聽障學(xué)生音樂節(jié)拍訓(xùn)練無線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

杜熙茹 ，谷海玲 ，王巧珍 ，黃 秋

（1.廣州體育學(xué)院體育藝術(shù)學(xué)院，廣東廣州510610；2.廣東省電子職業(yè)技術(shù)學(xué)校廣東廣州510505）

在社會(huì)高速發(fā)展的今天，青少年的教育方法受到了越來越多的重視，而特殊教育以其獨(dú)特的意義和價(jià)值近年來同樣受到了廣泛的社會(huì)關(guān)注。在對(duì)聽力障礙中學(xué)生社會(huì)支持和生命意義的關(guān)系調(diào)查中得出：有59.7%的聽力障礙中學(xué)生明顯缺乏生命意義感[1]。聽障兒童作為一個(gè)比較特殊的群體，在社會(huì)上往往處于弱勢(shì)，然而其身心發(fā)展和正常兒童沒有實(shí)質(zhì)上的區(qū)別[2]。

文中通過對(duì)當(dāng)前廣東省聾啞學(xué)校的體育教學(xué)輔助儀器使用的現(xiàn)狀進(jìn)行深入調(diào)查，并結(jié)合聽障學(xué)生的身心發(fā)展特點(diǎn)，旨在研發(fā)出適用于聽障學(xué)生掌握音樂技能的無線電控制系統(tǒng)，以幫助其更好地參與及享受體育活動(dòng)的過程，并促進(jìn)聽障學(xué)生盡快掌握音樂變化特點(diǎn)，在團(tuán)體比賽中正常發(fā)揮并取得優(yōu)異成績(jī)。

1 需求的分析

目前，利用無線電或者其他輔助手段幫助聾啞人“聽”到音樂節(jié)奏或者感悟到體育活動(dòng)魅力的國(guó)內(nèi)相關(guān)文獻(xiàn)并不多。有文獻(xiàn)[3]闡述了實(shí)現(xiàn)手語翻譯器設(shè)計(jì)的相關(guān)技術(shù)手段，最終設(shè)計(jì)出一款通過還原自然語音，面對(duì)面的交流感官體驗(yàn)，幫助聽力言語障礙者實(shí)現(xiàn)與健聽者間的信息和情緒傳遞的手語翻譯器。另有文獻(xiàn)[4]基于D-S證據(jù)理論的分析方法，為體育器材的評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)構(gòu)建了一個(gè)評(píng)價(jià)模型，并建立了一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，運(yùn)用該模型評(píng)價(jià)自行研發(fā)的聾人籃球遙控發(fā)光提示器，整個(gè)過程為我國(guó)體育器材研發(fā)中的評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)，提供了一種新的思路和方法。還可以結(jié)合特教工作實(shí)踐，分析傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀和不足，闡述智能計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)的多個(gè)應(yīng)用技術(shù)對(duì)聽力障礙學(xué)前兒童語言康復(fù)訓(xùn)練工作的改進(jìn)[5]。

目前在國(guó)內(nèi)的體育訓(xùn)練中開始逐漸引進(jìn)新的技術(shù)，傳統(tǒng)的教練方式逐漸被取代[6-9]。在普通教學(xué)環(huán)境中，大量的教學(xué)信息通過語音形式傳遞，由于聽障生接受語音信息的困難，因此如何將語音信息轉(zhuǎn)化為聽障生可以接收的視覺信息就成為教學(xué)中十分重要的問題。聽障學(xué)生因?yàn)槁犃κ芟?，無法感受到音樂節(jié)奏的快慢與變化，更無法獨(dú)自完成有音樂伴奏下的舞蹈動(dòng)作[10]。

