CN105302555A - 一种基于多语义的实物编程系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多语义的实物编程系统，其特征在于，包括实物编程处理与显示单元，用于处理实物编程块发送的无线信息，以及按照设定的编程规则识别实物编程块的当前语义并对编程语义进行排序，向用户提供反馈；其中，所述实物编程块包括若干多语义实物编程块，每一多语义实物编程块具有多种语义，所述多语义实物编程块识别用户的摇晃手势，并根据识别出的手势切换语义，每一种语义对应一语义状态；所述多语义实物编程块向所述实物编程处理与显示单元发送自身的二进制识别码和当前的语义状态，以及前一实物编程块的二进制识别码。本发明完善了编程概念，增加了交互方式，提高了系统趣味性，易于实现，且易于用户操作。

Description

一种基于多语义的实物编程系统

技术领域

本发明属于人机交互领域，具体涉及到一种具有多语义和二维连接特性的实物编程系统。

背景技术

个人和计算机等数字化设备的普及，使儿童生活在一个被计算设备包围的环境中，很多工作领域都涉及到计算机。在儿童时期教授计算机科学十分重要，需要使儿童在幼儿园和小学时期接触问题求解和计算方法等。让儿童学习编程最直接的好处儿童可以通过编程学习到最先进的技术，增强对计算机科学的兴趣，此外编程对儿童的数学、科学知识、语言、创造力和社交能力等方面都起到积极、重要的作用。实物交互技术允许儿童将操作物拿在手上与计算机进行交互，减少了繁复的语法规则对儿童学习编程造成的障碍，并且可以使儿童在编程学习过程中更加投入。因此，实物编程是一种可行的学习编程的途径。

专利ZL201210251967公开了一种基于红外和无线传输技术的实物编程方法和系统，与电脑相连的无线处理模块通过轮询编程块序列获得实物程序语义，通过计算机映射语义完成任务。专利ZL2013104147570公开了一种便携式的实物编程系统，其处理和显示单元完全独立于电脑，而其实物编程块仍为简单的线性连接方式。以上专利有以下不足之处：实物编程块的功能单一，每个实物编程块仅能表示一个语义，由于每个编程块的内部都嵌入了电子元器件，造成该实物编程系统的成本较高。其次，实物编程块仅能线性连接，没有充分发挥立体块的优势。再次，编程块所传递的编程概念比较简单，仅有简单的顺序概念和参数概念。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种支持多语义和二维连接特性的实物编程系统，包括一LEDPad和实物编程块(参考：一种便携式实物编程系统，申请号：2013104147570)，除上述专利中所包含的编程概念，本发明向用户传达布尔逻辑和分支等概念，完善编程工具中所教授的编程结构。其中的实物编程块具有多语义特性，可以通过手势改变其语义；此外，实物编程块还支持二维连接方式，不再是单一的线性连接方式，可以更好的映射分支等编程结构。LEDPad中的处理模块在信息处理的算法上进行了改进，使其可以识别到用户通过手势改变的语义，并将二维连接方式的编程块进行排序，在LEDPad内部存储为一维结构。本发明中每个任务分为两个阶段，编程阶段和运行阶段。编程阶段，摆放实物编程块构建迷宫出逃路径，运行阶段，LEDPad依次读取编程命令，控制系统反馈，用户需要进行适当的输入。

本发明的技术方案为：

一种多语义和二维连接的实物编程系统，如图1所示，其组成包括：

1)实物编程处理和显示单元——LEDPad。LEDPad包括迷宫识别模块、无线处理模块、实物编程处理模块、显示模块。作为主要控制单元，LEDPad处理实物编程块发送的无线信息，以及按照设定的编程规则识别多语义实物编程块的当前语义并对编程语义进行排序，向用户提供反馈。迷宫识别模块的功能是根据当前所选迷宫的RFID标签信息加载相应的迷宫结构信息，以便判断用户摆放的程序的正确性。每一张纸质地图的左下角处都附有一个RFID标签，用户贴上纸质迷宫的同时，LEDPad内部也会加载其对应的迷宫结构信息。

