無(wú)線(xiàn)智能教學(xué)輔助管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

朱向慶+劉俊賢+林澤鑫+劉貴林

摘 要： 設(shè)計(jì)一種無(wú)線(xiàn)智能教學(xué)輔助管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，系統(tǒng)包含學(xué)生手環(huán)、教師手環(huán)、信標(biāo)節(jié)點(diǎn)和智能手機(jī)四部分。學(xué)生手環(huán)由單片機(jī)、按鍵、摔倒檢測(cè)模塊、溺水檢測(cè)模塊及nRF24L01P無(wú)線(xiàn)模塊構(gòu)成；教師手環(huán)由單片機(jī)、按鍵、液晶顯示模塊、報(bào)警模塊、nRF24L01P無(wú)線(xiàn)模塊和藍(lán)牙模塊構(gòu)成；信標(biāo)節(jié)點(diǎn)由單片機(jī)、時(shí)鐘模塊、nRF24L01P無(wú)線(xiàn)模塊和GPRS/GSM模塊構(gòu)成；智能手機(jī)監(jiān)測(cè)端運(yùn)行Android監(jiān)控軟件。學(xué)生手環(huán)、教師手環(huán)及信標(biāo)節(jié)點(diǎn)通過(guò)nRF24L01P無(wú)線(xiàn)模塊通信，教師手環(huán)通過(guò)藍(lán)牙模塊與智能手機(jī)通信，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)通過(guò)GPRS/GSM模塊與家長(zhǎng)手機(jī)通信。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)教師、家長(zhǎng)對(duì)學(xué)生到校離校的監(jiān)測(cè)、課堂考勤、答題統(tǒng)計(jì)、校園定位、溺水及摔倒報(bào)警等功能，具有操作簡(jiǎn)單、使用方便、低功耗、多用途等優(yōu)點(diǎn)，適合在小學(xué)及學(xué)前教育中推廣使用。

關(guān)鍵詞： 智能手環(huán)； 校園定位； 答題系統(tǒng)； 課堂考勤； 摔倒報(bào)警

中圖分類(lèi)號(hào)： TN915?34； TN99 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）04?0091?04

Design of assistant management system for wireless intelligent teaching

ZHU Xiangqing， LIU Junxian， LIN Zexin， LIU Guilin

（School of Electronic & Information Engineering， Jiaying University， Meizhou 514015， China）

Abstract： A design scheme of the wireless intelligent teaching assistant management system was designed. The system includes the student bracelet， teacher bracelet， beacon node and smart mobilephone. The student bracelet is composed of the single chip microcomputer （SCM）， several keys， tumble detection module， drowning detection module and nRF24L01P wireless module. The teacher bracelet is composed of the SCM， several keys， LCD module， alarm module， nRF24L01P wireless module and Bluetooth module. The beacon node is composed of the SCM， clock module， nRF24L01P wireless module and GPRS/GSM module. The monitoring terminal of the smart mobilephone runs the Android monitoring software. The communication among the student bracelet， teacher bracelet and beacon node is realized through the nRF24L01P wireless module. The communication of the teacher bracelet with the smart mobilephone is realized through the Bluetooth module. The communication of the beacon node with parents′ mobilephones through the GPRS/GSM module. This system can help teachers and parents to monitor the students attendance， has the functions of class attendance， answer statistics， positioning in campus， drowning and tumble alarms， and the advantages of simple operation， easy use， low power consumption and multi?purpose， and is suitable to popularize and use in primary schools and preschool education institutions.

Keywords： intelligent bracelet； positioning in campus； answer system； class attendance； tumble alarm

