英文原文：A complete project with Ardu
参与翻译(3人)：realZ, LeoXu, Ley

介绍：
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我有一个上小学的女儿. 作为一位父亲，当然该负起责任. 我喜欢自己作为父亲的角色，对此我毫无疑问. 但因此所带给我的困扰则是无止境的数学学习事务. 有时候这真的让我很头疼. 2+2, 5+6, 4+3,一遍又一遍. 那才刚开始呢, 现在又多了减法: 5-4, 10-4 .. 而每个人都知道这是没有结束可言的. 我抱怨的够多了，因而决定利用此项技术. 你知道的，技术为人而生, 而现在是为我而存在. 到这里来，我亲爱的 Arduino, 我需要你.

在最开始的时候，我希望这个项目能很容易实现. 我预计所有需要做的事情就是写一些函数来展示一些数字，并且为了根据趣味性，也许要来点蜂鸣声和一些LED灯光. 然后，情况在我开始精心考虑它的时候发生了改变, 出现了一些硬件管理问题, 然后是内容管理问题. 我们这个小小的 Arduino 应用程序变成了一个认真把握的东西，这导致我写下了这篇文章. 让我们先从需求开始吧.

计划需求：
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• 系统可以显示一个菜单，提供一些基本的操作：加、减、乘、除 。
• 用户（我的女儿）可以用键盘从菜单上选择一种算数运算来学习。
• 会有一些难度级别：在选择运算后，难度级别会显示出来。
• 根据选择的难度级别，会随机显示出一些问题，用户可以用键盘回答这些问题。
• 用户可以在确认前修改自己的答案。
• 在确认答案后，根据正确与否会显示出一条信息。
• 如果三次答错，将会显示出正确答案。
• 用户可以浏览菜单（点开菜单并选择菜单项）。
• 系统应具有音频和视频警告API，错误信息可以通过该API发送。
• 每种算术运算有一个限时小测环节。
• 限时小测随机从简到难给出问题。  
• 测试后会显示出统计数据（回答了多少题目，答对了多少题目）。
• 在用户接近时系统可以引起她的注意。
• 可以有一些数学以外的娱乐环节，比如让她唱首歌、亲自己的爸爸等等。如果不这么做，用户将无法继续使用系统。
• 警告API可以用来在娱乐环节做一些有趣的事情。
  
  
  

硬件 ：
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我们在这个项目中需要什么：

• Arduino Mega
• 字符液晶面板（Serial LCD）
• 矩阵键盘
• 模拟键盘
• PIR运动传感器
• LED 和 400欧姆电阻
• 数字蜂鸣模块
• 连接线
  
  
  

看看下面的硬件设计：

注意一些和上面不匹配的部分：

• LCD应该是字符LCD。
• Arduino UNO应该用Mega替代。
  
  
  

(我用Arduino UNO开启了这个项目，但是因为内存的需要后来改用Arduino Mega继续这个项目。开始的时候，Arduino UNO工作的很好。但是，当代码量增加，我无法将RAM使用量控制在Arduino UNO的容量之内，然后就想你所想的，我最终启用了Arduino Mega，它有8K的SRAM。)

软件设计：
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图1：设计的概览

系统被分为2个主要部分。就像你在图1中看到的，第一个模块负责硬件的管理。

• 输入系统：我们有两个不同的键盘，他们被统一在一起，对外提供统一的接口。统一的键盘信息将在（矩阵键盘或模拟键盘上的）任何按键被按下时告知注册的客户端。
• 输出系统：具有附加功能的字符液晶面板。
• 发信系统：统一发信子系统。它由一个LED和一个数字蜂鸣器组成，它将不同的信号转化为目标客户端的编码。它将不同的信号转换为客户端代码，客户端代码可以根据需求运行各种代码。
• 运动检测：用PIR传感器实现运动检测。当有人被检测到，它触发一个信号来引起注意。
  
  
  