进一步的，LEDPad中的无线处理模块包含一单片机和一无线模块；无线处理模块用于接收实物编程块发送的无线信息，识别编程块当前的语义，并根据无线信息将编程块语义进行排序；本方法中无线处理模块根据实物编程块发送的前一个块的信息和自身信息对编程块语义序列进行排序。本发明中实物编程块和LEDPad之间采用无线信号通信；两个相邻的编程块之间采用近距离的红外通信。

进一步的，在编程阶段，LEDPad中的实物编程处理模块根据对应关系转换规则将实物语义序列转换成程序功能语义序列，并判断该编程块是否合法，提供正误的反馈；在运行阶段，逐次读取命令并监听传感器的状态，执行当前的命令。

2)实物编程块。实物编程块是系统的主要输入工具，实物编程块的组成和功能可参见上述专利。本系统中增加了多语义实物编程块，可以识别用户的摇晃手势变换语义。

进一步的，多语义实物编程块包括一个三轴加速度计模块和用于显示的LED矩阵模块。多语义实物编程块通过实时采集加速度值采用决策树方法来识别是否为语义切换手势，如果是，就将编程块的语义设置下一个语义，并通过LED显示当前语义的图标。

3)实物编程块除上述专利提到的语义外，本发明中增加了“与逻辑”和“或逻辑”以及“分支”等实物编程块，用于向儿童传递相关的编程思想。其中“与逻辑”和“或逻辑”以及“分支”等编程块可以与传感器编程块按照二维连接方式进行连接。

进一步的，二维连接方式是指“与逻辑”和“或逻辑”以及“分支”等实物编程块可以在其上下方连接传感器块，组成一个完整的语义，而该编程块的前后方摆放其他编程块表示程序的执行顺序，编程块不再是单一的线性摆放规则。

进一步的，实物编程块之间采用红外通信的方式，红外信号不仅作为激活信号，更多的是传递自身的二进制识别码。

进一步的，本发明采用脉宽调制的方法发送红外信息，前一个实物编程块将自身的二进制识别码按照自定义的红外通信协议编码后以红外脉冲波的形式发送给当前实物编程块从而激活当前实物编程块，当前被激活的实物编程块根据红外通信协议解码得到该红外信息，即前一个实物编程块的二进制识别码。

进一步的，该实物编程块将自身的二进制识别码，前一个块的二进制识别码和当前的语义状态发送给LEDPad的无线处理模块。并向外发射经过红外通信协议编码的自身二进制识别码的红外脉冲，用于激活后续的实物编程块。

4)所述“与逻辑”和“或逻辑”编程块在编程阶段可以连接两个传感器A和B，构成“A与B”(“A或B”)的语义，如图2所示。两个传感器的位置可以交换，符合“与逻辑”和“或逻辑”的交换律。只有当“与逻辑”(“或逻辑”)与传感器都摆放正确，LEDPad才会给出当前单元格的正确反馈，否则，LEDPad将提示错误。运行阶段，LEDPad会根据“与逻辑”和“或逻辑”的规则判断用户是否正确触发了相关传感器。即如果当前单元格是“与逻辑”和传感器A及B组成，则只有当用户同时触发传感器A和B才能使LEDPad的光点通过该单元格；如果当前单元格是“或逻辑”和传感器A及B组成，则用户至少触发其中一个传感器即可使LEDPad的光点通过该单元格。

5)所述分支编程块(IF编程块)可以连接两个传感器A和B，并由传感器A和B引导两条不同的路径，表示IF(A)Then…,ElseIF(B)Then…的语义，如图3所示。用户根据分支路径的地图摆放两个分支程序，其摆放顺序可以随机。运行阶段，当执行到IF单元格后，LEDPad在两个相关的传感器A和B之间闪烁，监听用户对传感器的触发，一旦用户触发其中一个传感器，LEDPad将依次执行相应传感器引导的分支程序。

