摘要：

介紹了現(xiàn)有市場中兒童交互玩具的發(fā)展現(xiàn)狀，綜述了嵌入式系統(tǒng)的相關(guān)概念及其特點。通過助行玩具設(shè)計實踐，重點研究了嵌入式技術(shù)在兒童交互玩具開發(fā)過程中的應(yīng)用，提出了基于嵌入式系統(tǒng)的兒童交互玩具的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：

兒童 交互玩具 嵌入式技術(shù) 助行玩具

中國分類號：TB47

文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069（ 2015） 02-0023-03

我國是世界最大的玩具生產(chǎn)制造國，玩具產(chǎn)量占世界的三分之一，而加工貿(mào)易出口比重在80%左右。玩具產(chǎn)業(yè)要迅速發(fā)展進步，高新科技的介入是不可逆轉(zhuǎn)的趨勢，以交互體驗功能為主導(dǎo)的嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的兒童玩具產(chǎn)品正逐步成為新時代的市場潮流，高科技、高智能化、仿生技術(shù)、電腦技術(shù)、語音識別技術(shù)、微型機械技術(shù)、電子技術(shù)等不斷滲透到玩具設(shè)計開發(fā)中，現(xiàn)代兒童玩具在產(chǎn)品交互體驗性大環(huán)境趨勢下體現(xiàn)出更多的交互功能。

為滿足兒童生活的真實需求，包括生活情趣、新的生活體驗、情感互動等，倡導(dǎo)體驗式產(chǎn)品交互模式，通過嵌入式技術(shù)的運用，實現(xiàn)兒童交互玩具的互動功能，提升交互玩具的可用性，讓玩具不再以簡單和靜態(tài)的形式出現(xiàn)，而是嵌入式技術(shù)所賦予的動態(tài)和活潑的體驗形式，從而給兒童交互玩具創(chuàng)新功能的實現(xiàn)帶來可能。

一 市場現(xiàn)有交互類兒童玩具分析

兒童交互玩具的開發(fā)已然經(jīng)成為世界各國玩具開發(fā)的熱點，許多國家致力于兒童身心行為的研究及交互技術(shù)的創(chuàng)新研發(fā)，并已經(jīng)在兒童交互玩具的技術(shù)方面取得了獨特成果。

英國蘇塞克斯大學(xué)的計算機學(xué)院對交互玩具的技術(shù)開發(fā)與使用模式做了一定程度的研究，通過內(nèi)置傳感器，使兒童在與玩具的互動中得到反饋，此外，玩具可作為中介，將計算機的輸出反饋通過玩具表現(xiàn)出來，增加互動式的學(xué)習體驗。美國在交互玩具研究方面領(lǐng)先于其他各國，憑借其豐富的研究經(jīng)驗，在高精度的傳感器研究方面取得了重要的研究成果。樂高公司的兒童智能機器人是通過游戲性的活動來鼓勵兒童動手、動腦創(chuàng)作，激發(fā)兒童的興趣，引導(dǎo)兒童思考。日本在研究交互玩具方面也具有其獨創(chuàng)性，善于通過高靈敏度的傳感器得到玩具更多的情緒反饋，例如富士通研發(fā)的慰藉小熊本身裝有攝像頭，可進行人臉識別，而內(nèi)置的接觸傳感器使其具有觸摸感應(yīng)功能，觸摸玩具不同部位可以得到不同的情緒反饋。法國在研究交互玩具方面有創(chuàng)新性的科技展示，如Aldebaran公司的NAO機器人通過慣性導(dǎo)航儀裝置，可以在移動模式下保持平穩(wěn)，還可以靠紅外傳感器探測并避開障礙物，通過其他傳感器等嵌入式系統(tǒng)可與人進行更多的互動。

相比國外形勢，國內(nèi)的兒童交互玩具在創(chuàng)新和技術(shù)方面還存在一定的差距。近幾年，國內(nèi)相關(guān)研究機構(gòu)及玩具公司也逐漸把科技含量高、情趣化的兒童交互玩具作為研究、開發(fā)重點。如皮皮熊，在國內(nèi)兒童交互玩具市場上具有一定的引導(dǎo)性，在玩具的互動功能開發(fā)方面具有一定的創(chuàng)新性。皮皮熊不僅具有娛樂、教育、錄音等語音功能，還首創(chuàng)了玩具的體位變化感應(yīng)功能。

此外，“聽說小博士”是國內(nèi)較為專業(yè)的兒童早教交互玩具品牌，對于不同年齡階段的兒童來開發(fā)不同系列的聽說早教玩具，結(jié)合權(quán)威聽說早教課程，配合音頻和網(wǎng)絡(luò)來培養(yǎng)兒童的語言表達能力。

