公共互动装置原型设计中开源硬件平台应用研究

谢文婷 徐聪

摘   要：文章为基于Arduino开源平台的公共互动装置原型设计，提出系统化流程及应用方法指导。简要介绍公共互动装置原型设计的基本概念与实现流程现状，通过优缺点对比，论证Arduino应用于公共空间互动装置原型设计的必要性，总结基于Arduino平台的公共互动装置原型设计一般应用流程。采用Arduino开源平台结合Krobot图形化软件编程工具进行应用实践，验证流程可行性与详细阐述流程应用方法细节。Arduino开源平台应用流程有助于初学者快速、有效地自主搭建体验式的公共互动装置原型，具有实践学习指导意义。

关键词：Arduino;公共空间;互动装置;原型设计

公共互动装置作为移动智能时代的产物，将为城市环境营造与公众精神生活丰富带来巨大的创新改变。在公共互动装置设计过程中，由于其交互的复杂性，设计师往往需要通过可感知互动的原型设计来验证交互构想。传统的原型设计根据其呈现的物理状态可分为静态原型，如纸面草图、二维效果图、三维建模图等。动态原型，如可交互软件原型、动画仿真、纸板实物模型等[1]，主要用于设计师对概念、造型、配色等方面的合理性、可行性进行探讨，无法获得使用者与装置交互过程中有价值的反馈。因此，如何在互动装置艺术设计过程中快速构建可交互的原型成为亟待解决的问题。本文通过分析传统公共互动装置原型的设计流程，提出将近年新兴的快速原型构建工具Arduino融入公共互动装置艺术原型设计过程中，以交互原型设计具体流程与设计实践为基础，阐述如何运用Arduino平台快速构建可互动体验的城市公共互动装置艺术原型。

1    公共互动装置艺术原型设计流程现状分析

公共互动装置艺术是指在公共空间中存在的一种利用高新技术手段完成的可供人们与之实时交互的艺术表现形式，是数字化城市的产物[2]。从公共互动装置设计项目全局角度出发，其流程分为产品计划、产品创意、原型设计、严谨开发4个主要步骤（见图1）。一个成功的创新设计不但需要具备巧妙的创意，而且还需制定周密、详尽且不乏弹性的计划，并将其付诸实践，持之以恒地执行[3]。产品计划阶段是整个流程的顶层设计，在明确任务之后针对场景与场景中涉及的公众进行需求分析。产品创意是在将研究所得需求转化为可交互实体的形式或虚拟与实体结合的形式呈现，在原型设计阶段旨在通过硬件设计与编程等方式将互动装置粗略呈现，并对其进行可用性测试。严谨开发阶段则是对装置进行最终研发实现。其中，原型设计被视为整个设计流程中最核心的步骤，可在功能、感官以及技术实现测试中进行多次快速迭代，验证其合理性。

目前常见的公共互动装置项目中原型设计主要由跨学科团队之间高度合作完成，自动化、機械学科背景人员负责硬件部分设计，计算机背景人员负责软件编程部分。系统化的软硬件研发流程可保证其最终呈现的效果，但也有一些缺点。

1.1  周期长

原型研发过程将软硬件细化分工，需要专业团队对各自任务进行研发，过程中协同合作不足将导致在整合调试过程中遇到较多问题，方案的修改也将大大增加项目周期。

1.2  迭代少

由于软硬件研发的专业性，设计师参与度不深导致项目在原型阶段迭代机会大大降低。

1.3  方案修改难度大

在验证过程中发现的问题大多是碎片化形式，很难一次性将问题总结并反馈给研发人员，同时软硬件研发归属不同人员完成，人员之间缺乏沟通或沟通不及时都使方案修改难度增大。可见，选择合适、高效的原型构建方法对于获得快速、低成本、高质量的交互装置具有较强推动作用。

2    Arduino开源平台应用于公共互动装置原型设计的一般流程

Arduino是一款专门针对创客、设计师、电子爱好者的开源电子硬件设计平台，由硬件—各种型号的Arduino Board，和软件—Arduino IDE组成，是一个开放源代码的单芯片微电脑，编程语言是建立在C或C++语言基础上[4]。

Arduino是为非专业人士实现创意、设想而创造的一款可便捷设计的智能控制器，但这里所指的创意实现与最终完成的专业级产品有所区别。在公共互动类装置设计中，学习门槛低、使用便捷的Arduino主要帮助设计师完成产品实体模型化与量产之前的功能与体验的可用性测试，验证产品的行为逻辑合理性以评估产品可用性。同时，Arduino模块化的特点可以让设计人员在进行原型设计的过程中尝试不同的组合方式，有利于创造新的可能。

