項(xiàng)目研究的目的

“三通兩平臺(tái)”的建設(shè)及教育現(xiàn)代化、信息化的推進(jìn)，必將使傳統(tǒng)的課堂教學(xué)模式和教育方式產(chǎn)生根本性轉(zhuǎn)變。對(duì)于教育信息化進(jìn)程中產(chǎn)生的負(fù)面新問(wèn)題，目前社會(huì)各界尚未足夠重視，長(zhǎng)此以往將會(huì)導(dǎo)致教育質(zhì)量的嚴(yán)重下降，達(dá)不到教育信息化的目的和初衷，與“三通兩平臺(tái)”建設(shè)的精神背道而馳。

因此，為了使教育信息化能順利開(kāi)展并達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，真正地利用現(xiàn)代教育技術(shù)為教學(xué)服務(wù)，很有必要在信息化建設(shè)過(guò)程中增加各種教育行為監(jiān)測(cè)與預(yù)警機(jī)制，并及時(shí)采取如本項(xiàng)目研究成果那樣的改進(jìn)措施，保證我國(guó)教育發(fā)展和教育信息化建設(shè)的穩(wěn)步推進(jìn)和卓有成效，這也是本項(xiàng)目研究開(kāi)展的初衷與目的。

項(xiàng)目研究過(guò)程

項(xiàng)目總體目標(biāo)

本項(xiàng)目的總體目標(biāo)是設(shè)計(jì)一套軟硬件系統(tǒng)，使教師能方便地遠(yuǎn)程操作基于計(jì)算機(jī)的各種教學(xué)設(shè)備如電子白板、多媒體展示系統(tǒng)等。項(xiàng)目總體目標(biāo)包含如下幾個(gè)方面。

◇該系統(tǒng)硬件必須是無(wú)線通訊的可穿戴計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，體積足夠小，重量足夠輕，且不能占用教師的雙手，以便教師能方便地板書(shū)和握持各種教具。

◇該系統(tǒng)軟件必須基于Windows系列操作系統(tǒng)，以便能與各種常見(jiàn)電子白板和多媒體展示系統(tǒng)兼容，同時(shí)軟件能針對(duì)課堂教學(xué)作相應(yīng)優(yōu)化，方便師生開(kāi)展各種教學(xué)活動(dòng)。

◇該系統(tǒng)還需要實(shí)現(xiàn)空中無(wú)線鼠標(biāo)的所有功能，以便于師生能更靈活地操控計(jì)算機(jī)。

設(shè)計(jì)思路與解決方案

本項(xiàng)目的總體架構(gòu)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1。

元器件的選用

◇加速度傳感器芯片的選型。由于項(xiàng)目硬件設(shè)備需要盡量精確地檢測(cè)用戶手部的姿態(tài)，因此僅使用直線加速度傳感器檢測(cè)設(shè)備線速度不能滿足項(xiàng)目要求，還需要添加角速度檢測(cè)的電子陀螺儀傳感器，為了能縮小設(shè)備體積和減輕重量，傳感器選型為MPU 6050芯片。

◇藍(lán)牙通訊模塊的選型。由于可穿戴式系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)之間的通訊速率不是很高，因此采用TTL串行接口的藍(lán)牙通訊模塊承擔(dān)主控MCU和計(jì)算機(jī)之間的通訊，以便降低對(duì)射頻電路與生產(chǎn)加工工藝的要求。目前本項(xiàng)目采用了廣州匯承信息科技有限公司生產(chǎn)的HC OX系列藍(lán)牙通訊模塊。

◇MCU芯片的選型。本項(xiàng)目采用了美國(guó)atmel公司的AVR系列8位微控制器ATmega48PA作為主控芯片，承擔(dān)了采集、處理傳感器數(shù)據(jù)和與藍(lán)牙模塊通訊等工作。

手部姿態(tài)數(shù)據(jù)的解算與分析算法原理

本項(xiàng)目最核心的、也是最難實(shí)現(xiàn)、研究耗時(shí)最長(zhǎng)的算法就是將計(jì)算機(jī)采集到的歐拉角數(shù)據(jù)流進(jìn)行分析計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶手部運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的檢測(cè)，進(jìn)而由應(yīng)用程序控制計(jì)算機(jī)做出用戶想實(shí)現(xiàn)的操作。因用戶的手部運(yùn)動(dòng)姿態(tài)是一個(gè)模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的過(guò)程，且同一個(gè)人的每次運(yùn)動(dòng)姿態(tài)與路徑會(huì)存在一定的差異，因此該部分算法涉及數(shù)據(jù)處理的模糊識(shí)別，又需要算法具備一定的準(zhǔn)確度和魯棒性。這部分算法曾經(jīng)困擾了本人很久，最后終于研究出了一種分段式曲線擬合算法，其基本原理如下。