兒童交互玩具的設(shè)計應(yīng)由低層次娛樂向高層次情感交互拓展。利用嵌入式技術(shù)促進兒童玩具交互功能的創(chuàng)新，為兒童提供更有趣的交互體驗，增強兒童產(chǎn)品的交互操作性，促進兒童交互玩具的智能化發(fā)展。同時促進玩具業(yè)的發(fā)展和競爭，提高核心創(chuàng)造能力，使嵌入式兒童交互玩具走品牌化、精品化道路，實現(xiàn)兒童玩具產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟的穩(wěn)定增長。

二 嵌入式技術(shù)概述

嵌入式系統(tǒng)以應(yīng)用為中心，以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，軟、硬件可裁剪，適用于應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗等方面有嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。從系統(tǒng)的角度定義：嵌入式系統(tǒng)是設(shè)計完成復(fù)雜功能的硬件和軟件，并使其緊密耦合在一起的計算機系統(tǒng)。它一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式軟件操作系統(tǒng)以及用戶的應(yīng)用程序4大部分組成，用于實現(xiàn)對其他外部設(shè)備控制以及網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交換等功能。

嵌入式系統(tǒng)主要具有以下特點：

（1）可裁剪性。支持開放性和可伸縮性的體系結(jié)構(gòu)。

（2）強實時性。EOS實時性一般較強，可用于各種設(shè)備控制中。

（3）統(tǒng)一的接口。提供設(shè)備統(tǒng)一的驅(qū)動接口。

（4）操作方便、簡單、提供友好的圖形GUI和圖形界面，追求易學(xué)易用。

提供強大的網(wǎng)絡(luò)功能，支持TCP/IP協(xié)議及其他協(xié)議，提供TCP/UDP/IP/PPP協(xié)議支持及統(tǒng)一的MAC訪問層接口，為各種移動計算設(shè)備預(yù)留接口。

（5）強穩(wěn)定性，弱交互性。嵌入式系統(tǒng)一旦開始運行就不需要用戶過多的干預(yù)、這就要負責系統(tǒng)管理的EOS具有較強的穩(wěn)定性。嵌入式操作系統(tǒng)的用戶接口一般不提供操作命令，它通過系統(tǒng)的調(diào)用命令向用戶程序提供服務(wù)。

（6）固化代碼。在嵌入式系統(tǒng)中，嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件被固化在嵌入式系統(tǒng)計算機的ROM中。

（7）更好的硬件適應(yīng)性，也就是良好的移植性。

（8）嵌入式系統(tǒng)和具體應(yīng)用有機地結(jié)合在一起，它的升級換代也是和具體產(chǎn)品同步進行，因此嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品一旦進入市場就具有較長的生命周期。

三 兒童交互助行玩具設(shè)計實踐

3.1 設(shè)計策略

兒童在幼兒時期的主導(dǎo)活動是玩。玩也是孩子的天性，促進兒童行為、認知、社交的發(fā)展，是促進兒童的身心發(fā)展的最好形式。兒童通過玩，開展早期的探索、學(xué)習、創(chuàng)造、娛樂、社交活動，從而促進發(fā)育，積累經(jīng)驗，建立自信；也幫助兒童學(xué)習控制自己的行為，學(xué)會與他人的互動。基于上述分析，兒童交互玩具的設(shè)計需通過內(nèi)置的傳感器技術(shù)增加玩具與兒童的交互效果，鼓勵兒童與玩具間的互動，促進想象力的激發(fā)，讓兒童通過玩具自行創(chuàng)造有故事的場景，達到人、空間、環(huán)境豐富的交互效果。

不同年齡的兒童身心發(fā)展狀況不同，以致對玩具的需求也不盡相同。

1至3歲：這個時期的兒童除了能隨心所欲地坐，站之外，還能簡單步行，對外在世界的探索更熱切，對于動感的玩具，尤為喜歡。

3至4歲：兒童的身體機能逐步發(fā)育完善，手、眼，腦的協(xié)調(diào)更趨成熟，求知欲增強，喜歡多樣化、激發(fā)思維、提高感知的玩具。

4到5歲：兒童可實現(xiàn)多樣化的行為動作，語言能力發(fā)展迅速，開始模仿成人活動，邏輯思維增強，情感表達開始豐富化，適合玩情感體驗性、協(xié)調(diào)合作式的玩具。

5到6歲：兒童的動作行為已較為準確，自控能力增強，語言表達能力較為成熟，情感需求強烈，情緒表達逐漸豐富，喜歡挑戰(zhàn)性的游戲，喜歡具有挑戰(zhàn)性、啟發(fā)性、情感性的玩具。

