASR。本作品大量使用了語音識(shí)別功能，筆者選擇了圖2這款語音識(shí)別模塊，它是一款非特定人語音識(shí)別模塊，只需要在主控MCU的程序中設(shè)定好要識(shí)別的關(guān)鍵詞語列表，并動(dòng)態(tài)地把這些關(guān)鍵詞語以字符的形式傳送到芯片內(nèi)部，就可以對(duì)用戶說出的關(guān)鍵詞語進(jìn)行識(shí)別。它具有不需要用戶事先訓(xùn)練和錄音、不需要聯(lián)網(wǎng)就可實(shí)現(xiàn)離線語音識(shí)別、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。該模塊可以設(shè)置50個(gè)詞條，每個(gè)詞條可以是單字、詞組或短句，長度不超過10個(gè)漢字或者79個(gè)字母。該語音識(shí)別模塊集成了LD3320芯片以實(shí)現(xiàn)漢語語音識(shí)別，有循環(huán)檢測模式、口令檢測模式和按鈕檢測模式三大識(shí)別檢測模式，適應(yīng)不同的應(yīng)用場景。它采用了I2C總線接口，節(jié)省了主控板的IO口，能夠方便地與主控芯片進(jìn)行通信。（3）DS1302時(shí)鐘模塊（4）TM1650四位數(shù)碼管（帶冒號(hào)）為方便顯示實(shí)時(shí)時(shí)間，系統(tǒng)選用了數(shù)碼管（如圖4），而TM1650四位數(shù)碼管采用I2C總線接口，只占用單片機(jī)兩個(gè)IO口，減少了主控板IO口的占用。（5）MP3語音模塊及TF卡語音輸出是語音交互必不可少的，為節(jié)約成本，作品中選用了如圖5所示的MP3語音模塊，使用前將需要輸出的語音內(nèi)容列出清單，使用語音合成工具軟件生成MP3文件，需要播放語音時(shí)用主控板按文件名的方式控制本模塊播放TF卡中對(duì)應(yīng)的MP3文件。（6）微型數(shù)字功放模塊MP3模塊播放的聲音較小，只能供耳機(jī)使用，不能驅(qū)動(dòng)喇叭，為驅(qū)動(dòng)小喇叭播放交互的語音，系統(tǒng)中使用了如圖6所示的微型數(shù)字功放模塊。它是D類功放，效率極高，可配4-8歐姆2-8瓦的喇叭。（7）小喇叭如下圖頁7所示是4Ω3W的小喇叭。2.硬件連接硬件連接如下頁圖8所示。為方便各功能模塊的連接與調(diào)試，筆者選配了Nano擴(kuò)展板，步驟如下：①將Nano主控板插到擴(kuò)展板中;②將各功能模塊接入擴(kuò)展板的引腳上;③將DS1302時(shí)鐘模塊的CLK、DAT和RST引腳分別接入擴(kuò)展板數(shù)字接口11、10和9引腳;④將MP3語音模塊RX、TX引腳分別接入擴(kuò)展板串口的TX、RX引腳;⑤將MP3語音模塊的L、R引腳分別接入微型數(shù)字功放的L、R引腳;⑥將各模塊中的5V、VCC引腳接入擴(kuò)展板中對(duì)應(yīng)的5V引腳;⑦將各模塊中的GND引腳接入擴(kuò)展板中的GND引腳。由于擴(kuò)展板只有一個(gè)I2C通信接口，但TM1650四位數(shù)碼管模塊和語音識(shí)別模塊都使用了I2C通信方式，經(jīng)查閱資料后筆者發(fā)現(xiàn)，擴(kuò)展板上I2C接口的SDA、SCL引腳實(shí)際上是和A4、A5引腳連通的，所以將TM1650模塊的SDA和SCL引腳分別接入擴(kuò)展板的A4、A5引腳，將語音識(shí)別模塊的SCL、SDA引腳分別接入擴(kuò)展板的對(duì)應(yīng)SCL、SDA引腳，主控板依據(jù)它們的地址訪問這兩個(gè)模塊，互不干擾。由于Nano板上傳程序是通過串口與電腦通信的，而系統(tǒng)中MP3模塊也是通過串口通信，在上傳程序時(shí)會(huì)出現(xiàn)沖突。在上傳程序時(shí)，將MP3模塊的電源線暫時(shí)從擴(kuò)展板上拔下即可解決串口通信沖突的問題。3.造型設(shè)計(jì)●系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)基于ArduinoIDE軟件開發(fā)環(huán)境，使用C/C++編程語言。Arduino有豐富的庫文件以供開發(fā)使用，利用庫文件簡化了程序開發(fā)工作。整個(gè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)可以分為五個(gè)部分：初始化模塊、主循環(huán)loop函數(shù)、語音識(shí)別（ASR）功能模塊、其他功能函數(shù)和其他功能模塊程序。下面對(duì)軟件系統(tǒng)的各個(gè)子模塊分別加以闡述。1.初始化模塊初始化模塊主要完成系統(tǒng)的初始化工作。各種標(biāo)準(zhǔn)庫頭文件的引入、全局變量的定義、時(shí)鐘模塊等各種對(duì)象的實(shí)例化都是在此模塊中完成的。需要注意的是，系統(tǒng)時(shí)間的設(shè)置和詞條的錄入也是在本模塊中完成的。但系統(tǒng)時(shí)間的設(shè)置和詞條的錄入不必每次都去編譯，因此筆者這里使用了條件編譯#if指令，預(yù)處理器可以在編譯前處理c程序，這樣的處理不會(huì)在目標(biāo)代碼中占用空間，減少程序運(yùn)行時(shí)間。