表现层负责与用户的交互。它包含图形界面的处理（菜单和页面）并包含管理子系统。

• UI管理：在这个子系统中，我们定义了图像对象。一个菜单列表被显示出来供用户选择。一个菜单项可以显示出子菜单或者一个页面。用户可以通过输入显示在其上的索引来选择菜单项。通过按'Escape'键来返回上级菜单。如果一个菜单项是一个页面，选择后将会将这个页面显示出来。页面可以显示出其上面的信息，并等待用户输入来改变它的内容，此时按下'Escape'键就会显示出用户菜单。如果用户输入错误，可以通过按'Backspace'键删除答案。根据答案的正确与否，相应的信号将会被触发。
• 内容管理：这个子系统提供显示在屏幕上的内容，包括各种算术运算的各种难度级别的生成算法。客户端代码（页面）会向这个子系统请求内容。
  
  
  

简单的类框图如下。这些图像展示了基本的框架，帮助你更容易的理解实际的类实现。

硬件管理:
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MFK_InputDevice将Keypad2和AdKeyboard统一为同一个接口。它处理它们的事件，并向其客户端提供一组新的编码，如下所示。

图2：输入子系统

按键映射：

Keypad	Button	Key	Value (hex)
Matrix	0	'0'	0x30
Matrix	1	'1'	0x31
Matrix	2	'2'	0x32
Matrix	3	'3'	0x33
Matrix	4	'4'	0x34
Matrix	5	'5'	0x35
Matrix	6	'6'	0x36
Matrix	7	'7'	0x37
Matrix	8	'8'	0x38
Matrix	9	'9'	0x39
Matrix	*	Escape	0x1B
Matrix	#	Enter	0x0D
AD	S1	Backspace	0x08
AD	S2	F1	0x80
AD	S3	F2	0x81
AD	S4	F3	0x82
AD	S5	F4	0x83

MFK_OutputDevice继承自SerialLCD类。它结合SerialLCD类的功能，并对其进行了增强。

图3：输出子系统

一个信号模式从信号源产生。一个模式连同它的索引被储存在信号控制器中。想要启动一个信号模式非常简单，只要用它的索引从信号控制器调用它。

图4：发信系统

在硬件管理层顶层的是MFK_Hardware类。它只会所有其他硬件设备，对客户端隐藏多余的复杂性。举例来说，PIRMotionandSignalController没有被暴露给客户端。但是输入和输出设备必须要向外界开放，因为UI系统需要对这些功能的直接访问。信号模式也是在这个类里构建的，可以通过索引来访问他们。

图5：硬件管理

表现层：
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这一层负责与用户进行交互，它提供了视觉元素和内容。

ContentFactory根据toContentTypeEnum和ContentLevelEnum创建ContentProviders。客户端得到ContentFactory的实例，之后他可以请求一个content provider。

图6：内容管理

VisualItem是所有的视觉元素（菜单和页面）的基类。它还将硬件管理和呈现结合起来。'show' 和'msgbox'方法通过调用和回调VisualItem提供的方法使用输出设备(MFK_OutputDevice)和输入设备(MFK_InputDevice) 。'msgbox'方法也有能力启动一个信号模式，只要调用硬件(MFK_Hardware)的'signal'方法就可以了。

菜单就像他的名字一样，提供了一系列的菜单项可以选择。用户可以通过一个菜单项前面的索引选择它，然后菜单 'show' VisualItem。

Pageis是显示内容的视觉工具。除了娱乐内容，它会等待用户的输入。用户'Enter'她的答案，显示信息告知她对错。显示信息之后，就需要从内容管理获取新的内容。

Chapter是ContentProvider和Page之间的中间类。当一个页面被第一次显示时，与其相关的chapter和ContentProvider就会被创建。用户的答案直接由chapter处理，并由chapter判断其对错。Chapter也对页面内的学习会话进行统计。FunChapter是一种不向用户要求答案的chapter，QuizChapter是限时的chapter。在一个quiz chapter中，问题只有在时间截止之前才能回答。

图7：UI管理

实现：
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我希望你已经清楚了系统的通用结构。现在，是时候深入到代码中去，那里是真正的乐趣开始的地方。

我想以MathForKid.ino开始。它是上传到Arduino主板上的主要代码。

1. // File: MathForKid.ino
   
2. // hardware management
   
3. MFK_Hardware* hw;
   
4.   
   