如今，小學(xué)生及學(xué)前兒童在校的安全及教育質(zhì)量問(wèn)題日益受到家校雙方的重視，傳統(tǒng)方法使得校方在教學(xué)管理方面費(fèi)時(shí)費(fèi)力，效率較低。因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)校都積極探索利用信息技術(shù)完善教學(xué)管理，促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量的提升。在國(guó)內(nèi)外，有許多基于有源電子標(biāo)簽及GPRS/GSM技術(shù)的學(xué)生到校離校監(jiān)控系統(tǒng)[1]，基于ZigBee、藍(lán)牙或WiFi的教學(xué)管理輔助系統(tǒng)[2]。但是，同時(shí)針對(duì)提高學(xué)生安全保障和提升課堂教學(xué)質(zhì)量的智能教學(xué)輔助管理系統(tǒng)暫時(shí)還沒(méi)有。在此從完善校園教學(xué)管理，幫助教師改善教學(xué)質(zhì)量，提升學(xué)生在校的安全系數(shù)等角度出發(fā)，設(shè)計(jì)一套可穿戴的無(wú)線(xiàn)智能教學(xué)輔助管理系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)整體框架如圖1所示，其包含放置在校門(mén)、教室、操場(chǎng)、食堂等重要位置的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，學(xué)生佩戴的手環(huán)，教師佩戴的手環(huán)以及教師、學(xué)生家長(zhǎng)使用的智能手機(jī)[3]。學(xué)生手環(huán)通過(guò)nRF24L01P短距離無(wú)線(xiàn)模塊與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)通信，定期向最近的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)登記，或者將答題數(shù)據(jù)發(fā)送給信標(biāo)節(jié)點(diǎn)；當(dāng)學(xué)生到校或者離校時(shí)，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)可借助GPRS/GSM模塊發(fā)送短消息給家長(zhǎng)。教師手環(huán)通過(guò)nRF24L01P短距離無(wú)線(xiàn)模塊與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)通信，用藍(lán)牙模塊與智能手機(jī)通信，教師可通過(guò)智能手機(jī)進(jìn)行考勤、小測(cè)等教學(xué)管理，或查詢(xún)學(xué)生在校內(nèi)的位置。家長(zhǎng)能通過(guò)智能手機(jī)查詢(xún)小孩在校的具體位置，或到校離校情況。

2 硬件設(shè)計(jì)

研制過(guò)程中，先用Altium Designer軟件設(shè)計(jì)電路原理圖，接著根據(jù)電路原理圖設(shè)計(jì)PCB圖，然后由企業(yè)生產(chǎn)PCB板，再將元件焊接到PCB板，進(jìn)行軟硬件測(cè)試。測(cè)試無(wú)誤后，將各功能部件封裝好，特別是教師手環(huán)和學(xué)生手環(huán)。

設(shè)計(jì)的硬件主要有信標(biāo)節(jié)點(diǎn)、學(xué)生手環(huán)及教師手環(huán)，手環(huán)屬電池供電的可穿戴設(shè)備，因此選用低功耗單片機(jī)STC12LE5A60S2作為微控制器，通過(guò)nRF24L01P短距離無(wú)線(xiàn)模塊相互連接。

STC12LE5A60S2是宏晶科技公司生產(chǎn)的新一代單時(shí)鐘/機(jī)器周期（1T）單片機(jī)，其具有高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的特點(diǎn)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8～12倍。其內(nèi)部有60 KB ROM，128 B RAM，集成MAX810專(zhuān)用復(fù)位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換，供電電壓是2.2～3.6 V，采用LQFP44封裝[4]。

nRF24L01P是Nordic公司生產(chǎn)的單片無(wú)線(xiàn)收發(fā)器芯片nRF24L01的低功耗優(yōu)化版，工作在2.4～2.5 GHz 全球免許可證的ISM（Industrial Scientific Medical）頻段，工作電壓為1.9～3.6 V。無(wú)線(xiàn)收發(fā)器包括頻率發(fā)生器、增強(qiáng)型SchockBurst模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器、解調(diào)器。輸出功率、頻道選擇和通信協(xié)議可通過(guò)SPI接口進(jìn)行設(shè)置[5]。

2.1 信標(biāo)節(jié)點(diǎn)

信標(biāo)節(jié)點(diǎn)由STC12LE5A60S2單片機(jī)最小系統(tǒng)、nRF24L01P短距離無(wú)線(xiàn)模塊、GPRS/GSM模塊、DS1302實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊及電源模塊組成，其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

信標(biāo)節(jié)點(diǎn)除了要與學(xué)生手環(huán)、教師手環(huán)通信外，還要與其他距離較遠(yuǎn)的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)通信，因此nRF24L01P無(wú)線(xiàn)模塊在原設(shè)計(jì)上增加功率放大器（PA）和低噪聲放大器（LNA）。在發(fā)射部分通過(guò)PA電路將nRF24L01P最大0 dBm的輸出功率放大到22 dBm左右，同時(shí)在接收部分通過(guò)LNA電路增加接收信號(hào)的強(qiáng)度。通過(guò)這種方式可以有效增加nRF24L01P無(wú)線(xiàn)模塊的通信距離。

GPRS/GSM模塊采用譜泰通信公司的PTM105，它支持全球GSM網(wǎng)絡(luò)，可工作在850/900/1 800/1 900 MHz這四個(gè)頻段，除語(yǔ)音、短信功能外，還具備TCP/IP連接功能，支持標(biāo)準(zhǔn)的AT命令及譜泰增強(qiáng)AT命令[6]。PTM105提供3線(xiàn)制2.8 V TTL電平UART接口，可串接保護(hù)電阻后直接與STC12LE5A60S2的串口相連，通信波特率為9 600 b/s。

