构建一款智能设备：通过解答数学和拼写题目，每答对一题就能获得“硬币”

你听说过德拉克马吗?drachmath并不是那种带有…… Lisp语言的古希腊货币，而是一款让孩子在学习数学和拼写的同时赚取零花钱的游戏。

其理念很简单：孩子们解答数学和拼写题目，每答对一题就能获得“硬币”。完成后，孩子展示自己的得分，父母再将这些硬币兑换成现金或其他奖励。交易完成后，设备会重置，游戏重新开始。题目可根据孩子的学习水平进行定制，数量充足，足以让他们持续参与一段时间。在数学方面，支持加法、减法、乘法和除法题目;拼写测试则涵盖希腊语和英语，所用词典存储在microSD卡中。

drachmath的灵感源于我童年时的经历。20世纪90年代，我父亲曾用QBasic为我制作过类似的游戏。每答对一题，我就能获得一个德拉克马。虽然当时我的动机是买糖果，但这个游戏让学习变得有趣，并激励我坚持练习数学和拼写。

30年后的今天，我想创建一个类似的游戏，但根据现代科技以及儿童与技术互动的方式进行了调整。具体来说，我不希望增加孩子们的屏幕使用时间。因此，drachmath 并不是一款可以在手机或电脑上玩的应用程序。

drachmath 运行在 Seeed Studio 的 Wio Terminal 上。Wio Terminal 是一种小型便携设备，配有 TFT 屏幕、按钮和连接功能，可以编程运行各种应用。理论上，drachmath 也可以在更多兼容 Arduino 的设备上运行，但你需要先对代码进行一些小的修改。

单用途设备(如 Wio Terminal)“不能”用于多种用途。至少在孩子们学会自行编程 Wio Terminal 之前是如此，而这个想法本身并不差。我理解有人可能会认为它仍然涉及屏幕。虽然从技术上讲这是正确的，但我认为有必要区分与游戏和社交媒体相关的屏幕，以及作为工具所使用的具体设备和实现目标(即赚取零花钱)的手段。drachmath 不会有任何通知或干扰。

软件

从技术角度来说，drachmath 是一个基于 Arduino(C++)的程序，专为 Wio Terminal 设计运行。它不依赖于定制硬件或 Wio Terminal 的微控制器，因此只需稍作修改，便可移植到其他兼容 Arduino 的设备上。

drachmath 的主要软件组件包括：

- drachmath.ino：游戏的流程逻辑，负责整合游戏的各种功能模块。

- drachmath.hpp：与测验相关的逻辑代码以及大部分跨平台通用代码。

Seeed Studio 的 TFT_eSPI 库：用于驱动 Wio Terminal 的 TFT 显示屏。

- 一个小型补丁，用于实现平滑字体显示：确保希腊字母能够正确显示。您需要将此补丁应用到本地安装的 TFT_eSPI 库中。

•Seeed Studio 的文件系统库：用于读写 SD 卡。

•Seeed Studio 的 SFUD 库：用于读写 SD 卡。

虽然 microSD 卡本身不是软件，但为了使拼写测验正常运行，必须在其中包含以下文件：

- 英语词典

- 希腊语词典

- 希腊语字体

将这些文件放置在格式化为 FAT32 的 microSD 卡根目录下即可正常使用。当然，你可以使用自己的词典和字体，但若想避免修改代码，则格式必须保持一致。

硬件

硬件方面，如果按照我的设置，需要三个组件。附带的链接如下：

Wio终端：设备的“大脑”，运行drachmath程序，并提供屏幕和按钮供用户交互。内置多种传感器，如麦克风、蜂鸣器、IMU(惯性测量单元)、Wi-Fi和蓝牙连接等。

Wio终端机箱电池：可让drachmath在任何地方运行，无需电源插座。内置BQ27441电量计，可在屏幕上显示电池电量。

一张microSD卡：格式为FAT32，用于拼写测验以及持久保存设置。几乎任何大小的存储卡均可使用。如果你只想玩数学测验且不关心保存设置，则无需此卡。

主菜单

主菜单是用户开机后首先看到的内容。用户可通过Wio终端的五向摇杆选择不同的选项。您可以通过按下摇杆向下或按设备顶部最左侧的按钮(Sel)来选择选项。根据设置中当前选中的拼写测验，用户在菜单的第二个条目中将看到“希腊语测验”或“英语测验”。分数虽然不属于主菜单的一部分，但始终显示在屏幕右上角。在其下方，如果使用的是包含BQ27441电量表的Wio终端机箱电池，您还可以看到电池指示灯。

数学测验

数学测验是主菜单中的首选项目，巧合的是也是我最早实现的测验之一。用户会看到一个数学问题和一个数字键盘，用于输入答案。支持加法、减法、乘法和除法运算。目前，答案始终为两个数之间的单一运算结果。所有除法都是整除的，即结果总是整数。

要回答测验，请使用摇杆选择一个数字，然后按下摇杆进入。您最多可以输入4位数字作为答案。如果出错，可按设备顶部的中间按钮(屏幕显示为“Del”)删除最后一个数字。完成后，按下最左侧的按钮(Sel)提交答案。退出测验时，按下右侧按钮(Esc)，即可返回主菜单。

当前得分将显示在右上角，紧邻硬币图标，并位于电池指示器上方(若使用Wio终端机箱电池)。每答对一题，得分加1分。目前错误答案不扣分，但未来可能调整或可通过设置进行配置。退出测验后得分不会重置，会一直保留直到设备被重置或关闭电源。

您可在设置中选择问题难度，具体包括：问题中使用的操作数范围、结果范围以及所用运算类型(加法、减法、乘法和除法)。默认情况下，操作数和结果的最大值均为10，且仅支持加法运算，因此你可能希望增加一些挑战性。