5. // presentation
   
6. Menu* mainMenu;
   
7.   
   
8. void setup() {
   
9.     // for debugging purposes
   
10.     Serial.begin(9600);
    
11.    
    
12.     // get the instance and initialize it
    
13.     hw = MFK_Hardware::getInstance();
    
14.     hw->begin();
    
15.   
    
16.     // create user interface
    
17.     CreateUI();
    
18.     // show the main menu
    
19.     mainMenu->show();
    
20. }
    
21.   
    
22. void loop() {
    
23.     // update hardware
    
24.     hw->update();
    
25.      
    
26.     // update active visual item
    
27.     VisualItem *v = VisualItem::getActiveItem();
    
28.     if(v!=NULL)
    
29.         v->update();
    
30. }

复制代码

就这么多。在Arduino上运行你的应用吧。好吧，也许解释一下会更好。

正如我在“软件设计”那部分开头所说的，我们有两个部分：一个用来硬件管理，另一个用来展示。它们在代码顶部定义为全局变量，我们在 'setup'函数中将它们初始化。'loop'函数调用代码来更新它们。

事实上，CreateUI方法也是在这个文件中实现的。当用户开始交互时，它创建用户接口。mainMenu、所有的子菜单和一切页面都是这个方法产生的，chapter的属性也是其赋予的。

1. void CreateUI() {
   
2.     mainMenu = new Menu("main");
   
3.   
   
4.     // addition
   
5.     Menu* m = new Menu("+");
   
6.     mainMenu->addMenuItem(m);
   
7.   
   
8.     // level-1 page
   
9.     Page* p = new Page("L1");
   
10.     p->setChapterProperties(Chapter::NormalChapter, \
    
11.             ContentFactory::Addition, ContentFactory::Level1Content);
    
12.     m->addMenuItem(p);
    
13.   
    
14.     // level-2 page
    
15.     p = new Page("L2");
    
16.     p->setChapterProperties(Chapter::NormalChapter, \
    
17.             ContentFactory::Addition, ContentFactory::Level2Content);
    
18.     m->addMenuItem(p);
    
19. ...

复制代码

我们接着来看这个应用的设计模式。

就像你所想的，MFK_Hardware是Facade模式的一个例子。它将底层的硬件管理问题隐藏起来，并对客户端提供了干净的接口。它同时也是 Singleton模式的代表，因为整个系统运行时其只产生一个实例。为了实现这个功能，MFK_Hardware的构造器、复制和赋值操作都被声明为私有方法。

1. // File: MFK_Hardware.h
   
2. // private constructor to achieve singleton pattern
   
3.     MFK_Hardware();
   
4.     MFK_Hardware(MFK_Hardware const&); // copy disabled
   
5.     void operator=(MFK_Hardware const&); // assigment disabled

复制代码

你只能通过getInstance静态方法访问它们，这个方法是公共的：

1. // File: MFK_Hardware.h
   
2. // static method to get the instance
   
3.     static MFK_Hardware* getInstance() {
   
4.         static MFK_Hardware hw;
   
5.         return &hw;
   
6.     };

复制代码

MFK_InputDevice也是Facade模式的一个好例子。它将两个不同的输入设备（矩阵键盘和模拟键盘）映射为同一个设备。不止这样，它还具有Observer模式的特征。它是MFK_InputDeviceClient类型的ClientOwner，客户端可以在MFK_InputDeviceClient中注册/注销其对MFK_InputDevice的监听。这样，当状态变化的时候（在这里就是按键被按下），所有的客户端都会被告知。我在这个项目的很多地方都使用了这个模式。

1. // File: MFK_InputDevice.h
   
2. template<>
   
3. class MFK_InputDevice<MFK_InputDeviceClient>:
   
4.     public ClientOwner<MFK_InputDeviceClient> {
   
5. private:
   
6.     ...
   
