CN109545035A - 多消息交互图形化硬件编程兼容系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了多消息交互图形化硬件编程兼容系统和方法，属于模块化编程教学领域。针对现有技术中存在的现有模块化编程教学可读性差，且编程繁琐问题，本发明提供了多消息交互图形化硬件编程兼容系统和方法，本方案通过软硬件的结合，通过对应的图形化编程软件来进行相应的编程，用户能够在编程的过程中逐步理解对应的硬件的实现是怎么样的，图形化编程方面通过调用不同传感器的运行驱动，通过搭建积木块的来生成相应的软件，烧录进搭建好的硬件中，来实现不同的功能，可视化进行软件的搭建和硬件的匹配，不仅仅进行编程，还进行了软硬件结合互相验证的学习。它可以实现编程方式简单，编程内容可视化，模块搭建方便，软硬件互相结合。

Description

多消息交互图形化硬件编程兼容系统和方法

技术领域

本发明涉及木块化编程教学领域，更具体地说，涉及多消息交互图形化硬件编程兼容系统和方法。

背景技术

随着scratch和blockly等图形化编程工具的兴起，少儿编程教育的市场也在逐步扩大，随之而来的是少儿编程教育配套使用的教具的发展。从现有市场而言，乐高、美科等都已经有比较成熟的解决方案和产品，比如美科的系列套件、英国BBC出品的micro:bit、著名的编程机器人Cozmo。但绝大多数的硬件教具都有几个不可忽视的问题，一个是产品的稳定性，一个是产品内容的的丰富程度，以及产品的接受情况。

就产品内容的丰富程度而言，随着时间的推进，不同的厂商会根据需求发布新的教具内容，所以这只是时间问题。同样的已有产品的使用稳定性经过市场的验证，已经比较明确的结果。所以最终要的还是产品使用的接受情况。

使用方式基本都是由蓝牙无线连接、磁吸连接、排针线材连接的方式，市面上常见的硬件产品都比较类似。将编写的程序运行到硬件上有交互式和灌入式两种方式。交互式需要有稳定的蓝牙或者无线连接，需要实时反馈硬件运行的结果，在编程机器人Cozmo上有比较好的展现。得益于厂商成熟的连接方式，在连接方式的接受程度上并无多大区别。最重要的接受程度还是体现在硬件的具体运行方式之上。

比较典型的美科mCookie系列硬件套装和micro:bit，都是使用灌入的方式将编写的程序在硬件运行。具体的运行方式是：平台完成编程，下载由平台生成的对应的hex文件，将文件拖拽到硬件中等待烧录完成，运行。然而在这个过程，用户知道自己的程序所实现的功能，但是想要查看功能实现的原理时就会发现，下的在hex文件不可读，无法了解其根本的实现。

如中国专利申请，申请号201810679535.4，公开日2018年9月4日，公开了电子积木玩具或教具领域，尤其涉及基于智能积木的可编程学习装置及智能电子积木装置。包括装置本体、指令积木以及动作执行装置；所述指令积木内设有记录单元；所述装置本体内设有主控单元，且所述装置本体上设有连接口，所述装置本体上还设有发送接收单元和显示模块；所述动作执行装置内设有接收单元；所述指令积木连接至连接口后与所述主控单元电连接，且主控单元依次扫描并识别连接口上的指令积木并根据指令积木的指令序号信息来调用对应的指令信号，并依次将指令信号传输至发送接收单元发送或通过显示模块显示，且发送接收单元发送指令信号后，动作执行装置的接收单元接收该指令信号并执行对应动作。但此单元主要是通过下载完全成型的硬件驱动程序，内部如何进行逻辑关系无法具体的展现，教学性差。

发明内容

1.要解决的技术问题

针对现有技术中存在的现有模块化编程教学可读性差，且编程繁琐问题，本发明提供了多消息交互图形化硬件编程兼容系统和方法，它可以实现编程方式简单，编程内容可视化，模块搭建方便，软硬件互相结合。

2.技术方案

本发明的目的通过以下技术方案实现。

多消息交互图形化硬件编程兼容系统，包括，软件系统，软件系统设置于硬件编程装置中，软件系统内设置有若干软件封装积木模块，软件封装积木模块，

包括主控制板封装模块，与传感器封装模块及功能封装模块搭建生成对应的功能程序，并烧录对应的程序，进入对应设计的硬件中；

若干传感器封装模块及功能封装模块，与主控制板封装模块互相搭建，完成对应功能程序。

更进一步的，所述的传感器封装模块及功能封装模块，包括但不限于，超声波传感器封装模块、LED点阵屏封装模块、光照传感器封装模块、温湿度传感器封装模块、红外收发传感器封装模块、碰撞开关封装模块、录音模块封装模块、小喇叭封装模块、语音识别封装模块、语音合成封装模块、USB拓展封装模块中的一个或者多个。