由此可見，不同年齡的兒童對玩具有不同的體驗性需求，需要將不同形式的體驗交互行為納入不同年齡層次的兒童玩具產(chǎn)品的研發(fā)。此外，在設(shè)計時要重點考慮兒童需求，呈現(xiàn)令兒童滿意的操作體驗、視覺效果。從玩具的體驗性、生活性、情感性、游戲性、教育性和科技性等方面進行設(shè)計探索，在設(shè)計過程中要注意以下幾點：

（1）簡單操作，對于功能同質(zhì)化趨于嚴重的大環(huán)境下，操作的繁簡程度成為應(yīng)用有效的競爭點。通過對符合兒童操作習慣的控件布局，適當?shù)貎和龑?dǎo)，為兒童提供簡單、便于操作的使用方式。

（2）愉悅體驗，兒童交互玩具設(shè)計除了滿足兒童在功能上需求以外，還要滿足兒童在使用過程中情感上的需求。要充分考慮兒童的情感體驗，在情感上與兒童產(chǎn)生共鳴，這樣才能使兒童激發(fā)出長期使用的沖動。

（3）以兒童為中心，設(shè)計過程中要注重兒童的使用感受。切實關(guān)注兒童需求、認知、心理活動、使用感受。

3.2 設(shè)計目的與要求

根據(jù)1-3歲兒童的成長特點分析，設(shè)計一款兒童互動類助行玩具，兒童在學(xué)步的同時也能體會交互當中的樂趣。玩具通過內(nèi)置加速度傳感器和外部控制設(shè)備進行互動，控制設(shè)備安裝在兒童的腿腕部，兒童只要進行一定頻率的上下走動動作，玩具也會跟著走動，兒童走動頻率越高，玩具的速度也就越快。當兒童靜止不動時，玩具也會靜止不動。

交互玩具技術(shù)開發(fā)要求：兒童動作頻率通過加速度傳感器獲取，無線傳輸至所控制玩具；無線接收裝置控制范圍為5米；無線傳輸與接收方式為1對1，多個玩具一起交互時不會產(chǎn)生干涉：玩具根據(jù)兒童動作頻率控制運動快慢，實現(xiàn)人機交互目的。

3.3 嵌入式技術(shù)在兒童助行玩具開發(fā)過程中的應(yīng)用

助行玩具硬件部分由發(fā)射和接收兩個模塊組成，系統(tǒng)總體框架圖如下：

3.3.1 發(fā)射模塊

通過計步器模塊檢測出行走的信號，發(fā)給STC單片機。單片機再進行信號處理，通過PT2262芯片編碼，再通過315M頻率發(fā)送出去。

發(fā)射模塊硬件設(shè)計框圖如圖3.2所示：

3.3.2 接收模塊

315MHz無線接收模塊收到信號后，通過PT2272進行解碼，單片機收到解碼的信號后，控制LED指示燈和電機工作，進而控制玩具行走。

接收模塊硬件設(shè)計框圖如圖3.5所示：

四 嵌入式技術(shù)在兒童交互玩具應(yīng)用中的發(fā)展趨勢

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的日益成熟，支持網(wǎng)絡(luò)功能的嵌入式產(chǎn)品將得到越來越廣泛的應(yīng)用，這不僅將成為嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的一個熱點，也將是兒童交互玩具發(fā)展的一個研究熱點，基于嵌入式系統(tǒng)的兒童交互玩具未來的研究有以下幾點趨勢：

（1）高集成度、低功耗、小型化。隨著嵌入式系統(tǒng)的微型化、智能化，兒童交互玩具將朝著高智能化、可視化、高集成度、小型化方向發(fā)展；

（2）提供方便、快捷的人機界面。嵌入式系統(tǒng)被廣泛使用，主要原因是它的多媒體人機界面的方便、快捷，這將使兒童交互玩具的操作更加方便快捷、人性化；

（3）遠程控制必成為趨勢。

五 結(jié)語

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，各種各樣的微處理器相繼涌現(xiàn)，而性價比卻越來越高，這為嵌入式技術(shù)的發(fā)展提供了良好的前提條件。另一方面，隨著人們認識的發(fā)展和技術(shù)水平的不斷提高，玩具的式樣、品種也不斷改進創(chuàng)新，人們對于嵌入式玩具的質(zhì)量要求也越來越高。從而將迎來嵌入式系統(tǒng)面向系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、普適化、低成本、低功耗、高性能、高可用等技術(shù)的發(fā)展。更加具有科學(xué)性、教育性、趣味性，基于嵌入式技術(shù)開發(fā)而設(shè)計的玩具也將越來越多。