软硬件集成原型在界面设计中的应用研究

陈强

中图分类号：TB472 文献标识码：A

文章编号：1003-0069（2021）08-0132-03

引言

在信息时代智能化趋势下，产品软硬件交互形式更加多样，界面与交互设计成为影响用户体验的重要因素，如何快速构建、高保真还原软硬件设计原型进行可用性测试，为设计迭代提供依据，帮助改善用户体验，是产品界面设计亟待解决的问题。本文通过归纳总结软硬件集成原型的特征及其对于界面开发设计的意义，介绍了一种基于设计师知识背景和专业能力，快速构建软硬件集成原型的一般方法和流程，并通过实际案例阐述如何进行可用性测试和迭代设计，以期帮助设计师理解软硬件关系、优化界面设计和用户体验。

一、产品的用户界面

在工业时代“产品”主要指实质有形的物品，而在信息时代的当下，“产品”则有了更多内涵，范围也更加广泛，范指以使用为目的物品和服务的综合体。以物联网为代表的信息通信和微电子技术的进步，促使产品逐步向着智能化方向发展。从人机交互界面角度观察，智能产品的软硬件交互界面趋于统一。如果将产品人机界面按其最终的呈现形式分类，可以大致分为三种类型：纯软件的操作界面、纯硬件的操作界面以及软件和硬件相结合的操作界面。传统硬件产品多采用纯硬件操作界面或者以硬件为主导的软件和硬件相结合的人机操作界面，而智能硬件产品则多采用纯软件操作界面或者以软件为主导的硬件和软件相结合的人机操作界面。

（一）界面设计趋势

技术和消费升级，带来产品的更新换代，让智能硬件产品逐步取代传统硬件产品，智能硬件产品的用户界面设计呈现出以软件为主导的软件和硬件相融合的趋势。

1.软件界面：在软件界面方面，智能硬件产品根据产品功能复杂度和体积结构大小配置不同的软件界面，小型智能硬件产品软件界面大多以信息的显示为主，配上基本功能按键，复杂功能的操作实现则借助移动终端的触摸屏幕远程控制。大型智能硬件产品则一般配置有纯触控式操作面板，并伴随配套的APP程序，以实现更加专业和精准的智能控制。

2.硬件界面：在硬件界面方面，智能硬件产品界面设计相较于传统硬件的变化，外观方面主要体现在实体按键的减少、甚至出现了部分产品为了外观的简洁与科技感，采用纯触摸式按键完全取代实体按键的设计，更激进的设计则不设置硬件功能按键，以各种传感器配合语音、手势、体感交互技术实现无接触式对硬件的控制。

（二）界面设计存在的问题

智能产品的界面设计蓬勃发展的同时，也暴露出一系列问题，亟待设计解决。

1.界面语义模糊、功能提示匮乏、伴随着新手用户功能固着的存在。简洁的产品外观造型和交互界面让用户无从下手。与智能硬件产品越来越复杂和多样化的功能相反的，是极简化的产品外观和界面设计，这就造成了用户很难通过界面外观解读产品功能操作，特别是从传统硬件产品过渡到智能硬件的新手用户群体，还存在着对于旧有产品的功能固着（Functional fixedness），功能固着是一种心理学上的认知偏见，它描述了对于一个工具功能使用的已有知识和经验置于新的使用情景下所带来的消极影响。在使用智能硬件时，传统硬件产品的使用思维所形成的功能固着伴随着新手用户初期使用阶段，根据心理学的研究成果，功能固着有以下特征：

（1）用户学习使用方式对功能固着的产生不构成影响。（2）即使功能固着对用户初次尝试使用产品时产生消极影响，但是在初次尝试失败后，功能固着将会消失，后续尝试中这种影响将不复存在。（3）说明书和视频功能指导并不能完全消除用户所存在的功能固着。（4）直观物理知识和运动技能的个体差异影响功能固着。

智能硬件产品的很多功能，由于界面交互设计的问题，导致不能很好地被用户发现、了解和使用，造成功能上的浪费，因为功能的冗余和信息架构的混乱，又带来了交互效率的低下。

2.软硬件设计分离，造成用户体验的碎片化与割裂感。目前的智能产品的人机交互可以通过产品本体和移动终端控制程序实现控制，通过两种或多种操控模式并存或接力实现任务操作，而由于软硬件开发上的彼此独立，造成软硬件设计不能很好统一，不仅增加了用户的学习成本，也带来了使用流程上的割裂感和体验的碎片化。

