互動教學系統教師端與轉發器的設計*

劉河源，焦瑞莉，胡 峰

(北京信息科技大學 信息與通信工程學院，北京 100101)

互動教學系統教師端與轉發器的設計*

劉河源，焦瑞莉，胡 峰

(北京信息科技大學 信息與通信工程學院，北京 100101)

針對教師使用傳統教學手段時學生課上學習效率不高的現狀，設計了一種基于互動教學方式的系統。互動教學系統源于哈佛大學的Peer-Instruction教育方法，旨在利用計算機和無線網絡建立一個高效的教學環境。該系統使用LabVIEW軟件開發教師端，使用Cortex-M0內核的ARM微處理器和CC2530射頻板設計基于ZigBee技術的數據轉發器。此外，系統采用自定義通信幀的方式完成不同軟件間的信息交互，利用JKI狀態機與多線程同步技術相結合的方法實現了一對多通信。測試結果表明，該系統能夠有效地完成課堂互動教學的目的，并且對于促進教育模式的多樣化也具有參考價值。

互動教學；LabVIEW；ZigBee；教師端；轉發器

0 引言

課堂是開展教學活動的主要場所，課堂的教學質量對高校實現培養人才的目標有重要的影響[1]。但在傳統的教學方式中，由于班級人數較多，教師核查出勤率通常會消耗大量的教學時間。在剩余時間內，教師無法就教學內容與學生進行深入的溝通，導致教師不能全面了解學生對每個問題和知識點的掌握程度，影響接下來的授課內容，久而久之使教學效率大大降低。Peer-Instruction教學法由哈佛大學Eric Mazur教授創立，即利用計算機系統對專門設計的概念測試題進行投票，使學生能夠自主學習和協作探究，有效地改變了傳統課堂的教學手段、教學模式[2]。LabVIEW是應用較廣的數據采集開發環境，它具有大量測控領域的控件，能夠縮短系統教師端的開發周期。ZigBee是新一代無線網絡技術,它具有低復雜度、低成本和低功耗的特點，非常適用于互動教學系統轉發器的設計。

1 系統總體設計

本文中的互動教學系統主要由教師端、數據轉發器和學生端3部分構成，其總體結構示意圖如圖1所示，其主要功能就是實現Peer-Instruction教學。此系統采用星型拓撲網絡實現教師端與學生端設備間的通信，其中包含一個數據轉發器節點與若干端設備節點。系統教師端軟件負責數據的儲存與處理以及整個教學系統的運行，它可通過WiFi(Wireless Fidelity)或USB連接線與轉發器進行通信，數據轉發器利用ZigBee無線網絡與學生端互聯。數據轉發器是系統通信的重要樞紐，它具備以下功能：建立ZigBee無線通信網絡；與ZigBee端設備建立通信鏈路并轉發教師端PC(Personal Computer)對學生端的控制指令；收集學生端反饋的信息并上傳給教師端PC。

系統主要功能如下：

(1)上下課簽到。以此來核查學生的出勤狀況，并保存至記錄中。

(2)問答功能。題目分為搶答題、選擇題和判斷題，在一定時間內學生提交答案，系統將自動判斷答案對錯并將正確率反饋給教師，教師可依此對授課內容進行調整，這可以很大程度上提升學生課上的學習質量。

(3)教學評價。學生可對本次的教學內容進行匿名評分。

(4)統計和查詢。統計學生的到課情況、題目的正確率和對教學內容的評分，并可供查詢與參考。

圖1 系統總體結構示意系

2 教師端軟件設計

2.1 總體架構搭建

系統教師端軟件選擇用LabVIEW進行圖形化編程。LabVIEW軟件具有龐大的函數庫，能夠完成包含信息采集和匯總、端口控制等在內的多種功能，并且有著成熟的模塊化底層控件，可用流程圖所表示的信息流向來指派代碼和指令的執行順序，能夠大大縮短項目的開發時間。

狀態機由狀態、事件、行為三要素構成，LabVIEW的狀態機是一個while循環，其中包含代表系統不同狀態的case結構，case結構分支里的條件變量與系統事件相對應，所完成的功能對應狀態的具體行為[3]。本系統教師端的軟件設計采用模塊化和層次化相結合的思想，根據具體需求，將系統劃分為各個功能模塊。這樣不僅可以使程序流程更加清晰明了同時也易于維護。

圖2為教師端程序示意圖，它采用生產/消費者的設計架構，具有3個相互聯系的功能模塊，它們通過緩存區進行信息交互，其中生產者模塊提供數據，消費者模塊處理數據，另有通信模塊負責建立通信。它們完成信息交換的過程如下：當兩個功能模塊需要進行通信時，首先會將數據發送到緩存區中，另一方空閑的狀態機會一直循環讀取緩存區中的數據，如果接收到消息就會解析并執行。

圖2 教師端程序示意圖

2.2 子VI設計

在系統教師端軟件緩存區中，使用消息隊列的方法完成不同VI間的信息交互。為了方便消息隊列的統一運行，將各功能整合到一起，如圖3所示。Operation表示隊列的操作命令；index表示隊列數組索引(最小值為0)；Queue Refs Out為隊列數組；CmdString_in/CmdString_ out分別表示要插入/獲取隊列的元素；Timeout(10 ms)表示隊列操作的超時時間為10 ms。

圖3 隊列管理VI

此外，“隊列狀態解析”和“隊列狀態添加”是JKI狀態機的兩個基本功能。其中隊列狀態解析是指從狀態字符串中提取出要跳轉的下一個狀態以及相應參數；而隊列狀態添加能夠在代表狀態的字符串中加入待轉入的狀態和參數。在教師端軟件設計中，為了簡化程序安裝過程，沒有使用第三方工具包，而是自行編寫了兩個子VI來代替上述兩個控件的功能，這樣可以使調用以及后續開發更加方便。