拼写测验(希腊语和英语)

拼写测验是主菜单中的第二个选项，提供希腊语和英语两种语言，默认为希腊语。从代码实现的角度来看，这是最“复杂”的部分，它采用两种不同的方式生成题目。在两个测验中，用户都会看到一个单词，其中有一些字母缺失，但无法明显判断缺少多少个字母。这是有意为之的，因为如果直接显示缺失字母的数量，可能会暴露答案，尤其是在希腊语中。两个测验都使用存储在microSD卡中的词典来生成问题。换句话说，与数学测验不同，拼写测验需要使用microSD卡才能运行。

拼写测验的操作方式与数学测验类似。使用操纵杆来导航键盘并选择字母，Sel键用于输入答案，Del键用于删除最后一个字母。退出测验并返回主菜单时，按下Esc键即可。希腊语测验最多允许2个字母缺失，而英语测验最多允许4个。

希腊语测验使用存储在microSD卡上greek_words.txt文件中的词典。生成问题比英语测验要容易得多。这是因为希腊语中有大量同音词，即发音相同但字母或字母组合(双元音)不同的情况。每当一个希腊单词中出现“ iota”音(例如“see”中的“ee”)，就可能有以下几种合理的拼写方式：ι、η、ει、οι、υ。例如，我的名字Δημήτρης包含三个“iota”音，这些音可以以五种不同方式拼写，但在现代希腊语中发音仍保持一致。此外，与英语不同，大多数情况下，很少有希腊语单词发音相同却拼写不同的情况。这意味着，通常只需给出一个单词而不提供上下文，用户就能正确选择正确的拼写。

一旦从词典中选出一个单词，并确定需要删除的字母后，系统会向用户展示一组可能的语音替代字母键盘。这些替代字母中的任意一个都能产生相同的单词发音，但只有一个才是正确的。以下枚举展示了希腊语测验中生成的不同问题(及替代选项)示例：

希腊语拼写问题主要集中在元音和双元音上，因为它们是造成混淆和错误的最大来源。这意味着你永远不应该遇到字母“α”缺失的情况，因为它的拼写只有一种正确方式。大多数辅音也是如此，但上面提到的希腊语同音词组(GreekHomophoneGroup)中的例外除外。

制作英语测验则完全是另一回事。由于英语拼写比我最初预想的困难得多，而我又不是语言学家，因此我不得不“咨询”一位法学博士来设计英语拼写测验。尽管英语有很多同音词，但如果没有借助语音词典，就很难准确识别它们。简单来说(不深入细节，还记得我不是语言学家吗?)，同一个字母在不同单词中发音可能不同。此外，同一个音素在不同单词中也可能被拼写成不同的形式。这使得我们难以像希腊语测验那样采用相同的方法——即能即时生成一组可能的替代选项。另外，还有许多英语单词听起来几乎一样，但拼写却不同，例如“meat”和“meet”。这意味着，即使我们列出了一系列备选方案，也可能存在多个正确答案，就像上面肉和马的例子一样。换句话说，我们面临两个问题：(a)为缺失的字母生成合理的一系列替代选项;(b)消除歧义，确保只有一个正确答案。为了应对在不同问题上呈现不同键盘这一复杂难题，我们将整个字母表以键盘的形式呈现给用户。至于歧义问题，我们提供一个包含缺失字母的问题词的句子。这意味着英语词典(english_words.txt)不仅包含单词本身，还包含使用该问题词的完整句子。

在遇到问题时，我们使用词尾不发音的结尾以及出现在单词开头、中间或末尾的复杂字母组合。通过以下片段，你可以大致了解候选人的问题所在：

设置

设置可通过主菜单访问，主要用于调整测验题目的难度。具体来说，对于数学测验，您可以更改运算数的范围和结果，以及题目中使用的不同运算次数。对于拼写测验，您可以选择单词的长度，并可设定拼写测验的语言，以及是否播放提示音(例如正确或错误时的提示音)。如果插入了microSD卡，设置将被持久保存，下次设备开机时仍保留。最后但同样重要的是，您可以通过在microSD卡根目录下放置名为lock_settings.txt的文件来锁定设置。该文件的第一行应为1以锁定设置，或任意其他内容以保持解锁状态。通过这种方式，您可以确保孩子在合适难度水平上进行练习。

成就

在统计页面中，您可以查看自己的成就。一个复古风格的动画和音效会显示您的当前得分，孩子们通常很喜欢这部分内容。每次测验都会显示正确答案与总尝试次数，这样您就能清楚了解孩子表现如何。如前所述，目前错误尝试不会被扣分，但如果您认为这一点可以设置为可选项，请告诉我。

结论

这是一个有趣的夏季项目，让我有机会创造出一些实用的东西，同时尝试使用C++进行实验。特别是，我得以对代码的某些部分进行过度设计，使其更具“通用性”和“可复用性”，尽管我清楚地知道，这些代码很可能不会被用于其他项目或平台上。不言而喻，我对图形用户界面框架有了新的认识，尤其是嵌入式框架，以及它们背后所涉及的大量架构设计工作。最终，代码中许多部分采用了高度模板化的结构，并避免了标准库，以便让项目代码更容易移植到资源受限的其他Arduino兼容设备上。话虽如此，Wio Terminal似乎支持了相当多的STL功能，但默认配置却使用了C++14标准，这确实令人感到困扰。如果未来真能支持C++17或更高版本的标准，我也不会感到意外。不过，我仍希望保持简单易复现，方便任何安装了标准Arduino IDE的用户使用。

本文编译自hackster.io