更进一步的，所述的主控制板封装模块上设置有若干软件接口，与对应的传感器封装模块及功能封装模块相互连接，形成不同的逻辑关系。

更进一步的，所述的主控制板封装模块和若干传感器封装模块及功能封装模块设置有对应的参数设定区域。

更进一步的，所述的主控制板封装模块包括重复循环区域。

消息交互图形化硬件编程兼容系统的控制方法，步骤如下，

A、在消息交互图形化硬件编程兼容系统通过积木式搭建程序，根据对应的逻辑关系生成对应的逻辑功能，在后台中生成相应的具体代码程序文件；

B、根据对应的功能，硬件方面主控制板连接对应的若干传感器模块及功能模块，各模块之间互相连接；

C、将代码程序文件下载，硬件编程装置连接消息交互图形化硬件编程兼容系统的硬件模块，烧录进入消息交互图形化硬件编程兼容系统硬件中；

D、主控制板根据连接的硬件模块，判断软件的程序文件是否正确，正确则进行步骤E，不正确，返回步骤A，重新修改程序文件或硬件搭建方式；

E、完成后重启硬件，主控制板运行程序文件；

F、各个硬件模块根据软件程序运行相应功能。

更进一步的，设定软件程序的时候，包括但不限于循环步骤、参数定义、信号的发射、不同模块的启动和关闭的设定。

3.有益效果

相比于现有技术，本发明的优点在于：

本方案通过软硬件的结合，使用python为微控制器开发的模块micropython，构建编写了多消息交互图形化硬件编程兼容系统和方法，通过对应的图形化编程软件来进行相应的编程，用户能够在编程的过程中逐步理解对应的硬件的实现是怎么样的，且同时以传感器模块为单位，编写了各个传感器运行所需的驱动文件，图形化编程方面通过调用不同传感器的运行驱动，通过搭建积木块的来生成相应的软件，烧录进搭建好的硬件中，来实现不同的功能，可视化进行软件的搭建和硬件的匹配，不仅仅进行编程，还进行了软硬件结合互相验证的学习。

附图说明

图1为本发明的硬件连接结构示意图；

图2为发明程序整体运行流程图；

图3为实施例光敏小台灯功能时候的程序流程图；

图4为实施例语音打开关闭风扇时候的程序流程图；

图5为实施例迎宾系统时候的程序流程图；

图6为实施例空调遥控器时候的程序流程图；

图7为实施例温湿度测量器时候的程序流程图；

图8为光敏小台灯功能时候的图形化编程图；

图9为实施例语音打开关闭风扇时候的图形化编程图；

图10为实施例迎宾系统时候的图形化编程图；

图11为实施例空调遥控器时候的图形化编程图；

图12为实施例温湿度测量器时候的图形化编程图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体的实施例，对本发明作详细描述。

实施例1

本方案使用在主控板封装编程模块的方式，将复杂的硬件控制流程模块化，配合可视的积木式编程实现了对硬件的模块化操控。操作硬件不再需要掌握专业的知识，只需在网页使用积木编程即可对硬件进行操作。我们使用python为微控制器开发的模块micropython，构建编写了消息交互图形化硬件编程兼容系统，用户能够在编程的过程中逐步理解对应的硬件的实现是怎么样的。本实施例本发明使用python语言为微控制器的开发和使用所开发的拓展模块micropython，基于python3.0及以上的版本，也可以基于所需要的系统对应使用相应的版本进行编写。使用micropython对应的核心电路板以及对应的传感器模块，同时以传感器模块为单位，编写了各个传感器运行所需的驱动文件，对应的驱动文件的编写方法是常规的方法，在此不做赘述，使得模块化编程教育的思想更为立体。

消息交互图形化硬件编程兼容系统式硬件方面包括：运行micropython所需的主控制板，超声波传感器、LED点阵屏、光照传感器、温湿度传感器、红外收发传感器、碰撞开关、录音模块、小喇叭模块、语音识别模块、语音合成模块、USB拓展模块，根据不同的功能需求选择不同的传感器和对应的功能模块。通过对应的图形化编程软件来进行相应的编程，可以使用现有的图形化编程软件原理进行搭建，图形化编程方面通过调用不同传感器的运行驱动，设计了不同的图形化积木块，通过搭建积木块的来生成相应的软件，烧录进搭建好的硬件中。

