駱文棟，郎慶陽，趙 亮，蘭元一，周京威，張子晗，馮華超

(遼寧科技學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧省 本溪市 117004)

時(shí)間信息是教學(xué)過程中必不可少的重要因素，教師需要在教學(xué)過程中依靠時(shí)間信息來掌控整體教學(xué)進(jìn)度，學(xué)生需要在學(xué)習(xí)過程中依靠時(shí)間信息來進(jìn)行規(guī)劃安排，在日常測驗(yàn)與考試，答辯，四六級等特定考試過程中，時(shí)間信息的準(zhǔn)確和便捷性就更加重要了。

在目前常見的在教室或者實(shí)驗(yàn)室使用的教學(xué)時(shí)間顯示裝置，大部分都是指針式的時(shí)鐘，有極少數(shù)采用了通用的電子日歷〔1〕。這些裝置不是為教學(xué)服務(wù)定制的，往往具有時(shí)間不準(zhǔn)確、顯示不清晰、時(shí)間信息不全、缺少定時(shí)及考試計(jì)時(shí)功能、缺少交互功能、無法進(jìn)行功能定制(二次開發(fā))等問題，在日常教學(xué)應(yīng)用中并不方便。

大部分的教學(xué)時(shí)間顯示裝置都是懸掛在高處的，對其進(jìn)行時(shí)間調(diào)整或功能設(shè)置等操作并不是十分方便。如果運(yùn)用無線遙控方式進(jìn)行調(diào)整設(shè)置的話，則存在連接操作和額外添加遙控器等問題，日常管理相對麻煩。

針對以上問題，文章設(shè)計(jì)了一種專門為教學(xué)服務(wù)，具有語音交互控制功能的可以定制開發(fā)的多功能教學(xué)時(shí)間顯示裝置。

1 總體方案

該裝置的核心功能是教學(xué)時(shí)間顯示、服務(wù)功能和語音交互。圍繞核心功能進(jìn)行功能方案細(xì)化，如圖1所示。

圖1 多功能教學(xué)時(shí)間顯示裝置功能方案

根據(jù)教學(xué)實(shí)際需要，該裝置突出小時(shí)和分鐘的顯示，省略秒信息的顯示，設(shè)置教學(xué)周顯示。同時(shí)，測量并顯示室內(nèi)溫濕度。裝置設(shè)計(jì)有倒計(jì)時(shí)和定時(shí)提醒功能，使用者可以靈活設(shè)定時(shí)間，為特定教學(xué)任務(wù)和環(huán)節(jié)、隨堂測驗(yàn)等教學(xué)內(nèi)容提供定時(shí)服務(wù)。對于期末考試、項(xiàng)目答辯和特殊考試(四、六級考試、計(jì)算機(jī)考試等)等一類的具有明確固定時(shí)間要求的工作任務(wù)，裝置提供專項(xiàng)計(jì)時(shí)及提醒服務(wù)。提供以時(shí)間為基礎(chǔ)的定制功能服務(wù)和擴(kuò)展功能。以上各類功能所需要的交互控制由語音交互功能實(shí)現(xiàn)，除了最基礎(chǔ)的語音播報(bào)功能〔2〕，使用者還可以通過語音實(shí)現(xiàn)功能選擇、時(shí)間設(shè)定等控制功能。

2 功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

多功能教學(xué)時(shí)間顯示裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)相對簡單，主要為殼體和面板。其具體功能實(shí)現(xiàn)包括電源、控制器、顯示、時(shí)鐘、語音及溫濕度等模塊，如圖2所示。

圖2 多功能教學(xué)時(shí)間顯示裝置功能結(jié)構(gòu)方案

電源模塊采用穩(wěn)定的開關(guān)電源為裝置整體供電，考慮到顯示部分的需求，采用12 V開關(guān)電源結(jié)合5 V降壓模塊進(jìn)行供電。

控制器需要考慮足夠的IO口和串行口，并且易于開發(fā)，故選擇了一塊以ATmega2560單片機(jī)為核心的微控制器開發(fā)板Arduino MEGA2560，它有54個(gè)數(shù)字I/O端口，4組硬件UART，使用16 MHz晶振。其具有256 KB的FLSH和4 KB的EEPROM，可以滿足復(fù)雜程序和一定量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)〔3〕。

