Communication blades: modular communications for tangible and embedded interfaces

Bladed Tiles is a modular hardware toolkit for building tangible and embedded interface devices. It includes “function blades” and “interaction tiles,” which can provide a flexible, inexpensive, open-ended platform for constructing a wide variety of tangible and embedded interfaces. In this paper, we propose Communication Blades. These are a class of electronic modules with varied computational capabilities for interfacing devices built using bladed tiles toolkit and also for interfacing embedded devices as adapters with external communication networks. These blades provide flexibility by offering the ability to select between different communication technologies and connectivity by providing devices with interoperability over different communication mediums. Furthermore, the modular blade architecture allows different types of communication blades to be plugged in on demand. This reduces the need for development and knowledge of communication protocols by the developers, thus abstracting the underlying complexity. My research work includes studying and designing various communication blades i.e. Serial, USB, Bluetooth and Gumstix. It also includes prototyping, testing and implementing the communication blades

Context Aware Computing for The Internet of Things: A Survey

As we are moving towards the Internet of Things (IoT), the number of sensors deployed around the world is growing at a rapid pace. Market research has shown a significant growth of sensor deployments over the past decade and has predicted a significant increment of the growth rate in the future. These sensors continuously generate enormous amounts of data. However, in order to add value to raw sensor data we need to understand it. Collection, modelling, reasoning, and distribution of context in relation to sensor data plays critical role in this challenge. Context-aware computing has proven to be successful in understanding sensor data. In this paper, we survey context awareness from an IoT perspective. We present the necessary background by introducing the IoT paradigm and context-aware fundamentals at the beginning. Then we provide an in-depth analysis of context life cycle. We evaluate a subset of projects (50) which represent the majority of research and commercial solutions proposed in the field of context-aware computing conducted over the last decade (2001-2011) based on our own taxonomy. Finally, based on our evaluation, we highlight the lessons to be learnt from the past and some possible directions for future research. The survey addresses a broad range of techniques, methods, models, functionalities, systems, applications, and middleware solutions related to context awareness and IoT. Our goal is not only to analyse, compare and consolidate past research work but also to appreciate their findings and discuss their applicability towards the IoT.Comment: IEEE Communications Surveys & Tutorials Journal, 201

Tangible user interfaces : past, present and future directions

In the last two decades, Tangible User Interfaces (TUIs) have emerged as a new interface type that interlinks the digital and physical worlds. Drawing upon users' knowledge and skills of interaction with the real non-digital world, TUIs show a potential to enhance the way in which people interact with and leverage digital information. However, TUI research is still in its infancy and extensive research is required in or- der to fully understand the implications of tangible user interfaces, to develop technologies that further bridge the digital and the physical, and to guide TUI design with empirical knowledge. This paper examines the existing body of work on Tangible User In- terfaces. We start by sketching the history of tangible user interfaces, examining the intellectual origins of this field. We then present TUIs in a broader context, survey application domains, and review frame- works and taxonomies. We also discuss conceptual foundations of TUIs including perspectives from cognitive sciences, phycology, and philoso- phy. Methods and technologies for designing, building, and evaluating TUIs are also addressed. Finally, we discuss the strengths and limita- tions of TUIs and chart directions for future research

Inclusive computing in special needs classrooms: designing for all

With a growing call for an increased emphasis on computing in school curricula, there is a need to make computing accessible to a diversity of learners. One potential approach is to extend the use of physical toolkits, which have been found to encourage collaboration, sustained engagement and effective learning in classrooms in general. However, little is known as to whether and how these benefits can be leveraged in special needs schools, where learners have a spectrum of distinct cognitive and social needs. Here, we investigate how introducing a physical toolkit can support learning about computing concepts for special education needs (SEN) students in their classroom. By tracing how the students’ interactions—both with the physical toolkit and with each other—unfolded over time, we demonstrate how the design of both the form factor and the learning tasks embedded in a physical toolkit contribute to collaboration, comprehension and engagement when learning in mixed SEN classrooms