如图1所示，具体的消息交互图形化硬件编程兼容系统，包括主控制板，与传感器模块及功能模块连接，并烧录对应的程序，控制相应已连接的传感器模块及功能模块连接进行工作；和若干传感器模块及功能模块，与主控制板连接，完成对应功能。主控制板详细划分为接口区、微处理器模块和对应的烧录模块，主控制板上接口区设置有若干接口，通过数据线与对应的传感器模块及功能模块相互连接，微处理器中封装了各个模块的驱动程序，主控制板和若干传感器模块及功能模块外围设置有相同标准的积木框架，通过型号一致的积木框架进行每一个模块电路板的物理拼接，如通过乐高积木的形式，通过乐高积木模块互相连接，相互连接，其中主控制板的处理器部分主要为灌入运行的程序、连接外部电源、运行程序这三个功能；

主控制板上设置有编程接口，用于烧录软件系统发送的指令信号信息，接口为microUSB接口、type-C接口和/或AUX接口，可以通过对应的数据线相互连接，如通过标准micro USB线、双公头type-C数据线、3.5mm双头音频线连接。线材都为市面上的常见线材，稳定性可以保障。

软件方面，软件系统，软件系统设置于硬件编程装置中，软件系统内设置有若干软件封装积木模块，软件封装积木模块，

包括主控制板封装模块，与传感器封装模块及功能封装模块搭建生成对应的功能程序，并烧录对应的程序，进入对应设计的硬件中；

若干传感器封装模块及功能封装模块，与主控制板封装模块互相搭建，完成对应功能程序。所述的传感器封装模块及功能封装模块，包括但不限于，超声波传感器封装模块、LED点阵屏封装模块、光照传感器封装模块、温湿度传感器封装模块、红外收发传感器封装模块、碰撞开关封装模块、录音模块封装模块、小喇叭封装模块、语音识别封装模块、语音合成封装模块、USB拓展封装模块中的一个或者多个。所述的主控制板封装模块上设置有若干软件接口，与对应的传感器封装模块及功能封装模块相互连接，形成不同的逻辑关系。所述的主控制板封装模块和若干传感器封装模块及功能封装模块设置有对应的参数设定区域。所述的主控制板封装模块包括重复循环区域。

具体的在控制过程中，如图2所示，步骤如下，

A、在消息交互图形化硬件编程兼容系统通过积木式搭建程序，根据对应的逻辑关系生成对应的逻辑功能，在后台中生成相应的具体代码程序文件；设定软件程序的时候，包括但不限于循环步骤、参数定义、信号的发射、不同模块的启动和关闭的设定。

B、根据对应的功能，硬件方面主控制板连接对应的若干传感器模块及功能模块，各模块之间互相连接；

C、将代码程序文件下载，硬件编程装置连接消息交互图形化硬件编程兼容系统的硬件模块，烧录进入消息交互图形化硬件编程兼容系统硬件中；

D、主控制板根据连接的硬件模块，判断软件的程序文件是否正确，正确则进行步骤E，不正确，返回步骤A，重新修改程序文件或硬件搭建方式；

E、完成后重启硬件，主控制板运行程序文件；

F、各个硬件模块根据软件程序运行相应功能。

这个过程是将程序灌入到硬件中运行，不存在PC与硬件连接稳定性的问题，能让程序更稳定的运行。再者，程序灌入硬件后，除非有新的文件替换，不然这个程序是能够一直保存在其中的，重新运行的时候无需再次灌入。

整体运行流程：在图形化编程平台编写完程序，然后下载后台生成的python文件，硬件拼搭完成后将下载的python文件拖拽到硬件中等待烧录完成，重启运行。整个过程对硬件传感器的模块化进行了深入的定制，拖动对应的积木即可对相应的硬件进行操作，整个流程更加一目了然。可视化强，结合软硬件，起到了很好的学习和教学的作用。

本方案基于micropython重新设计的核心电路板对硬件的支持更加稳定；使用标准microUSB连接各个传感器和核心电路板，摒弃了弹簧针和排针线材使用过程极易出现的接触不良问题，以及线材替换购买困难的问题；为核心电路板和各个传感器编写的图形化编程积木块和运行驱动，使得硬件与图形化编程的交互更加流畅，提高图形化编程平台与硬件之间连接的稳定性。本方案的图形化编程积木和硬件的设计都基于开源项目，给用户留下更好的拓展空间，兼容性好。

实施例2

本实施例以碰撞开关为例，主控制板连接碰撞开关模块，USB拓展模块、USB拓展模块和碰撞开关模块连接主控制板，经过软件积木搭建，只需要拉取碰撞开关模块，就生成对应的软件程序，烧录进入硬件中，主控制板进行碰撞开关的运行驱动、在进行碰撞开关的开启和关闭时候，对应产生相应的动作。

实施例3

本实施例使用光照传感器、USB拓展模块、主控制板，光照传感器、USB拓展模块连接主控制板，实现了通过感知室内亮度自动打开小台灯的功能，其整个逻辑过程是通过光照传感器测量当前环境下的光照值，如果小于50，则打开台灯，否则就将台灯熄灭。具体流程如图3、8所示。