综上所述界面设计存在的问题，可以通过软硬件集成原型在产品开发阶段加以解决。

二、智能产品界面设计中软硬件集成原型的特征和意义

（一）智能产品界面设计中软硬件集成原型的意义

无论是产品造型结构还是界面交互设计开发，都涉及到原型的构建和评估，原型的作用在于幫助论证评估设计方案的正确性，为设计迭代提供依据，为产品定型提供参考。

智能产品界面设计不仅涉及软件层面交互原型设计，还涉及到硬件层面的控制面板造型与按键设计。单一的软件或者硬件原型不能够全面反映软硬件衔接过程中的问题，而通过创建界面物理原型将物理界面制作出来，从概念转变成实体，同高保真交互原型联动进行联动测试，构建软硬件集成原型，能够帮助设计师树立人机交互界面的整体观念、统一界面设计风格，提升人机界面交互体验的整体性。

（二）智能产品界面软硬件集成原型特征

1.功能模拟：智能产品界面软硬件集成原型主要特征是能够完整模拟产品和用户之间的交互行为。智能硬件产品不同于传统硬件，其交互形式更加多样，功能更加复杂，技术原理也更加抽象，通过构建界面的软硬件集成原型，能够实现智能硬件产品从界面外观造型结构到人机界面交互间产品界面完整形态的功能模拟。

2.软硬件联动：软硬件集成原型能够实现实体物理界面和软件交互原型的联动，通过3D打印快速成型技术，还可以实现物理实体界面的快速制造，进而能够测试物理按键的交互方式与界面信息反馈机制，合理配置功能按键布局并统一软硬件界面设计风格，还能够最大程度接近和模拟产品真实的交互过程，在界面开发阶段就能够检验和暴露界面设计和人机交互过程中的问题。

3.数据收集与测试评估：产品原型还承担着最初阶段用户测试和反馈意见收集的任务，软硬件集成原型能够模拟真实界面的工作方式，通过设计测试任务，完整还原用户任务操作过程，获取可靠的用户数据，帮助改进产品原型设计的同时，为原型迭代提供依据，最终实现产品界面用户体验的最优化。

三、智能产品界面软硬件集成原型构建流程和方法

（一）软硬件集成原型构建流程

卡耐基梅隆大学的Asim Smailagic基于跨领域设计流程的整合，提出了以用户为中心的跨领域并行系统设计方法，简称UICSM（a User-Centered Interdisciplinary Concurrent System Design Methodology），其目的是為了协同工业设计师、人机交互设计师、电气及机械工程设计师进行跨领域、跨流程的系统开发，并结合终端用户的测试评估进行产品的迭代设计与优化。利用UICSM软硬件设计流程整合方法可以帮助指导和构建软硬件集成原型。

根据UICSM的软硬件设计流程整合方法为指导，笔者将软硬件集成原型设计构建流程划分分为三个阶段（如图1）：

1.软硬件梳理阶段：通过软硬件关系的匹配将硬件设计中的功能结构（包括功能划分、技术参数、人机尺寸等）与软件设计中的信息构架（包括用户研究、行为逻辑、控件设定等）进行映射，在整合设计的基础上进行软硬件的功能选择与配置。

2.软硬件设计构建阶段：在软硬件功能配置基础上，进行软硬件设计风格匹配，以整合物理用户界面（Physical User Interface，缩写为PUI）的功能和造型、CMF（材质、色彩、工艺），及图形用户界面（Graphical User Interface，缩写为GUI）的交互方式、界面视觉。

3.可用性测试与评估阶段：按照形成性评估和总结性评估的流程，采用实体评估与虚拟测试相结合的方法，对硬件物理原型与软件交互原型进行测试评估，在此基础上进行设计的迭代和优化。

（二）软硬件集成原型构建方法

考虑到设计师的能力范围与工作的职能分配，原型旨在帮助优化界面设计，而非电气工程师那样直接用于产品开发，因此在软硬件原型构建方法上，选择了开源电子原型平台Arduino与无代码交互原型设计工具Protopie相结合的技术路线。