例如，要修改系統(tǒng)語音識(shí)別的關(guān)鍵字詞條，只需要將“#if0”修改成“#if1”，編譯時(shí)即可調(diào)用ASR對(duì)象的AddWords（）方法將新的詞條燒錄進(jìn)語音識(shí)別模塊。2.主循環(huán)loop函數(shù)主程序主要負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)序流程。流程大致分三個(gè)部分：①調(diào)用displayTime函數(shù)，更新數(shù)碼管，按“時(shí)：分”的模式顯示實(shí)時(shí)的時(shí)間信息;②調(diào)用isTime函數(shù)，判斷是否有倒計(jì)時(shí)時(shí)間到了，若時(shí)間到了則語音提示“時(shí)間到”;③監(jiān)聽語音，并根據(jù)語音識(shí)別的結(jié)果執(zhí)行相應(yīng)的處理。圖10為系統(tǒng)主程序流程圖。3.語音識(shí)別功能模塊幻爾科技提供了語音識(shí)別模塊的Arduino參考例程，筆者將其改造成了語音識(shí)別模塊頭文件和語音識(shí)別模塊函數(shù)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)子模塊，方便系統(tǒng)的使用。（1）語音識(shí)別模塊頭文件（ASR.h）語音識(shí)別模塊頭文件主要完成ASR類的聲明和宏定義，這里有語音識(shí)別模塊中需要的成員函數(shù)的聲明和各類地址、參數(shù)的宏定義。（2）語音識(shí)別模塊函數(shù)實(shí)現(xiàn)部分（ASR.CPP）本模塊單元的主要內(nèi)容是語音識(shí)別類（ASR）的成員函數(shù)的實(shí)現(xiàn)。增刪、修改語音識(shí)別關(guān)鍵字詞條的成員函數(shù)AddWords（）就在此模塊中，當(dāng)需要修改關(guān)鍵字詞條時(shí)，只需先在此模塊中增刪、修改AddWords（）中的詞條，然后將初始化模塊中的條件編譯“#if0”修改成“#if1”，編譯時(shí)即可將新的詞條錄入語音識(shí)別模塊中。在函數(shù)ASRAddWords（unsignedcharidNum，unsignedchar*words）中，idNum是詞條對(duì)應(yīng)的識(shí)別號(hào)，1～255隨意設(shè)置。當(dāng)識(shí)別到該號(hào)碼對(duì)應(yīng)的詞條語音時(shí)，模塊會(huì)將識(shí)別號(hào)存放到ASR_RESULT_ADDR處，等待主機(jī)讀取，讀取后清0，words為要識(shí)別漢字詞條的拼音，漢字之間用空格隔開。4.其他功能函數(shù)為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能，軟件系統(tǒng)中還設(shè)計(jì)了一些其他的功能函數(shù)：①我要寫作業(yè)函數(shù)（iWanttoWork）實(shí)現(xiàn)寫作業(yè)的整個(gè)交互流程;②displayTime函數(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管更新顯示實(shí)時(shí)時(shí)間功能;③倒計(jì)時(shí)函數(shù)（daoJiShi）和時(shí)間到了函數(shù)（isTime）實(shí)現(xiàn)設(shè)置倒計(jì)時(shí)時(shí)間和判斷倒計(jì)時(shí)時(shí)間是否到了的功能。下頁圖11為“iWanttoWork”功能函數(shù)的流程圖。5.其他功能模塊程序本系統(tǒng)中還使用了其他的功能模塊，諸如MP3音頻模塊、DS1302時(shí)鐘模塊、TM1650數(shù)碼管模塊。但由于在Arduino平臺(tái)上使用這些模塊很方便，相比語音識(shí)別模塊這些模塊的頭文件和范例程序在ArduinoIDE中很容易獲取和使用，在此就不一一闡述了。在ArduinoIDE上獲取所需模塊的庫文件的方法：項(xiàng)目→加載庫→管理庫，在彈出的“庫管理器”窗口中輸入關(guān)鍵詞即可搜索到所需的庫文件。本文主要對(duì)基于Arduino和語音識(shí)別（ASR）的專注力提升神器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了闡述。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作主要包括系統(tǒng)硬件平臺(tái)的搭建和軟件的實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過反復(fù)測試和修改，該系統(tǒng)在無噪或低噪環(huán)境下運(yùn)行良好，可以實(shí)現(xiàn)非特定人聲語音識(shí)別和交互，識(shí)別精度非常高，系統(tǒng)各項(xiàng)功能運(yùn)行正常，能實(shí)現(xiàn)陪伴孩子寫作業(yè)、提高孩子寫作業(yè)時(shí)的專注力、幫助孩子養(yǎng)成良好習(xí)慣的設(shè)定目標(biāo)。[1]ArduinoNano引腳分配圖及定義詳解DB/[EB/OL].https：///malcolm_110/article/details/95320094，2019-7-10.[2]深圳市幻爾科技有限公司.語音