与现有技术相比，本发明具有如下的优点和技术效果：

1.本发明给出实物编程块具有多语义特性。本发明的实物编程块具有多个编程语义，可以识别用户的晃动手势，并改变当前语义。通过手势改变语义的方法节省了系统所需的编程块的个数，使得编程块更加灵活，便于扩展，同时增加了系统的趣味性。

2.本发明的实物编程块支持二维连接方式。本发明的实物编程块除了传统的线性连接方式外，增加了二维连接方式。编程块的上下前后四个面均可以连接其他编程块。二维连接的方式增强了系统的趣味性，同时使得分支等编程概念的映射更加直观。

3.扩展了编程概念，增加了布尔逻辑。本发明在上述专利的基础上增加了布尔逻辑(“与逻辑”和“或逻辑”)的概念，且其摆放方式符合布尔逻辑中的交换律，运行阶段与其相关的传感器的触发方式与布尔逻辑的计算方式相同。

4.扩展了编程概念，增加了分支结构。本发明在上述专利的基础上增加了分支结构(IF编程块)，IF编程块可以以二维连接方式连接两个传感器，并引导两个不同的分支程序。运行阶段，传感器的触发满足了IF的条件，LEDPad将执行被触发的传感器所引导的分支程序。

5.增强了对编程块语义进行排序的稳定性。实物编程块激活后向LEDPad的无线模块发送信息包含了通过对红外信息解码得到的前一个块的二进制识别码Pre_ID和自身的二进制识别码Self_ID，LEDPad的无线模块通过这两个信息对编程块的语义进行排序，较上述专利根据添加时间的先后顺序更加稳定可靠。

附图说明

图1系统连接结构图；

图2布尔逻辑(“或逻辑”)的连接示意图；

图3分支编程块(IF)的连接示意图；

图4编程块内部处理流程；

图5LEDPad基本处理流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的技术人员更好的理解，下面结合附图和实施方式对本交互方法作进一步的详细说明：

本发明中，支持编程块的内部处理流程如图4所示。编程块的处理主要发生在编程阶段，主要负责编程块的连接和语义选择。

1.初始化。在程序开始处，对编程块内部的无线模块通讯、红外通讯、三轴加速度计和定时器进行初始化。如果当前是多语义编程块，那么进入步骤2，否则跳转至步骤4。

2.监听手势。编程块通过监听三轴加速度值的变化，实时判别是否触发了手势。如果触发了手势，则改变当前的语义，并改变编程块顶部的LED矩阵的显示，如显示为向左的方向箭头表示向左方向块。

进一步的，编程块通过采集三轴加速度计的状态，并使用线性分类器对三个轴X、Y、Z轴的加速度值进行分类，识别当前手势。进入步骤3。

3.检测语义状态。实物编程块解码得到红外信息，即确定该编程块在编程队列中后，将检测当前的语义状态Cur_Status。进入步骤4。

4.检测红外状态。实物编程块检测当前是否收到红外信号，如果有，则表明编程块目前处于编程队列中，进入步骤5；如果没有，则表明编程块已经从编程队列中移除，进入步骤8；

5.解码红外信号。实物编程块收到红外信号后根据红外发送协议对红外信号进行解码，判断当前脉冲是否是红外起始码，如果是，则进入字节的解码过程，将得到的字节码和反码比对后得到当前所传达的信息，记为Pre_ID；如果不是，则放弃此次红外脉冲，重新进入步骤4；

6.发送连接无线信息。实物编程块向LEDPad发送表示连接的无线信息，包含连接标志、Pre_ID、自身的二进制识别码Self_ID和当前的语义状态Cur_Status。进入步骤7。

7.编码并发送红外信号。编程块将自身的Self_ID经过脉宽调制后发送，用于激活后续的编程块。红外脉冲组成为起始码，自身原码和自身反码。原码和反码用于对比，确保信息的准确性。重新进入步骤2。