音樂律動(dòng)在特殊學(xué)校是最不可或缺的一門課程，因?qū)W生存在有不同程度上的功能障礙，所以選擇動(dòng)作較為簡(jiǎn)單，通常是在音樂的伴奏下，以有節(jié)奏的跳動(dòng)、有規(guī)律的運(yùn)動(dòng)為主，更強(qiáng)調(diào)音樂、舞蹈基本動(dòng)作與游戲的結(jié)合。律動(dòng)以對(duì)特殊兒童缺陷的最大程度補(bǔ)償為目的，有利于他們潛力的發(fā)揮，按照全面協(xié)調(diào)發(fā)展特殊兒童身心的要求，達(dá)到康復(fù)矯正及增進(jìn)健康的目的，最終使他們?cè)鲩L(zhǎng)知識(shí)、獲得技能、完善人格，增強(qiáng)社會(huì)適應(yīng)能力，在特殊教育學(xué)校實(shí)施全面發(fā)展的教育過程中具有舉足輕重的地位[11-15]。

2 控制系統(tǒng)的組成

整個(gè)控制系統(tǒng)由主機(jī)Host和多個(gè)從機(jī)SlaveN構(gòu)成，主機(jī)和各從機(jī)之間采用wifi數(shù)字無線傳輸信息，如圖1所示。主機(jī)的主要功能是從音樂中提取音樂節(jié)拍信號(hào)然后通過wifi發(fā)送給各個(gè)從機(jī)；而每個(gè)從機(jī)由wifi接收模塊接收主機(jī)發(fā)來的節(jié)拍信號(hào)，然后按節(jié)拍來振動(dòng)電機(jī)使之振動(dòng)。微型振動(dòng)電機(jī)安裝在一塊仿生貼片上，并粘貼在聽障學(xué)生身體皮膚表面對(duì)振動(dòng)敏感的部位，利用皮膚節(jié)拍振動(dòng)的觸覺特性，使聽障學(xué)生能感知音樂節(jié)奏信息，從而達(dá)到隨著音樂節(jié)奏起舞。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 音樂節(jié)拍的提取與發(fā)送

3.1 主機(jī)Host

主機(jī)Host由音樂播放器、節(jié)拍提取模塊、單片機(jī)、網(wǎng)路接口和無線路由器構(gòu)成，如圖2所示。

3.2 音樂播放器

音樂播放器可以為CD機(jī)或MP3播放器，向主機(jī)提供音樂源。

3.3 音樂節(jié)拍提取模塊

音樂節(jié)拍是樂曲中表示固定單位時(shí)值和強(qiáng)弱規(guī)律的組織形式，亦稱拍子。它有兩個(gè)特性：周期性和連續(xù)性。節(jié)拍周期性表現(xiàn)為節(jié)拍結(jié)構(gòu)，是樂曲中周期性出現(xiàn)的節(jié)奏序列。節(jié)拍連續(xù)性表現(xiàn)為音樂的平均速度，其單位為bpm（beat per minute每分鐘音樂節(jié)拍的個(gè)數(shù)）。

音樂節(jié)拍跟蹤是指人們?cè)诼犚魳窌r(shí)不由自主的跟著節(jié)拍拍手或跺腳的一個(gè)過程。實(shí)時(shí)跟蹤音樂節(jié)拍是人類的一種自然能力。人們?cè)诼犚魳窌r(shí)會(huì)本能地識(shí)別音樂的節(jié)拍，經(jīng)常邊聽音樂邊踏腳、拍手或點(diǎn)頭，跟著節(jié)拍舞動(dòng)。

圖2 主機(jī)Host

本音樂節(jié)拍提取模塊采用迪斯比公司的CBT4模塊。該模塊內(nèi)部包含32位DSP芯片，晶體振蕩器和音頻模擬信號(hào)輸入電路，采用利用自相關(guān)相位分析音樂節(jié)拍結(jié)構(gòu)及音樂速度，其次在音樂速度的基礎(chǔ)上利用動(dòng)態(tài)規(guī)劃思想進(jìn)行音樂節(jié)拍實(shí)時(shí)跟蹤，并由S1～S4引腳給出節(jié)拍脈沖。S1～S3驅(qū)動(dòng)3個(gè)LED，用于燈光控制，按音樂節(jié)拍同步翻轉(zhuǎn)或閃爍。S4以外部中斷方式向89C51單片機(jī)提供節(jié)拍信號(hào)。CBT4有麥克風(fēng)（MIC）和線路輸入（Line In）兩種音源輸入方式。對(duì)麥克風(fēng)信號(hào)輸入，內(nèi)部提供駐極體話筒偏置電路；對(duì)線路信號(hào)輸入，提供線路檢測(cè)功能，系統(tǒng)能判斷是否插入線路輸入插頭。

