听障学生音乐节拍训练无线控制系统设计

杜熙茹 ，谷海玲 ，王巧珍 ，黄 秋

（1.广州体育学院体育艺术学院，广东广州510610；2.广东省电子职业技术学校广东广州510505）

在社会高速发展的今天，青少年的教育方法受到了越来越多的重视，而特殊教育以其独特的意义和价值近年来同样受到了广泛的社会关注。在对听力障碍中学生社会支持和生命意义的关系调查中得出：有59.7%的听力障碍中学生明显缺乏生命意义感[1]。听障儿童作为一个比较特殊的群体，在社会上往往处于弱势，然而其身心发展和正常儿童没有实质上的区别[2]。

文中通过对当前广东省聋哑学校的体育教学辅助仪器使用的现状进行深入调查，并结合听障学生的身心发展特点，旨在研发出适用于听障学生掌握音乐技能的无线电控制系统，以帮助其更好地参与及享受体育活动的过程，并促进听障学生尽快掌握音乐变化特点，在团体比赛中正常发挥并取得优异成绩。

1 需求的分析

目前，利用无线电或者其他辅助手段帮助聋哑人“听”到音乐节奏或者感悟到体育活动魅力的国内相关文献并不多。有文献[3]阐述了实现手语翻译器设计的相关技术手段，最终设计出一款通过还原自然语音，面对面的交流感官体验，帮助听力言语障碍者实现与健听者间的信息和情绪传递的手语翻译器。另有文献[4]基于D-S证据理论的分析方法，为体育器材的评价环节构建了一个评价模型，并建立了一个评价指标体系，运用该模型评价自行研发的聋人篮球遥控发光提示器，整个过程为我国体育器材研发中的评价环节，提供了一种新的思路和方法。还可以结合特教工作实践，分析传统计算机辅助教学技术的应用现状和不足，阐述智能计算机辅助教学的多个应用技术对听力障碍学前儿童语言康复训练工作的改进[5]。

目前在国内的体育训练中开始逐渐引进新的技术，传统的教练方式逐渐被取代[6-9]。在普通教学环境中，大量的教学信息通过语音形式传递，由于听障生接受语音信息的困难，因此如何将语音信息转化为听障生可以接收的视觉信息就成为教学中十分重要的问题。听障学生因为听力受限，无法感受到音乐节奏的快慢与变化，更无法独自完成有音乐伴奏下的舞蹈动作[10]。

音乐律动在特殊学校是最不可或缺的一门课程，因学生存在有不同程度上的功能障碍，所以选择动作较为简单，通常是在音乐的伴奏下，以有节奏的跳动、有规律的运动为主，更强调音乐、舞蹈基本动作与游戏的结合。律动以对特殊儿童缺陷的最大程度补偿为目的，有利于他们潜力的发挥，按照全面协调发展特殊儿童身心的要求，达到康复矫正及增进健康的目的，最终使他们增长知识、获得技能、完善人格，增强社会适应能力，在特殊教育学校实施全面发展的教育过程中具有举足轻重的地位[11-15]。

2 控制系统的组成

整个控制系统由主机Host和多个从机SlaveN构成，主机和各从机之间采用wifi数字无线传输信息，如图1所示。主机的主要功能是从音乐中提取音乐节拍信号然后通过wifi发送给各个从机；而每个从机由wifi接收模块接收主机发来的节拍信号，然后按节拍来振动电机使之振动。微型振动电机安装在一块仿生贴片上，并粘贴在听障学生身体皮肤表面对振动敏感的部位，利用皮肤节拍振动的触觉特性，使听障学生能感知音乐节奏信息，从而达到随着音乐节奏起舞。

图1 系统结构

3 音乐节拍的提取与发送

3.1 主机Host

主机Host由音乐播放器、节拍提取模块、单片机、网路接口和无线路由器构成，如图2所示。

3.2 音乐播放器

音乐播放器可以为CD机或MP3播放器，向主机提供音乐源。

3.3 音乐节拍提取模块

音乐节拍是乐曲中表示固定单位时值和强弱规律的组织形式，亦称拍子。它有两个特性：周期性和连续性。节拍周期性表现为节拍结构，是乐曲中周期性出现的节奏序列。节拍连续性表现为音乐的平均速度，其单位为bpm（beat per minute每分钟音乐节拍的个数）。

音乐节拍跟踪是指人们在听音乐时不由自主的跟着节拍拍手或跺脚的一个过程。实时跟踪音乐节拍是人类的一种自然能力。人们在听音乐时会本能地识别音乐的节拍，经常边听音乐边踏脚、拍手或点头，跟着节拍舞动。

图2 主机Host

本音乐节拍提取模块采用迪斯比公司的CBT4模块。该模块内部包含32位DSP芯片，晶体振荡器和音频模拟信号输入电路，采用利用自相关相位分析音乐节拍结构及音乐速度，其次在音乐速度的基础上利用动态规划思想进行音乐节拍实时跟踪，并由S1～S4引脚给出节拍脉冲。S1～S3驱动3个LED，用于灯光控制，按音乐节拍同步翻转或闪烁。S4以外部中断方式向89C51单片机提供节拍信号。CBT4有麦克风（MIC）和线路输入（Line In）两种音源输入方式。对麦克风信号输入，内部提供驻极体话筒偏置电路；对线路信号输入，提供线路检测功能，系统能判断是否插入线路输入插头。