Augmenting objects at home through programmable sensor tokens: A design journey

End-user development for the home has been gaining momentum in research. Previous works demonstrate feasibility and potential but there is a lack of analysis of the extent of technology needed and its impact on the diversity of activities that can be supported. We present a design exploration with a tangible end-user toolkit for programming smart tokens embedding different sensing technologies. Our system allows to augment physical objects with smart tags and use trigger-action programming with multiple triggers to define smart behaviors. We contribute through a field-oriented study that provided insights on (i) household's activities as emerging from people's lived experience in terms of high-level goals, their ephemerality or recurrence, and the types of triggers, actions and interactions with augmented objects, and (ii) the programmability needed for supporting desired behaviors. We conclude that, while trigger action covers most scenarios, more advanced programming and direct interaction with physical objects spur novel uses.This work was supported by the 2015 UC3M Mobility Grant, the Spanish Ministry of Economy and Competitivity (TIN2014-56534-R, CREAx) and by the Academy of Finland (286440, Evidence)

Toolkits for the Development of Hybrid Games: from Tangible Tabletops to Interactive Spaces

Durante los últimos años, los dispositivos tabletop han sido considerados el entorno ideal para los juegos híbridos, los cuales combinan técnicas de juego tradicional, como el uso de objetos físicos para interactuar con el juego de una forma natural, con las nuevas posibilidades que los tabletops ofrecen de aumentar el espacio de juego con imágenes digitales y audio.Sin embargo, los juegos híbridos no se restringen simplemente a tabletops, pudiéndose jugar también en entornos más amplios en los que convergen otros paradigmas de interacción. Por esta razón, el uso de juegos híbridos en Espacios Interactivos está ganando fuerza, pero el número y heterogeneidad de dispositivos y estilos de interacción que se encuentran en estos entornos hace que el diseño y prototipado de juegos sea una tarea difícil. Por lo tanto, el gran reto se encuentra en ofrecer a diseñadores y desarrolladores herramientas apropiadas para la creación de estas aplicaciones.En esta línea de trabajo, el grupo Affective Lab lanzó el proyecto JUGUEMOS (TIN2015-67149-C3-1R), un proyecto nacional centrado en el desarrollo de juegos híbridos en entornos interactivos. Esta Tesis Doctoral se enmarca en este proyecto.El primer paso de la realización de esta tesis fue establecer los dos objetivos principales (Capítulo 1):1) El primer objetivo que se estableció fue profundizar en el uso de tabletops tangibles en terapia con niños con necesidades especiales. Durante los últimos años el grupo Affective Lab había visto la potencialidad de los tabletops tangibles para el trabajo con niños pequeños, pero todavía era necesario llevar a cabo más experiencias y evaluaciones en el ámbito terapéutico, así como explorar si otros grupos de usuarios (adultos con problemas cognitivos) podían beneficiarse de las características de los tabletops.2) El segundo objetivo consistió en diseñar e implementar un toolkit para el desarrollo de juegos híbridos para espacios interactivos. Se decidió que el toolkit estuviera dirigido a desarrolladores para facilitar su trabajo a la hora de crear este tipo de aplicaciones.Una vez establecidos los objetivos, se realizó un estado del arte a su vez dividido en dos partes (Capítulo 2):1) Se realizó una categorización de juegos híbridos para entender y extraer sus principales características, así como los principales retos que surgen al desarrollar este tipo de juegos. También se estudiaron toolkits cuyo objetivo era el desarrollo de juegos híbridos.2) Se estudiaron juegos híbridos desarrollados para niños con necesidades especiales y adultos con problemas cognitivos que hacían uso de la Interacción Tangible y tabletops, así como toolkits dirigidos a terapeutas o educadores para ayudarles en la creación de actividades para sus pacientes.Para llevar a cabo las experiencias y evaluaciones relacionadas con el primer objetivo, se hizo uso del tabletop tangible NIKVision, desarrollado previamente por el grupo Affective Lab, y el toolkit KitVision, una herramienta dirigida a profesionales sin conocimientos de programación para la creación de actividades tangibles y que fue desarrollado durante el Proyecto Final de Carrera de la autora. En el Capítulo 3 de esta Tesis se comenta brevemente el tabletop NIKVision y la arquitectura de KitVision, se describen las evaluaciones que se llevaron a cabo con terapeutas con el objetivo de mejorar y probar la utilidad del toolkit, y se explica una experiencia de un año durante la cual una terapeuta ocupacional de ASAPME, una asociaciónque trabaja con adultos con problemas cognitivos, estuvo usando el tabletop y el toolkit sin supervisión.En el Capítulo 4 se describen diferentes experiencias con KitVision que se llevaron a cabo:- Gracias a una colaboración con la Residencia Romareda, NIKVision y KitVision fueron instalados provisionalmente en la residencia y, tras una evaluación inicial, se desarrollaron tres nuevas actividades para los usuarios de la residencia.- Gracias a la colaboración con ENMOvimienTO y con uno de los centros de Atención Temprana del Instituto Aragonés de Servicios Sociales (IASS), ambos enfocados a trabajar con niños con problemas de aprendizaje, se pudieron realizar evaluaciones que nos permitieron mejorar KitVision y crear nuevas actividades específicamente diseñadas para ellos.- Finalmente, gracias a una colaboración con Atenciona, pudimos evaluar actividades con niños con Trastorno por Déficit de Atención e Hiperactividad (TDAH) y extraer una serie de directrices para diseñar actividades para este tipo de niños. También pudimos llevar a cabo una experiencia de Diseño Participativo con estos niños.El completo desarrollo del toolkit JUGUEMOS, para la creación de juegos híbridos en espacios interactivos, se explica en el Capítulo 5. En este apartado primero se describe el Espacio Interactivo JUGUEMOS que sirvió de base para desarrollar el toolkit. Después se explican con detalle las decisiones de diseño que se tomaron, el modelo de abstracción que se usó para diseñar los juegos, y la arquitectura del toolkit. También se detallan las distintas fases de implementación que se llevaron a cabo, basadas en los tres retos que se extrajeron en el estado del arte: (1) integrar diferentes dispositivos, (2) gestionar salidas gráficas diversas y (3) facilitar la codificación del juego. Finalmente, se presentan dos prototipos de juegos que se desarrollaron durante las dos estancias de investigación que la autora realizó.Finalmente, en el Capítulo 6 se describen los tres casos de uso que se realizaron para tener una primera valoración de la usabilidad del toolkit JUGUEMOS: (1) una evaluación con estudiantes de Máster en la que se implementó un juego completamente funcional para el Espacio Interactivo JUGUEMOS, (2) un juego que fue completamente desarrollado usando el toolkit JUGUEMOS una vez que éste se acabó de implementar, (3) una experiencia que involucró a dos grupos multidisciplinares compuestos por diseñadores y desarrolladores, en la que tuvieron que colaborar para diseñar e implementar dos prototipos de juegos híbridos para el espacio interactivo.<br /