基于Arduino开源平台的互动装置艺术原型设计流程如图1所示，主要分为以下几个过程。

（1）Arduino硬件核心板与扩展板选型，Arduino开源平台提供了多种功能的核心与扩展板，设计人员可根据产品功能需求、体积限制、外设数量等因素选择所需的控制板与扩展外设。

（2）外设器件选型，设计人员根据交互需求，选择合适的输入输出外设器件，如不同类型的传感器或驱动器件。由于Arduino外设接口统一，可便捷地将元器件与核心、扩展板连接。

（3）软件部分编程，通过Arduino软件开发平台，初学者可运用Kenrobot等图形化编程软件，用类似搭积木的方式便捷完成软件程序编写，上传至开发板完成原型搭建。

（4）软硬件测试与快速迭代，设计人员可利用搭建的原型系统测试设计方案与系统可用性。由于Arduino模块接口统一与编程容易，设计人员通过不停快速迭代整个设计流程，得出最合理的方案。

3    原型设计实践

3.1  项目计划阶段

原型设计实践项目是一个为某商业综合体设计的以传统文化为主题的公共互动交互装置。在强调以用户为中心的时代，合理设计方案的产生是建立在对用户需求地深刻了解基础之上。项目设计团队首先对公共空间互动装置使用人群进行准确定位，通过年龄、职业收入、兴趣爱好、认知水平、行为习惯、知觉特征等内容分析得出需求趋势、动机，在显性需求的基础上挖掘深层需求。通过需求分析发现用户倾向于以趣味化的方式了解传统文化，因此项目可通过装置交互产生人与人直接的交互行为，以寓教于乐的方式和儿童、成年人都能参与的形式，增加五感体验，促进对传统文化的理解[5]。同时，设计团队对商城场地提供者的需求也进行分析。商场期望通过该项目吸引人们参与、拍照，增加人流量，促进商场宣传，提高商场知名度，同时提升商场形象。

3.2  产品创意阶段

对用户调研得出的需求进行深入分析，将需求进行功能转化，经过场景描述、头脑风暴、故事版等一系列设计方法得出基于传统文化的公共空间互动装置设计构思。（1）形态元素，设计实践最终以四大名著之一的《西游记》为故事背景展开，结合传统文化中皮影与鼓的表现形式进行。（2）交互形式，采用五感体验中的听觉、触觉、视觉3大感觉媒介，以《西游记》电视剧相关音乐的吸引人群。鼓作为中国传统打击乐以敲打的形式发出声音，配合节奏明快的《西游记》的主题音乐用户很容易找到鼓点跟随音乐合奏，如果精通乐理的用户可以发现5个鼓有不同的音阶，通过敲击可以完成一些简单的乐曲。同时，鼓中的皮影采用《西游记》电视剧5大主角的形象呈现，随着用户的敲击皮影回透过动物材质制成的半透明鼓膜中显现，并由舵机的带动进行简单的肢体舞动，整个体验生动有趣。（3）使用场景，装置以立式的方式放置于商场室外公共空间或室内商场公共空间中，在开阔公共空间中可供多人玩乐（见图2）。

3.3  原型设计阶段

该装置原型主要运用Arduino和Kenrobot的相关技术完成。鼓内互动行为的交互逻辑：拍打鼓面→声音传感器→点亮LED灯光→舵机运转→停止拍打→灯光熄灭→舵机复位。硬件与软件一共分为5组鼓，互不干扰、互不联系。在技术实现阶段首先根据交互逻辑进行一组的实验，成功后再以同样的方式完成后4组的制作[6]。以下为该项目具体操作流程。

（1）挑选合适的Arduino板与扩展板。该项目选用DFRduino UNO R3开发板搭配ATmega16U2，完全兼容Arduino UNO R3且功能更强大。

（2）选择元器件。根据交互逻辑选择相对应的声音传感器、LED灯、舵机模块。声音传感器为输入模块，属于模拟量（A）应连接红蓝黑模拟量专用杜邦线插入开发板中对应模拟端口（A0～A5）。LED灯、舵机模块为输出模块，属于数字量（D）应连接红绿黑数字量专用杜邦线插入开发板对应数字量端口（0～13），具体如图3所示。