8.发送移除连接信息。当编程块从编程队列中拔除后，会向LEDPad发送表示移除的无线信息，包含移除标志、Pre_ID、自身的二进制识别码Self_ID和当前的语义状态Cur_Status。进入步骤9。

9.终止红外发射。实物编程块终止红外信号的发射。如果当前是多语义编程块，那么重新进入步骤2，否则跳转至步骤4。

LEDPad内部的处理流程如图5所示。主要分为状态控制、编程阶段和运行阶段三个阶段。其中有些处理流程和专利一种便携式实物编程系统，申请号：2013104147570中一致，在此不再赘述。下面将重点介绍LEDPad中发生改变的处理。

编程阶段，系统主要处理实物编程块的信息，完成程序语义序列的排序，并给出实时反馈。

1.无线处理模块中的数据处理。LEDPad中的无线处理模块收到实物编程块发送的无线信息后，将逐字节解读无线信息。如果是连接信息，则从当前的二进制序列中查找Pre_ID,并根据Pre_ID判断前一个编程块的类型和所在的分支。如果前一个编程块是方向块/传感器块/开始块，则将Self_ID插入到二进制序列中Pre_ID所在的分支的后面。如果前一个编程块是布尔逻辑编程块，则需要进一步判断当前块是否为传感器块，并将传感器块依次插入到相应逻辑编程块的参数区域中，如果前一个编程块是分支块，当前编程块为传感器块，则将传感器添加分支标识后插入到Pre_ID的后面。所述的分支标识是将当前编程块的二进制ID最后一位，如果位于分支Branch_0，则将该位置0，如果位于分支Branch_1，则将该位置1，主程序末位置0，将交由LEDPad的实物编程处理模块处理。在LEDPad中，逻辑编程块的存储结构中保留了两个用于存储传感器块内容的参数区域，两个传感器块没有先后顺序之分。

2.语义与语法分析和图形反馈。结合任务地图的具体信息，LEDPad的实物编程处理模块将进行语义语法分析与理解并给出相应的反馈。实物编程处理模块接收来自无线处理模块的串口信息，并逐字节进行分析。内部存储是否存在分支标志变量is_Branch,每当读取一个字节，如果当前没有分支，则根据语义对照表，将该程序语义存储在主程序上，并根据语义和当前地图的状态判断当前命令是否正确，并给出反馈。如果当前存在分支，则根据该字节的最后一位，即分支标记判断当前二进制识别码位于哪个分支上，解码分支信息得到二进制ID，并根据语义对照表，将该程序语义存储到对应的分支程序中，并根据语义和当前地图的状态判断当前命令是否正确，并给出反馈。

进一步的，如果当前字节是布尔逻辑编程块，则继续读取后续的两个字节，并进入有限自动机进行判断，只有当连续三个字节正确组成布尔逻辑并符合当前地图上的“逻辑-传感器”单元格，LEDPad才给出正确的图形反馈，否则提示错误。

3.判断编程是否正确结束。LEDPad判断当前地图状态，只有当所有分支都正确的到达结束单元格，编程才正确结束。LEDPad播放编程成功的音乐并给出图形反馈。

检测到状态开关被拨到运行阶段时，程序进入运行阶段。该阶段主要是执行用户在编程阶段编写好的程序。用户可以通过传感器输入模块与系统互动。

1.读取当前程序指令并分析。LEDPad从已经存储的主程序队列中逐字节读取指令并分析。

2.判断当前执行的是否为传感器或者“逻辑-传感器”或者分支单元格。如果是传感器，则监听当前传感器的状态，采集到传感器的数据后进行分析，进一步的，判断是否触发了对应的传感器，如果是，点亮当前单元格的LED灯，并继续步骤1；如果不是，则继续闪烁当前单元格的LED灯，并重复执行步骤2。如果当前单元格为“逻辑-传感器”单元格，则根据“与逻辑”和“或逻辑”的逻辑规则对传感器的触发进行判断，如果当前是“与逻辑-传感器”单元格，则只有检测到两个相关的传感器同时触发后才点亮当前单元格，并继续步骤1；如果当前为“或逻辑-传感器”传感器单元格，则检测到两个传感器中的至少一个被触发可以点亮当前单元格，并继续步骤1。如果当前单元格为分支(IF)单元格，则继续读取两个分支程序队列中的第一个字节，即读取分支的传感器条件，并令这两个单元格闪烁，监听传感器的触发状态，采集到其中的一个传感器被触发时，则执行该分支队列的命令，执行过程与执行主程序的过程类似，这里不再赘述。