CBT4與單片機(jī)的命令傳輸采用異步串行通信方式。

3.4 wifi無線發(fā)送控制

本系統(tǒng)采用wifi無線路由器來實(shí)現(xiàn)節(jié)拍無線發(fā)送，并MCS51系列89C51單片機(jī)控制[16]，而89C51單片機(jī)與無線路由器之間采用網(wǎng)線連接，因此增加一個(gè)ENC28J60網(wǎng)線接口。

ENC28J60是一個(gè)完整的以太網(wǎng)控制器，包含MAC和10BASE-TPHY。ENC28J60符合IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)。該模塊只有28個(gè)引腳，大大簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。

4 節(jié)拍的接收和振動(dòng)

從機(jī)Slave由ESP8266 wifi模塊、電機(jī)驅(qū)器和振動(dòng)電機(jī)組成。如圖3所示。

圖3 從機(jī)Slave

其中wifi模塊ESP8266內(nèi)置Tensilica L10632位微型控制器（MCU），具有超低功耗和16位RSIC，時(shí)鐘速度最高可達(dá)160 MHz，片上集成了射頻balun、功率放大器、低噪放大器、過濾器和電源管理模塊等。支持RTOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。該wifi模塊支持802.11b/g/n協(xié)議，板載PCB天線，socket支持TCP server，TCP client和UDP通信方式，本系統(tǒng)采用UDP通信方式。

ESP8266是專為移動(dòng)設(shè)備、可穿戴電子產(chǎn)品和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)，通過多項(xiàng)專有技術(shù)實(shí)現(xiàn)了超低功耗。ESP8266具有的省電模式適用于各種低功耗應(yīng)用場(chǎng)景。wifi模塊接收到的節(jié)拍信號(hào)，經(jīng)解碼后由ESP8266的GPIO_0輸出振動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)脈沖，通過NPN三極管驅(qū)動(dòng)振動(dòng)電機(jī)，使產(chǎn)生振動(dòng)。并聯(lián)在線圈振動(dòng)電機(jī)兩端續(xù)流二極管D，是在三極管由導(dǎo)通到截至?xí)r，防止電機(jī)線圈兩端反向感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)擊穿NPN三極管。

振動(dòng)器采用微型采用偏心電機(jī)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。

該振動(dòng)電機(jī)僅為鈕扣尺寸，振動(dòng)方向?yàn)樯舷抡駝?dòng)，+3～+6 V寬范圍電源電壓，功耗極低，非常適合應(yīng)用于可穿戴設(shè)備。振動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為11000 rpm，即振動(dòng)頻率為183 Hz，實(shí)驗(yàn)證明人體皮膚對(duì)此頻率最為敏感。由于電機(jī)啟動(dòng)停止有慣性，實(shí)測(cè)響應(yīng)特性如圖5所示。通常音樂的節(jié)拍周期大約1～2秒，通過改變節(jié)拍脈沖的占空比來調(diào)整皮膚觸覺的靈敏度。實(shí)測(cè)表明，振動(dòng)電機(jī)的啟動(dòng)延遲時(shí)間約為10 ms，停止的衰減時(shí)間約為4 ms，對(duì)節(jié)拍傳輸會(huì)產(chǎn)生一些延遲，由于延遲時(shí)間很短，這個(gè)影響可以忽略不計(jì)。

圖4 振動(dòng)電機(jī)

圖5 振動(dòng)電機(jī)的響應(yīng)特性

振動(dòng)電機(jī)裝在仿生貼片中，并粘貼在聽障學(xué)生身體的敏感部位。貼片由乳膠作為材料，可為圓型方形，在粗糙和細(xì)膩的皮膚表面均具有可逆、可重復(fù)的強(qiáng)膠粘性。要求舒適，皮膚不會(huì)產(chǎn)生過敏。