時(shí)鐘模塊為學(xué)生手環(huán)、教師手環(huán)提供統(tǒng)一的時(shí)鐘源，它采用美國(guó)Dallas公司推出的高性能、低功耗實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS1302，通過(guò)三線(xiàn)制SPI總線(xiàn)與單片機(jī)通信，可提供秒、分、時(shí)、日、星期、月和年，具有閏年補(bǔ)償功能，工作電壓寬至2.5～5.5 V。初裝系統(tǒng)時(shí)，可通過(guò)教師手環(huán)設(shè)置DS1302的時(shí)間。

信標(biāo)節(jié)點(diǎn)采用220 V市電供電，電源模塊將220 V交流市電轉(zhuǎn)換為3.3 V和4.0 V的直流電源，供單片機(jī)、nRF24L01P和GPRS/GSM模塊使用。

2.2 學(xué)生手環(huán)

學(xué)生手環(huán)由STC12LE5A60S2單片機(jī)最小系統(tǒng)、nRF24L01P短距離無(wú)線(xiàn)模塊、ADXL345三軸加速度傳感器、1×4獨(dú)立按鍵、溺水檢測(cè)電路構(gòu)成，采用一粒型號(hào)為CR2032的3.3 V紐扣電池供電，其硬件結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。

ADXL345是Analog Devices公司生產(chǎn)的三軸數(shù)字加速度傳感器[7]，它采用2.0～3.6 V供電，單片機(jī)通過(guò)I2C總線(xiàn)讀取其加速度，可以檢測(cè)是否發(fā)生失重、自由落體、沖擊，是否持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間保持平躺等幾個(gè)狀態(tài)，從而判斷使用者是否發(fā)生摔倒。1×4獨(dú)立按鍵由4個(gè)輕觸開(kāi)關(guān)構(gòu)成，與單片機(jī)的4個(gè)I/O口連接，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，可用于課堂答題、考勤、緊急呼叫等應(yīng)用。溺水檢測(cè)電路采用簡(jiǎn)單的短路檢測(cè)方法，在手環(huán)表面留兩個(gè)金屬薄膜，一個(gè)接單片機(jī)I/O口，另一個(gè)接地，通過(guò)檢測(cè)單片機(jī)I/O口是否與地短接判斷手環(huán)是否浸泡在水中。若單片機(jī)I/O口接地時(shí)間超過(guò)預(yù)設(shè)值，則使用者可能溺水，此時(shí)手環(huán)通過(guò)nRF24L01P無(wú)線(xiàn)模塊發(fā)送報(bào)警信息給最近的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)及教師手環(huán)。

2.3 教師手環(huán)

如圖4所示，教師手環(huán)由STC12LE5A60S2單片機(jī)最小系統(tǒng)、nRF24L01P短距離無(wú)線(xiàn)模塊、HC?06藍(lán)牙模塊、1×4獨(dú)立按鍵、0.96寸有機(jī)電激光顯示器（OLED）、蜂鳴器報(bào)警模塊及3.3 V紐扣電池構(gòu)成。

藍(lán)牙模塊采用匯承信息科技公司的HC?06，用于實(shí)現(xiàn)教師手環(huán)與手機(jī)之間的通信，便于教師用智能手機(jī)掌控教學(xué)。HC?06是主從一體化的藍(lán)牙串口模塊，通過(guò)串口與單片機(jī)通信，通信速率為9 600 b/s。其供電電壓是3.3～3.6 V，工作于2.4 GHz ISM頻段，采用GFSK調(diào)制，發(fā)射功率等級(jí)為class2，靈敏度≤-80 dBm，通信速率2 Mb/s，支持V2.0藍(lán)牙協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。

OLED 12864與1×4獨(dú)立按鍵配合，教師可以查看學(xué)生答題及考勤等情況。OLED 12864具有體積小、功耗低、可視角度大、無(wú)需背光、顯示效果好等特點(diǎn)。它采用3.3～5 V供電，支持I2C和SPI兩種接口，與單片機(jī)通信時(shí)，只需占用4個(gè)I/O口。蜂鳴器報(bào)警模塊由5 mm×5 mm×3 mm，3 V供電的微型蜂鳴器及三極管驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成，用于發(fā)聲報(bào)警，提醒教師有緊急情況發(fā)生。

3 軟件設(shè)計(jì)

為了加快開(kāi)發(fā)速度，提高程序的可讀性、可移植性，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)、學(xué)生手環(huán)及教師手環(huán)的單片機(jī)程序均采用C51語(yǔ)言設(shè)計(jì)，由Keil μVision 5軟件編譯生成機(jī)器碼文件，再用STC?ISP軟件將機(jī)器碼文件通過(guò)計(jì)算機(jī)串口燒錄至單片機(jī)。教師手機(jī)監(jiān)測(cè)端的應(yīng)用軟件則采用Android SDK Manager設(shè)計(jì)。