1.通过ProtoPie交互原型设计工具构建软件界面原型

ProtoPie具有无代码逻辑交互和软硬件联通的功能特点。

无代码：交互原型设计工具ProtoPie是一款无代码交互原型设计工具。它具有无代码、可快速制作高质量原型、操作原理简单、多触点手势、传感交互等方面的优势。

逻辑交互：自然界物体间的交互是由动作的对象，引起交互发生的触发动作，受触发动作影响而产生的反应动作，三者组成。ProtoPie的概念模型是基于将对象、触发动作、反应动作组合成浅显易懂交互的原理，以此可以替换复杂的编程机器语言，制作出一个个完整的交互原型，这一交互特点完全顺应了设计师和用户的思维模式，让设计师能够以用户视角梳理智能产品的交互逻辑。

软硬件联通：可以与硬件进行通讯，并实时测试，可在手机和网页端实时预览与分享。利用ProtoPie可调配陀螺仪、麦克风、罗盘等多种智能传感器的特点，支持多触点手势、麦克风等感应交互方式，并且可以调节交互演示速度，慢放原型中所有的交互动作，方便开发等人员查看细节。ProtoPie Player是和ProtoPie Studio配套使用的预览工具。通过在ProtoPie Studio上制作的原型可即时在安装了ProtoPie Player的iPhone、iPad等移动设备上进行测试，能够完全模拟智能产品的物联网远程控制机制。

2.通过Arduino物联网（IoT）开发套件构建物理硬件界面原型

Arduino是一款便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台。Arduino项目于2005年在意大利Ivrea开始，它的目标是创建一个设备，用来控制学生制作的交互式设计项目。Arduino致力于为各行各业的、可能从未拿起电烙铁、从未写过代码的人提供开发智能制作项目的机会。Arduino包含硬件（各种型号的Arduino板）和软件（Arduino IDE）。Arduino的硬件原理图、电路图、IDE软件及核心库文件都是开源的，在开源协议范围内里可以任意修改原始设计及相应代码。

Arduino具有开源、廉价、便捷、开放、跨平台等优势，非常适合设计师制作物理实体原型。作为物联网（IoT）开发的重要组成部分，设计师还可以根据界面的交互形式，配置传感器模拟人机界面的交互反馈机制。Arduino能够通过配置的传感器模块获取外界包括温度、光线、声音在内的环境变化，并通过设置的显示屏等人机界面、蜂鸣器等执行器，将信息呈现在交互界面中或以一定的交互形式直接反馈给用户。

四、智能洗衣机界面软硬件集成原型设计实践

在智能家居系统下，产品自身的软硬件共同构成大系统里的一个个小的功能，用户可以通过移动终端图形界面远程控制各个产品，也可以通过产品自身的物理界面直接操作，智能洗衣机就是智能家居产品的典型代表，下文以智能洗衣机界面软硬件集成原型构建为例，旨在模拟智能洗衣机软硬件交互的过程，包括实现面板物理按键的操控及屏显的信息反馈、移动终端设备远程控制等交互操作，以实践案例说明软硬件集成原型在界面设计中的应用。

根据智能产品界面软硬件集成原型构建方法和流程，案例分为三个阶段，下面分阶段概述任务过程：

（一）软硬件分析整合阶段

这一阶段是梳理软硬件的功能配置，需要根据产品的功能设定、机械尺寸要求，确定产品的软硬件分配、物理按键分布、屏幕位置和尺寸，相应的这些按键和屏幕布置和尺寸影响着软件的交互方式和信息架构。对物理操控按键的取舍，是软硬件整合阶段重要任务，需要结合用户研究数据做出判断，最终确定原型界面软硬件交互的功能分配。

在洗衣机界面设计案例中，通过分析洗衣机界面的硬件功能分配，将用户界面按功能分布划分为：洗剂盒区域、洗衣程序设置区域、洗衣程序显示区域、电源与启动按键区域。在设计实践中通过软硬件的分析，保留了传统洗衣机的拨轮式控制按键、基本的电源与启动停止按键，取消了洗衣程序显示界面中的各项功能按键，将之整合到移动端APP程序中。