CBT4与单片机的命令传输采用异步串行通信方式。

3.4 wifi无线发送控制

本系统采用wifi无线路由器来实现节拍无线发送，并MCS51系列89C51单片机控制[16]，而89C51单片机与无线路由器之间采用网线连接，因此增加一个ENC28J60网线接口。

ENC28J60是一个完整的以太网控制器，包含MAC和10BASE-TPHY。ENC28J60符合IEEE802.3标准。该模块只有28个引脚，大大简化设计。

4 节拍的接收和振动

从机Slave由ESP8266 wifi模块、电机驱器和振动电机组成。如图3所示。

图3 从机Slave

其中wifi模块ESP8266内置Tensilica L10632位微型控制器（MCU），具有超低功耗和16位RSIC，时钟速度最高可达160 MHz，片上集成了射频balun、功率放大器、低噪放大器、过滤器和电源管理模块等。支持RTOS实时操作系统。该wifi模块支持802.11b/g/n协议，板载PCB天线，socket支持TCP server，TCP client和UDP通信方式，本系统采用UDP通信方式。

ESP8266是专为移动设备、可穿戴电子产品和物联网应用而设计，通过多项专有技术实现了超低功耗。ESP8266具有的省电模式适用于各种低功耗应用场景。wifi模块接收到的节拍信号，经解码后由ESP8266的GPIO_0输出振动电机驱动脉冲，通过NPN三极管驱动振动电机，使产生振动。并联在线圈振动电机两端续流二极管D，是在三极管由导通到截至时，防止电机线圈两端反向感应电动势击穿NPN三极管。

振动器采用微型采用偏心电机，内部结构如图4所示。

该振动电机仅为钮扣尺寸，振动方向为上下振动，+3～+6 V宽范围电源电压，功耗极低，非常适合应用于可穿戴设备。振动电机转速为11000 rpm，即振动频率为183 Hz，实验证明人体皮肤对此频率最为敏感。由于电机启动停止有惯性，实测响应特性如图5所示。通常音乐的节拍周期大约1～2秒，通过改变节拍脉冲的占空比来调整皮肤触觉的灵敏度。实测表明，振动电机的启动延迟时间约为10 ms，停止的衰减时间约为4 ms，对节拍传输会产生一些延迟，由于延迟时间很短，这个影响可以忽略不计。

图4 振动电机

图5 振动电机的响应特性

振动电机装在仿生贴片中，并粘贴在听障学生身体的敏感部位。贴片由乳胶作为材料，可为圆型方形，在粗糙和细腻的皮肤表面均具有可逆、可重复的强胶粘性。要求舒适，皮肤不会产生过敏。

5 应用效益分析

5.1 学生的满意程度

实验组通过音乐节拍的辅助训练，有90%的学生对体育课感到非常满意或基本满意，仅10%的学生感到不满意和很不满意；而对照组仅44%的学生对体育课感到非常满意或基本满意，58%的学生感到不满意甚至是很不满意。由此可知，通过加入音乐节拍的辅助训练后，学生对运动舞蹈课的满意程度明显加强。

5.2 学生的学习兴趣

如图6所示，实验组和对照组在实验前学习兴趣并无差异，经过为期6个月的试戴实验，实验组比对照组学习兴趣提高明显，充分说明了音乐节拍的辅助训练对提升听障学生的学习兴趣有着重要的影响。

图6 学生学习兴趣的对比

5.3 学生学习及竞赛成绩的提高

本实验对于学生学习成绩的研究，主要以运动舞蹈项目为主，学生通过学习运动舞蹈三级规定套路，试验后由5名运动舞蹈一级裁判对每位同学的表现进行评分，评分采取A、B、C、D的等级评分。如图7所示，试验后实验组A等级占64%，B等级占24%，而C等级仅占8%。而对照组仅36%、32%的学生获得A、B等级，且有20%的学生获得C等级、12%为D等级。

图7 试验后学生学习成绩对比

通过为期半年携带音乐节拍的辅助训练，启聪学校运动舞蹈队在2017全国全民健身操舞的比赛中取得奥林匹克组别的金奖，获得了理想的成绩。学生普遍反映通过携带辅助仪器训练，能迅速理解到音乐节奏和强弱的变化。同时，对于不同队形的转换与展现、运动员之间的相互协调与配合、团队的组织与凝聚力等方面有更深的感悟和体会。

6 结论

文中从无线控制系统技术的概念、硬件、软件和应用等方面阐述了音乐节奏无线控制系统技术在听障学生运动舞蹈中应用的可行性及其重要意义，利用皮肤节拍振动的触觉特性，使听障学生能感知音乐节奏信息，从而按照一定的音乐节奏集体完成运动舞蹈。经过为期一个学期的试戴，不仅提高了教学效率和学习兴趣，同时为我国特殊学生运动舞蹈训练的智能化发展提供创新型方法，最终为实现我国特殊学生参与体育训练的多元化发展形成积极的影响。