Decoupling User Interface Design Using Libraries of Reusable Components

The integration of electronic and mechanical hardware, software and interaction design presents a challenging design space for researchers developing physical user interfaces and interactive artifacts. Currently in the academic research community, physical user interfaces and interactive artifacts are predominantly designed and prototyped either as one-off instances from the ground up, or using functionally rich hardware toolkits and prototyping systems. During this prototyping phase, undertaking an integral design of the interface or interactive artifact’s electronic hardware is frequently constraining due to the tight couplings between the different design realms and the typical need for iterations as the design matures. Several current toolkit designs have consequently embraced component-sharing and component-swapping modular designs with a view to extending flexibility and improving researcher freedom by disentangling and softening the cause-effect couplings. Encouraged by early successes of these toolkits, this research work strives to further enhance these freedoms by pursuing an alternative style and dimension of hardware modularity. Another motivation is our goal to facilitate the design and development of certain classes of interfaces and interactive artifacts for which current electronic design approaches are argued to be restrictively constraining (e.g., relating to scale and complexity). Unfortunately, this goal of a new platform architecture is met with conceptual and technical challenges on the embedded system networking front. In response, this research investigates and extends a growing field of multi-module distributed embedded systems. We identify and characterize a sub-class of these systems, calling them embedded aggregates. We then outline and develop a framework for realizing the embedded aggregate class of systems. Toward this end, this thesis examines several architectures, topologies and communication protocols, making the case for and substantial steps toward the development of a suite of networking protocols and control algorithms to support embedded aggregates. We define a set of protocols, mechanisms and communication packets that collectively form the underlying framework for the aggregates. Following the aggregates design, we develop blades and tiles to support user interface researchers