3.1 信標(biāo)節(jié)點(diǎn)程序

信標(biāo)節(jié)點(diǎn)單片機(jī)程序的流程如圖5所示，其主要功能是定期向周?chē)膶W(xué)生手環(huán)、教師手環(huán)及其他信標(biāo)節(jié)點(diǎn)廣播信標(biāo)；接收學(xué)生手環(huán)的登記、答題、報(bào)警等信息；向教師手環(huán)及其他信標(biāo)節(jié)點(diǎn)反饋?zhàn)约旱怯浀膶W(xué)生手環(huán)ID號(hào)；給教師手環(huán)發(fā)送學(xué)生答題、考勤數(shù)據(jù)；放置在校門(mén)的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)還負(fù)責(zé)給學(xué)生家長(zhǎng)發(fā)送手機(jī)短消息，報(bào)告學(xué)生到校及離校情況。

3.2 學(xué)生手環(huán)程序

學(xué)生手環(huán)單片機(jī)程序的流程如圖6所示，其主要功能是通過(guò)接收信號(hào)強(qiáng)度指示（Received Signal Strength Indication，RSSI）寄存器檢測(cè)接收到信標(biāo)幀的信號(hào)功率，定期向信號(hào)強(qiáng)度最強(qiáng)的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)登記，報(bào)告自己的存在；在答題環(huán)節(jié)發(fā)送答題數(shù)據(jù)；當(dāng)出現(xiàn)摔倒或者溺水時(shí)，向最近的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)及教師手環(huán)發(fā)出求救信號(hào)。

3.3 教師手環(huán)程序

教師手環(huán)單片機(jī)程序的流程如圖7所示，其主要功能是通過(guò)按鍵及液晶進(jìn)行教學(xué)管理，將查詢(xún)到的學(xué)生手環(huán)數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送給藍(lán)牙模塊，由后者傳送給智能手機(jī)。當(dāng)學(xué)生摔倒或者溺水時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

3.4 智能手機(jī)APP軟件

教師智能手機(jī)運(yùn)行APP軟件，通過(guò)自帶的藍(lán)牙接口與教師手環(huán)通信，獲取所管轄班級(jí)的學(xué)生信息。APP應(yīng)用軟件采用Java語(yǔ)言設(shè)計(jì)，編程平臺(tái)是Android SDK Manager。Android平臺(tái)提供一個(gè)SharedPreferences類(lèi)，它是一個(gè)輕量級(jí)的存儲(chǔ)類(lèi)，可用于保存軟件配置參數(shù)[8?9]。本系統(tǒng)中，SharedPreferences類(lèi)用于保存從教師手環(huán)獲取的學(xué)生數(shù)據(jù)信息。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)制作的5個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，5個(gè)教師手環(huán)及9個(gè)學(xué)生手環(huán)進(jìn)行測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示系統(tǒng)工作正常。

信標(biāo)節(jié)點(diǎn)能夠每隔3 s刷新一次學(xué)生所處的位置；當(dāng)學(xué)生發(fā)生溺水或者摔倒時(shí)，可以在2 s內(nèi)自動(dòng)給教師發(fā)送求救信號(hào)；教師佩戴手環(huán)可方便地進(jìn)行教學(xué)管理；學(xué)生家長(zhǎng)能夠通過(guò)手機(jī)獲取學(xué)生到校離校信息。圖8是智能手機(jī)應(yīng)用軟件界面，教師的智能手機(jī)與手環(huán)相互配合，可以進(jìn)行課堂答題、考勤，實(shí)時(shí)查詢(xún)學(xué)生在校位置信息及行程記錄等。

5 結(jié) 語(yǔ)

本系統(tǒng)以低功耗單片機(jī)為控制核心構(gòu)建信標(biāo)節(jié)點(diǎn)、學(xué)生手環(huán)及教師手環(huán)，三者用短距離無(wú)線(xiàn)通信模塊nRF24L01P連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)交互；教師手環(huán)通過(guò)藍(lán)牙模塊與智能手機(jī)通信，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)通過(guò)GPRS/GSM模塊與家長(zhǎng)聯(lián)系。系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)家長(zhǎng)及教師對(duì)學(xué)生到校離校的監(jiān)測(cè)，教師使用本系統(tǒng)可進(jìn)行課堂考勤、學(xué)生答題統(tǒng)計(jì)及校園定位，學(xué)生溺水或摔倒可及時(shí)自動(dòng)向教師報(bào)警求助。本系統(tǒng)具有操作簡(jiǎn)單、使用方便、低功耗、多用途等優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)一步微型化后，可在小學(xué)及學(xué)前教育中推廣使用。

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