实施例4

本实施例使用语音识别模块、USB拓展模块、小喇叭、主控制板，语音识别模块、USB拓展模块、小喇叭连接主控制板，实现了通过语音打开或者关闭小电扇的功能，其图形化编程，见图4、9，其整个逻辑过程是通过语音识别模块识别用户的语音是打开还是关闭，如果是打开，那么返回一个数字为1，如果是关闭，那么返回一个数字为0。如果返回值是1，那么打开电扇，否则的话就将电扇关掉，实现对应功能。

实施例5

本实施例实现自动迎客系统。使用了超声波传感器、LED显示屏、录音模块、小喇叭、主控制板，各个模块连接主控制板，超声波测量到一定范围以内有物体时，led点阵屏会显示笑脸并且播放“欢迎光临”的语音。如图5、10所示。

实施例6

本实施例实现智能空调遥控器功能。使用了温湿度传感器、红外收发传感器、主控制板，各个模块连接主控制板，温湿度传感器测量的温度低于一定值时，红外收发传感器会发射提前录制好的红外信号，控制空调的打开或者关闭。如图6、11所示。

实施例7

本实施例实现温湿度播报器功能。使用LED点阵屏、温湿度传感器、语音合成模块、小喇叭、主控制板，各个模块连接主控制板，温湿度传感器测量当前环境下的温湿度，每隔60秒播放一次语音“当前温度为xxx摄氏度”，同时LED点阵屏上滚动显示当前测量到的温度。如图7、12所示。上述参数都可以根据需求进行相应的设置和选择，方便快捷。

以上示意性地对本发明创造及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，在不背离本发明的精神或者基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。附图中所示的也只是本发明创造的实施方式之一，实际的结构并不局限于此，权利要求中的任何附图标记不应限制所涉及的权利要求。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本专利的保护范围。此外，“包括”一词不排除其他元件或步骤，在元件前的“一个”一词不排除包括“多个”该元件。产品权利要求中陈述的多个元件也可以由一个元件通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。

Claims (7)

1.多消息交互图形化硬件编程兼容系统，其特征在于：包括，软件系统，软件系统设置于硬件编程装置中，软件系统内设置有若干软件封装积木模块，软件封装积木模块，

包括主控制板封装模块，与传感器封装模块及功能封装模块搭建生成对应的功能程序，并烧录对应的程序，进入对应设计的硬件中；

若干传感器封装模块及功能封装模块，与主控制板封装模块互相搭建，完成对应功能程序。

2.根据权利要求1所述的消息交互图形化硬件编程兼容系统，其特征在于：所述的传感器封装模块及功能封装模块，包括但不限于，超声波传感器封装模块、LED点阵屏封装模块、光照传感器封装模块、温湿度传感器封装模块、红外收发传感器封装模块、碰撞开关封装模块、录音模块封装模块、小喇叭封装模块、语音识别封装模块、语音合成封装模块、USB拓展封装模块中的一个或者多个。

3.根据权利要求1所述的消息交互图形化硬件编程兼容系统，其特征在于：所述的主控制板封装模块上设置有若干软件接口，与对应的传感器封装模块及功能封装模块相互连接，形成不同的逻辑关系。

4.根据权利要求1或2所述的消息交互图形化硬件编程兼容系统，其特征在于：所述的主控制板封装模块和若干传感器封装模块及功能封装模块设置有对应的参数设定区域。

5.根据权利要求1所述的消息交互图形化硬件编程兼容系统，其特征在于：所述的主控制板封装模块包括重复循环区域。

6.根据权利要求1-5任一所述的消息交互图形化硬件编程兼容系统的控制方法，步骤如下，

A、在消息交互图形化硬件编程兼容系统通过积木式搭建程序，根据对应的逻辑关系生成对应的逻辑功能，在后台中生成相应的具体代码程序文件；

B、根据对应的功能，硬件方面主控制板连接对应的若干传感器模块及功能模块，各模块之间互相连接；

C、将代码程序文件下载，硬件编程装置连接消息交互图形化硬件编程兼容系统的硬件模块，烧录进入消息交互图形化硬件编程兼容系统硬件中；

D、主控制板根据连接的硬件模块，判断软件的程序文件是否正确，正确则进行步骤E，不正确，返回步骤A，重新修改程序文件或硬件搭建方式；

E、完成后重启硬件，主控制板运行程序文件；

F、各个硬件模块根据软件程序运行相应功能。

7.根据权利要求6任一所述的消息交互图形化硬件编程兼容系统的控制方法，特征在于，设定软件程序的时候，包括但不限于循环步骤、参数定义、信号的发射、不同模块的启动和关闭的设定。