5 應(yīng)用效益分析

5.1 學(xué)生的滿意程度

實(shí)驗(yàn)組通過音樂節(jié)拍的輔助訓(xùn)練，有90%的學(xué)生對(duì)體育課感到非常滿意或基本滿意，僅10%的學(xué)生感到不滿意和很不滿意；而對(duì)照組僅44%的學(xué)生對(duì)體育課感到非常滿意或基本滿意，58%的學(xué)生感到不滿意甚至是很不滿意。由此可知，通過加入音樂節(jié)拍的輔助訓(xùn)練后，學(xué)生對(duì)運(yùn)動(dòng)舞蹈課的滿意程度明顯加強(qiáng)。

5.2 學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

如圖6所示，實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組在實(shí)驗(yàn)前學(xué)習(xí)興趣并無差異，經(jīng)過為期6個(gè)月的試戴實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)組比對(duì)照組學(xué)習(xí)興趣提高明顯，充分說明了音樂節(jié)拍的輔助訓(xùn)練對(duì)提升聽障學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣有著重要的影響。

圖6 學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的對(duì)比

5.3 學(xué)生學(xué)習(xí)及競(jìng)賽成績(jī)的提高

本實(shí)驗(yàn)對(duì)于學(xué)生學(xué)習(xí)成績(jī)的研究，主要以運(yùn)動(dòng)舞蹈項(xiàng)目為主，學(xué)生通過學(xué)習(xí)運(yùn)動(dòng)舞蹈三級(jí)規(guī)定套路，試驗(yàn)后由5名運(yùn)動(dòng)舞蹈一級(jí)裁判對(duì)每位同學(xué)的表現(xiàn)進(jìn)行評(píng)分，評(píng)分采取A、B、C、D的等級(jí)評(píng)分。如圖7所示，試驗(yàn)后實(shí)驗(yàn)組A等級(jí)占64%，B等級(jí)占24%，而C等級(jí)僅占8%。而對(duì)照組僅36%、32%的學(xué)生獲得A、B等級(jí)，且有20%的學(xué)生獲得C等級(jí)、12%為D等級(jí)。

圖7 試驗(yàn)后學(xué)生學(xué)習(xí)成績(jī)對(duì)比

通過為期半年攜帶音樂節(jié)拍的輔助訓(xùn)練，啟聰學(xué)校運(yùn)動(dòng)舞蹈隊(duì)在2017全國(guó)全民健身操舞的比賽中取得奧林匹克組別的金獎(jiǎng)，獲得了理想的成績(jī)。學(xué)生普遍反映通過攜帶輔助儀器訓(xùn)練，能迅速理解到音樂節(jié)奏和強(qiáng)弱的變化。同時(shí)，對(duì)于不同隊(duì)形的轉(zhuǎn)換與展現(xiàn)、運(yùn)動(dòng)員之間的相互協(xié)調(diào)與配合、團(tuán)隊(duì)的組織與凝聚力等方面有更深的感悟和體會(huì)。

6 結(jié)論

文中從無線控制系統(tǒng)技術(shù)的概念、硬件、軟件和應(yīng)用等方面闡述了音樂節(jié)奏無線控制系統(tǒng)技術(shù)在聽障學(xué)生運(yùn)動(dòng)舞蹈中應(yīng)用的可行性及其重要意義，利用皮膚節(jié)拍振動(dòng)的觸覺特性，使聽障學(xué)生能感知音樂節(jié)奏信息，從而按照一定的音樂節(jié)奏集體完成運(yùn)動(dòng)舞蹈。經(jīng)過為期一個(gè)學(xué)期的試戴，不僅提高了教學(xué)效率和學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)為我國(guó)特殊學(xué)生運(yùn)動(dòng)舞蹈訓(xùn)練的智能化發(fā)展提供創(chuàng)新型方法，最終為實(shí)現(xiàn)我國(guó)特殊學(xué)生參與體育訓(xùn)練的多元化發(fā)展形成積極的影響。