（3）软件部分编程，选用支持Arduino在线版图形化编程软件KenRobot进行程序编写，具体如图4所示。soundSensor_0代表声音传感器，led_0代表LED灯模块，servo_0代表舵机模块。根据交互逻辑选择if表达式语句，如果声音传感器接收到的声音值大于或等于某个数值，那么执行其后的语句。由于用户靠近装置时已触发红外传感器执行音乐任务，因此，为更精准识别击鼓的声音在此将声音传感器接收到的阈值增大，经过调试发现将放置在鼓内的声音传感器的识别阈值设置为200及以上为最佳[8]。接下来，将编写灯光点亮与舵机运转的程序，其逻辑为当声音传感器接收到200以上值时将点亮LED模块，随后，舵机将带动人物皮影关节进行两个循环的0～90°的扭转，其中，每个动作间隔500 ms模拟皮影的活动，在两个循环后舵机复位灯光熄灭，结束一个拍打输入后的整个设备输出过程（见图4）。

（4）软硬件调试：第3阶段是对设计实践中第一部分拍打输入灯光与舵机扭转输出的探索，主要在研究如何让软硬件相连通并在正确的编程逻辑下让设备呈现想要的结果。当第一阶段的设置正确后依照此方法进行另外4个鼓的交互程序设计，5个鼓输入与输出在一个Arduino UNO开发板上完成，完成的原型如图5所示。

3.4  原型可用性测试

可用性测试可在最短的时间内通过制定任务观察用户使用行为、操作过程，从中发现设计存在的问题，以便后期的修改。对基于Arduino开源硬件的公共空间互动装置原型设计进行可用性测试不仅可以评估装置是否实现基本功能，装置的互动形式是否满足用户的深层需求，装置的交互方式是否用户的使用习惯相符，以及其存在的形式是否与周围环境相符[9]。从最终的可用性测试结果来看产品原型满足最初所想的功能，Arduino基本解决输入与输出的交互行为，但其精确度和灵敏度还有待提升。此次的装置原型设计为日后的真实装置制作奠定了坚实的基础。

4    结语

在互联网与传感器技术不断发展與成熟的趋势下，公共空间艺术不断智能化、互动化、趣味化已成为未来几年的必然发展方向。公共空间互动装置作为艺术与技术的结合产物，其原型设计在整个设计流程中显得尤为重要[10]。而如何将更接近构想的互动行为呈现出来是设计师在交互装置设计过程中遇到的最大问题。基于Arduino开源硬件的技术途径可以帮助设计师更好地完成其最终作品，同时，在原型调试过程中迸发出新的创意灵感，在设计质量得到保证的同时大大提升效率。

基金项目：教育部人文社会科学研究西部和边疆地区项目;项目编号：15XJC760004。重庆市教委高校人文社会科学研究项目;项目编号：16SKGH052。重庆邮电大学社会科学基金重点项目;项目编号：2017-06。重庆邮电大学社会科学基金重点项目;项目编号：2017KZD04。重庆市教委科学技术研究项目;项目编号：KJ120512。

作者简介：谢文婷（1989— ），女，湖南怀化人，讲师，硕士;研究方向：工业设计与产品创意。

*通信作者：徐聪（1979— ），男，重庆人，副教授，硕士;研究方向：工业设计，交互设计。

[参考文献]

[1]缪璐璐.基于Arduino平台开发交互式产品原型的研究[D].上海：上海交通大学，2013.

[2]VASSILIS KOSTAKOS，TIMO OJALA.Public displays invade urban spaces[J].IEEE Pervasive Computing，2013（1）：8-13.

[3]ANNEMIEK VAN BOEIJEN，JAAP DAALHUIZEN.设计方法与策略[M].武汉：华中科技大学出版社，2014.

[4]蔡睿妍.Arduino的原理及應用[J].电子设计工程，2012（16）：155-156.

[5]马骏，张新宇.浅析当代城市广场公共艺术与媒体艺术跨界设计[J].装饰，2012（3）：139-140.

[6]付久强.基于Arduino平台的智能硬件设计研究[J].包装工程，2015（5）：76-79.

[7]COOPER A，REIMANN R，CRONIN D.About face 3交互设计精髓[M].刘松涛，译.北京：电子工业出版社，2008.

[8]杨楠，李世国.物联网环境下的智能产品原型设计研究[J].包装工程，2014（6）：55-58.

[9]WIGDOR.自然用户界面设计[M].北京：人民邮电出版社，2012.

[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