◇將從用戶手指上的姿態(tài)檢測(cè)設(shè)備傳送過(guò)來(lái)的歐拉角數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)內(nèi)存中，以3組一維數(shù)組的形式保存，數(shù)組下標(biāo)大小代表數(shù)據(jù)到來(lái)的先后。

◇將每個(gè)一維數(shù)組的數(shù)據(jù)按照需要平均分成若干個(gè)等距采樣點(diǎn)，計(jì)算每個(gè)采樣點(diǎn)之間的直線斜率，得到一個(gè)斜率數(shù)據(jù)集，將該數(shù)據(jù)集中的每一個(gè)數(shù)據(jù)與待比較曲線經(jīng)同樣算法計(jì)算生成的上一個(gè)斜率數(shù)據(jù)集中的每一個(gè)數(shù)據(jù)分別進(jìn)行比較，2個(gè)數(shù)據(jù)集中的相同單元數(shù)據(jù)偏差在一定的范圍內(nèi)，即可認(rèn)為該部分曲線是同等的，否則視為不同。

在擬合算法中，通過(guò)多次對(duì)調(diào)整擬合過(guò)程，即可找到參數(shù)最佳值。

計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序的關(guān)鍵算法實(shí)現(xiàn)

計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序除了根據(jù)上述算法解析出用戶意圖，第二個(gè)重要工作就是判斷出計(jì)算機(jī)當(dāng)前窗口狀態(tài)，通過(guò)Windows系統(tǒng)消息機(jī)制指揮計(jì)算機(jī)做出相應(yīng)的動(dòng)作。以下以用戶水平向右揮手這一動(dòng)作為例，說(shuō)明計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序的關(guān)鍵算法。

用戶水平向右揮手這一動(dòng)作，在不同的軟件窗口，代表不同的意義。如在PowerPoint中，這一動(dòng)作代表向下翻頁(yè)，對(duì)應(yīng)鍵盤(pán)的PageDown按下，因此應(yīng)用程序通過(guò)判斷當(dāng)前活動(dòng)窗口的標(biāo)題識(shí)別用戶是否在使用PowerPoint。當(dāng)前窗口判斷完畢，應(yīng)用程序通過(guò)Keybdevent（）函數(shù)發(fā)送Windows系統(tǒng)按鍵消息，實(shí)現(xiàn)模擬用戶按下鍵盤(pán)的操作，進(jìn)而觸發(fā)PowerPoint的向下翻頁(yè)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)PPT演示文稿的翻頁(yè)。其他的系統(tǒng)消息如鼠標(biāo)移動(dòng)、按下左鍵、打開(kāi)應(yīng)用程序等操作，實(shí)現(xiàn)方式均與上述過(guò)程相似。

最終產(chǎn)品外形見(jiàn)圖2。

項(xiàng)目的創(chuàng)新性

基于分段式斜率計(jì)算的運(yùn)動(dòng)軌跡判斷模糊算法

在研究運(yùn)動(dòng)軌跡三維曲線擬合的算法中，研究出了一種可通過(guò)2個(gè)關(guān)鍵參數(shù)靈活調(diào)整曲線形態(tài)的識(shí)別特性，并能方便地通過(guò)程序調(diào)整的算法。

加速度傳感器在教學(xué)互動(dòng)設(shè)備上的應(yīng)用

本項(xiàng)目基于作者對(duì)日常教學(xué)過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題的研究，是以加速度傳感器為核心的可穿戴式系統(tǒng)。目前加速度傳感器多數(shù)是作為飛航控制和游戲體感外設(shè)使用，經(jīng)大面積市場(chǎng)調(diào)查和專利檢索，尚未出現(xiàn)與本研究項(xiàng)目相似的教學(xué)設(shè)備研制的文獻(xiàn)或投入市場(chǎng)應(yīng)用的產(chǎn)品。

指套式可穿戴計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本項(xiàng)目的主要硬件設(shè)備是一個(gè)微型可穿戴計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，本項(xiàng)目的應(yīng)用程序是一個(gè)供師生開(kāi)展課堂教學(xué)活動(dòng)的管理平臺(tái)，具備很多針對(duì)課堂教學(xué)優(yōu)化的設(shè)計(jì)，經(jīng)檢索國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局的相關(guān)的軟件知識(shí)產(chǎn)權(quán)公開(kāi)文檔，尚未發(fā)現(xiàn)與本項(xiàng)目相同的軟件產(chǎn)品。