3.判断是否成功运行结束并提供反馈。当任一分支队列执行完毕且当前地图到达结束单元格，则为成功运行，LEDPad播放运行成功音乐并给出图形反馈。

综上所述，本发明给出了一种具有多语义和二维连接特性的实物编程系统。实物编程块具有多个语义，用户可以通过水平晃动手势改变选择当前语义，极大的节省了编程块并丰富了用户与工具间的交互。此外，实物编程块支持二维连接方式，不再是单一的一维连接，可以更好的映射某些编程语义，增加系统趣味性。该实物编程工具扩展了编程语义，增加了布尔逻辑和分支的概念，使得编程概念更加的完整，锻炼儿童的逻辑能力；与传感器的交互增多，增加了系统的趣味性，提高了儿童对于编程的兴趣，方便其学习编程。

Claims (8)

1.一种基于多语义的实物编程系统，其特征在于，包括实物编程处理与显示单元，用于处理实物编程块发送的无线信息，以及按照设定的编程规则识别实物编程块的当前语义并对编程语义进行排序，向用户提供反馈；其中，所述实物编程块包括若干多语义实物编程块，每一多语义实物编程块具有多种语义，所述多语义实物编程块识别用户的摇晃手势，并根据识别出的手势切换语义，每一种语义对应一语义状态；所述多语义实物编程块向所述实物编程处理与显示单元发送自身的二进制识别码和当前的语义状态，以及前一实物编程块的二进制识别码。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述多语义实物编程块包括一三轴加速度计模块和一LED显示单元；所述多语义实物编程块将实时采集的用户摇晃手势时该三轴加速度计模块的加速度值，然后根据该加速度值采用决策树方法来识别是否为语义切换手势，如果是，则变换当前的语义，并通过LED显示当前语义的图标。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述手势切换语义的方法为：用户首先设定摇晃手势，然后每采集到一次设定摇晃手势变化一次当前多语义实物编程模块，并设定当前手势对应的语义。

4.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述实物编程块之间采用红外通信的方式进行信息传输，其中前一实物编程模块发出的红外信号包括激活后一实物编程模块的激活信号以及该前一实物编程块的二进制识别码。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述实物编程块还包括与逻辑实物编程块；所述与逻辑实物编程块的上、下方连接传感器块组成一完整的语义，前、后方摆放表示程序执行顺序的其他实物编程块。

6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述实物编程块还包括或逻辑实物编程块；所述或逻辑实物编程块的上、下方连接传感器块组成一完整的语义，前、后方摆放表示程序执行顺序的其他实物编程块。

7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述实物编程块还包括分支逻辑实物编程块，所述分支逻辑编程块的上、下方连接两个传感器A和B，并由传感器A和B分别引导两条不同的路径。

8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述实物编程处理与显示单元包括迷宫识别模块、无线处理模块、实物编程处理模块、显示模块；其中，实物编程处理模块用于在编程阶段将实物编程块序列对应的实物语义序列转换成程序功能语义序列，并判断当前摆放的实物编程块是否合法；在运行阶段，根据程序功能语义序列逐次读取命令并监听传感器的状态，执行当前的命令；所述无线处理模块用于接收实物编程块发送的无线信息，识别实物编程块当前的语义，并根据无线信息将实物编程块语义进行排序；所述迷宫识别模块用于根据当前所选迷宫的RFID标签信息加载相应的迷宫结构信息。