（二）软硬件设计构建阶段

软硬件原型设计阶段主要包括原型设计和原型集成两部分。

软硬件界面原型设计可分为软件原型设计和硬件原型设计。

软件原型设计构建（如圖2）包括：使用ProtoPie Studio设计洗衣机控制面板的样式，按照界面功能的划分，运用模块化设计思维，为洗衣程序选择旋钮、洗衣程序显示界面、电源与启动按键配置多种色彩和样式方案，还设计了与之配套的移动端APP程序界面，为保持整体风格的统一性，采用了和机身界面相适应的交互操作和样式风格。

硬件原型设计构建（如图3）包括：1个面包板（用于组装）、2个按钮（用于模拟开始和暂停按键）、2个电阻（10kΩ：用于按钮）、1个旋钮模块（用于模拟旋钮选择操作）、1个电阻（1kΩ：用于旋钮）、USB电缆（B型到A型：用于将Arduino板连接到笔记本电脑）、USB适配器（类型A到类型C/micro：用于将Arduino板连接到移动设备）。按照右侧的面包板线路图，将按键和旋钮通过跳线与Arduino Uno板连接，并在计算机上通过Arduino IDE软件编写和调整按键和旋钮的控制代码，再通过USB电缆将Arduino开发板连接到计算机后，将按键和旋钮控制程序烧录到Arduino Uno板上。

软硬件原型集成（如图4）：通过USB电缆将安卓设备连接到Arduino，并在安卓设备上开启USB调试。打开ProtoPie Player加载Pie文件的软件原型。

连接线材包括一根标准的USB连接线和一根安卓设备的OTG连接线。软硬件连接方式主要通过用一根USB线连接安卓设备和Arduino，USB电缆的一端通过OTG电缆连接后，将另一端连接到Arduino上。安卓设备和Arduino通过usb串行通信进行通信，为了确保通信顺畅，须在安卓设备上启用开发者模式。接着在安卓设备上运行Bridge应用，然后在ProtoPie Player上运行原型。Arduino可以与安卓设备通信，按动Arduino上的物理按钮会在安卓设备上引起反应，同样点击安卓设备的触摸屏虚拟按键，Arduino设备上的传感器也会有相应反馈。

（三）可用性测试与评估

可用性测试和评估可分为形成性评估（Formative EvaIuations）和总结性评估（Summative EvaIuations）（如图5）。

形成性评估在产品开发早期进行，旨在发现产品思路，并为设计指明方向。一方面通过利用信息架构可视化进行用户可用性分析，梳理软硬件关系。另一方面将设计好的洗衣机界面原型方案导入ProtoPie交互原型设计工具中，通过和移动端APP程序进行虚拟测试，以检验产品功能逻辑和信息架构的匹配程度，也可以同时检视软硬件界面设计风格的统一性。

总结性评估在产品开发后期进行，可以通过眼动实验结合合意性测试来评估产品软硬件界面交互的用户体验满意度。通过眼动追踪可以了解人们在哪寻找信息和功能，借此测试和评估用户界面设计的可用性。在产品可用性要求基础之上，通过合意性测试可以评估产品原型能否让用户产生预期的情绪反应，以评判产品的美观性。在制作软硬件集成原型阶段，可以通过3D打印等快速成型技术，制作等比例的界面实体手板模型，并与电子硬件原型相结合，通过物理按键与界面的手板模型的组合，可以更加直观的测试物理按键的舒适度、与界面信息显示的交互反馈以及软硬件交互的用户体验。

在可用性测试验证产品的可用性、易用性和美观度的基础之上，对软硬件集成原型用于智能产品界面设计的策略进行总结完善，编制可行性的策略报告，帮助改进和梳理方法流程，还可以针对实际需求调整策略实施方案。

结论

随着物联网技术的普及，产品智能化趋势成为必然，智能产品的用户体验，尤其是人机交互界面必将成为产品竞争的重要焦点，界面的软硬件交互设计也需要与时俱进，运用更加智慧化手段来丰富设计的形式和内容、提高设计效率。本文介绍了运用Arduino电子原型平台和Protopie交互原型工具构建软硬件集成原型的一般流程和方法，并通过智能洗衣机界面设计的案例详细阐述了方法和流程的实践应用。该方法具有简便、快速、高效的特点，适合设计师学习和掌握，借助软硬件集成原型，希望能够帮助设计师更好的理解软硬件关系，协调软硬件功能分配、统一软硬件设计风格、从而提升人机交互效率。