時(shí)間顯示裝置常見的顯示方法是采用液晶顯示器或數(shù)碼管顯示器，考慮到教室面積距離和清晰度等因素，最終確定采用數(shù)碼管顯示器。數(shù)碼管顯示驅(qū)動(dòng)主要有動(dòng)態(tài)顯示和靜態(tài)顯示兩種方式，由于裝置沒有秒信息顯示，所以不用頻繁刷新，故選擇靜態(tài)顯示方式，以獲得清晰的顯示效果。數(shù)碼管采用74HC595芯片為核心的靜態(tài)驅(qū)動(dòng)電路，采用串聯(lián)輸入并聯(lián)輸出，穩(wěn)定性高。

在實(shí)際應(yīng)用中，僅靠單片機(jī)內(nèi)部程序計(jì)時(shí)來實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘功能，由于精度不高，是不推薦使用的。更為常用的方法是采用專門的時(shí)鐘模塊來提供準(zhǔn)確的時(shí)間信息。裝置中采用的是DS3231實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊。DS3231內(nèi)部集成微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)諧振器，相比石英晶振時(shí)鐘，降低機(jī)械失效風(fēng)險(xiǎn)，解決溫度漂移的問題?？梢杂眉~扣電池供電，斷開主電源時(shí)仍可保持精確計(jì)時(shí)?？商峁┟搿⒎?、時(shí)、星期、日期、月和年信息。提供兩個(gè)可設(shè)置的日歷鬧鐘和一個(gè)1 Hz輸出。在-45°C至+85°C溫度范圍內(nèi)，計(jì)時(shí)精度保持在±5 ppm。

溫濕度模塊采用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器，它包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測溫元件，應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。

語音識(shí)別模塊采用基于LD3320語音識(shí)別單元的模塊，UART串口通訊，具有循環(huán)檢測、口令模式、按鈕模式和串口喚醒等四種工作模式，可以連續(xù)識(shí)別，可以自定義詞條，安靜時(shí)具有95%的識(shí)別率。

語音播報(bào)模塊采用MP3串口語音播放器，通過UART串口實(shí)現(xiàn)指令收發(fā)，通過TF卡存儲(chǔ)MP3格式的聲音文件，最大支持32 GB內(nèi)容。

3 系統(tǒng)調(diào)試試驗(yàn)

裝置主程序框圖如圖3所示，在工作中由固定喚醒詞進(jìn)行喚醒，并獲取語音命令，執(zhí)行語音命令后回到主循環(huán)。

圖3 多功能教學(xué)時(shí)間顯示裝置主程序框圖

在調(diào)試試驗(yàn)中，以普通期末考試(時(shí)間90分鐘)為例，進(jìn)行功能實(shí)現(xiàn)。功能流程如表1所示。

表1 多功能教學(xué)時(shí)間顯示裝置功能方案

應(yīng)答聲音和提示聲音通過存儲(chǔ)在語音播報(bào)模塊的帶有編號的mp3文件實(shí)現(xiàn)。語音識(shí)別模塊的目標(biāo)聲音信息是通過串行口進(jìn)行設(shè)置的語句拼音信息，設(shè)置過程界面如圖4所示。

圖4 語音識(shí)別模塊目標(biāo)聲音信息設(shè)置界面

當(dāng)語音識(shí)別模塊收到語音命令后，向控制器傳送對應(yīng)數(shù)值代碼，控制器進(jìn)行對應(yīng)功能處理，并發(fā)送代碼命令到語音播報(bào)模塊。

4 總結(jié)

文章所設(shè)計(jì)的多功能教學(xué)時(shí)間顯示裝置經(jīng)過試驗(yàn)，能夠較好地實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能，具有較強(qiáng)實(shí)用性。下一步的工作是進(jìn)一步優(yōu)化，并在實(shí)際使用過程中不斷豐富功能，未來，加入人工智能技術(shù)將會(huì)極大地提升裝置的服務(wù)能力。