7.     // informs registered clients
   
8.     void informClients(char);

复制代码

1. // File: MFK_InputDevice.cpp
   
2. void MFK_InputDevice<MFK_InputDeviceClient>::informClients(char c) {
   
3.     for(int i=0; i<5; i++) {
   
4.         if(this->client[i]!=NULL)
   
5.             this->client[i]->invokeMFKInputCallback(c);
   
6.     }
   
7. }

复制代码

ClientOwner实现了register/unregister功能。一个MFK_InputDeviceClient重载invokeMFKInputCallback回调方法并将其自己注册到ClientOwner。之后MFK_InputDevice可以通过它提供的回调方法告知它状态的变化。VisualItem继承了MFK_InputDeviceClient，因此一个visual item可以将自己注册到MFK_InputDevice并监听输入。

ContentFactory类和ContentProvider类也有一些有趣的属性。ContentFactory是一个Singleton，它也有Factory模式的特征。它为客户端产生内容。但ContentProvider的输出依赖于客户端的请求。

1. // File: ContentFactory.cpp
   
2. ContentProvider* ContentFactory::getContentProvider(ContentTypeEnum op,\
   
3.         ContentLevelEnum level) {
   
4.     if(this->contentProvider[op][level] != NULL)
   
5.         return this->contentProvider[op][level];
   
6.   
   
7.     ContentProvider *p=NULL;
   
8.   
   
9.     switch(op) {
   
10.         case Addition:
    
11.             switch(level) {
    
12.                 case Level1Content:
    
13.                     p = new ContentProvider(ContentP_0_0);
    
14.                     break;
    
15. ...
    
16.     return p;
    
17. }

复制代码

ContentProvider类和Capter类可以被当做Strategy模式的一个例子。一个content provider在一个chapter环境下运行。ContentProvider通过为不同实例准备的算法提供信息（在这里就是问题和答案）。

1. // File: Chapter.cpp
   
2. char* Chapter::next() {
   
3.     char *retval=NULL;
   
4. ...
   
5.     retval = this->contentP[0]->getContent(Chapter::CONTENT, \
   
6.                     Chapter::ANSWER);
   
7. ...
   
8.     return retval;
   
9. }

复制代码

总结：
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你懂的，开发应用不只是敲代码。好的需求带来好的设计，好的设计带来好的软件。什么是好？这在很多软件工程的书中都有回答（这不是本文的主题）。为了更好地开发软件，我们需要知道设计模式。（顺便问一句，这段中一共出现了多少个好呢？）

设计模式，像它的名字一样，概括了一类问题的解决方案。因此，不要再造轮子了，为了更好的工作，我们需要有关设计模式的基础知识。

但是，将设计模式应用到一个问题上比看起来的要难。你不能让问题去适应模式，如果你改变原有问题那只会让你的软件变得更糟。我所做的，就是对模式进行修改，让它适应我的需求。如果当前问题不需要一种结构，我不会为未来的预期设想对结构做任何改动。你可能会觉得这很显然，但是我已经见过很多项目就是因为这个原因延期了。在软件开发中，时间代表金钱，时间就等于金钱。你做多余的事情就意味着金钱的损失，对你和客户都一样。

我会继续研究这个项目。我知道一些部分可以做的更好，如果你有任何建议我非常欢迎。（娱乐环节还没有做，不是flash library就是我代码中的调用有问题，所以我没能完成它）

参考资料：
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• http://www.dofactory.com/Patterns/Patterns.aspx
• http://www.cplusplus.com/doc/tutorial/
• http://arduino.cc/
• http://arduiniana.org/libraries/flash/
  
  
  

发布历史：
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这是一个进行中的项目。源代码在文章发布后有所改动，你可以在https://github.com/ozanoner/arduino下载到最新的版本。

本文转载自：开源中国社区

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