3 基于ZigBee的數據轉發器

3.1 ZigBee

ZigBee是基于IEEE802.15標準的低功耗局域網協議[4]，它具有低功耗、短時延、網絡容量大、安全可靠的優點，已在物聯網中得到了廣泛應用[5]。將ZigBee技術應用于數據轉發器的設計具有以下優勢：

(1)部署方便。因為學生端設備一般處于待機狀態，所以轉發器使用電池供電就能夠正常工作較長時間，降低了安裝費用。

(2)易于擴展端設備。ZigBee網絡容量大，可使用星型、網型和樹型等多種網絡拓撲結構，其中主節點能夠管理多個子節點，同時它還由上一級進行控制。因此可滿足學生端人數多、規模大的需求。

(3)容易對學生端進行定位。每一個學生端都具有IEEE地址，通過它可以方便地從網絡中獲取其位置。

3.2 硬件設計

數據轉發器由NUC120主控模塊、CC2530射頻模塊和可供選擇使用的WiFi模塊構成，當系統不使用WiFi模塊時，轉發器可通過USB串口與教師端直接通信。轉發器組成模塊如圖4所示，其中，NUC120模塊負責系統供電和對其他模塊的控制，CC2530射頻模塊用于構建ZigBee網絡，WiFi模塊用于對外接收和發送數據。本設計的WiFi模塊采用亞信公司出品的AXM22001-2A-C型可編程模組，它提供了完整的網絡解決方案，適用于轉發器簡單易用、低成本的特點。下面對其他主要模塊進行介紹。

圖4 轉發器組成模塊

NUC120模塊是數據轉發器的核心模塊，其軟件設計是基于Nuvoton提供的NUC100 Series BSP支持包進行開發的，它具有以下功能：系統供電、通過UART串口與其他模塊進行通信、利用USB接口與教師端軟件進行VCOM(虛擬串口)通信、通過GPIO控制蜂鳴器和LED指示燈來顯示系統的工作狀態。

CC2530模塊主要完成ZigBee無線通信的功能。CC2530是TI公司開發的芯片，內置增強型8051CPU和RF收發器[6]，它不僅具有高性能、低功耗的特點而且只需要添加少量元件就能夠滿足數據轉發器無線通信的需求。本軟件的設計是基于德州儀器的開源協議棧ZigBee ZStack-CC2530進行的二次開發，其工作流程圖如圖5所示。當射頻模塊接收到數據時，直接將數據通過UART串口轉發給NUC120模塊，當CC2530模塊從UART串口接收到數據時，首先對數據按照自定義幀的格式進行解析，如果是ZigBee網絡接入命令則由數據轉發器處理，否則將數據通過射頻模塊進行轉發。

圖5 CC2530模塊工作流程圖

3.3 自定義通信幀制定

圖6 通信幀格式

為了保證數據轉發器與教師端軟件的信息交互，需要有統一格式的通信協議對數據包進行封裝和解析。本設計通過制定自定義通信幀的方式提高了信息傳輸的可靠性，上位機軟件設計并實現了一種能夠管理代碼的鏈表隊列，用于存儲待發送的數據幀[7]。通信幀的格式如圖6所示。

幀頭：占1 B，用于幀同步。

長度字段：占1 B，規定了全局幀的總長度。

命令字段：占1 B，表示幀數據的具體含義，即用于執行何種操作。

標志字段：占1 B，表示幀數據的地址類型和處理對象。

通信地址字段：長度不定，用于表示通信雙方的地址。

校驗幀：占2 B，使用CRC16的校驗方式。

4 結論

本文針對現有教學手段單一的現狀，完成了基于互動教學模式的系統設計。采用軟硬件結合的方法構建了低成本卻實用高效的教學系統。通過實際操作證明，學生通過學生端硬件即可在教室內高效地使用該系統，這不僅大大地提高了課堂學習效率，同時對于Peer-Instruction教學模式的推廣也有積極的作用。此外，本系統的設計框架和編程思想對于同類型的應用開發也具有一定的參考價值。

[1] 楊瑞龍.集成課堂互動教學系統設計與實現[J].現代教育技術,2015,25(5):115-120.

[2] 張萍, MAZUR E.Peer-Instruction—哈佛大學物理課程教學新方法[J].中國大學教學,2010(8):69-71.

[3] 李超,焦瑞莉,陳家田.基于LabVIEW的并行數據采集系統設計[J].遼寧工程技術大學學報:自然科學版,2012,31(1):89-92.

[4] 牟欣.基于ZigBee無線技術的家用電器自動控制的研究[J].科技創新與應用,2016(16):73.

[5] 柴淑娟,趙建平.基于ZigBee技術的無線數據傳輸系統[J].通信技術,2010,43(8):30-34.

[6] 章偉聰,俞新武,李忠成.基于CC2530及ZigBee協議棧設計無線網絡傳感器節點[J].計算機系統應用,2011,20(7):184-187.

[7] 李會,王宜懷,王磊.基于CAN的數據無損代碼更新方法設計與應用[J].電子技術應用,2016,42(1): 40-43.

Design of teaching terminal and transponder for interactive teaching system

Liu Heyuan, Jiao Ruili, Hu Feng

(College of Information and Communication Engineering, Beijing Information Science & Technology University, Beijing 100101, China)

Aiming at the present situation that students′ learning efficiency is not high when teacher uses the traditional teaching method, a system based on interactive teaching mode was designed. The interactive teaching system is based on the Peer-Instruction teaching method of Harvard University, which aims to establish a highly effective teaching environment by using computer and wireless network. The system used LabVIEW to develop the teaching terminal, used ARM processor based on the Cortex-M0 kernel and CC2530 RF board to design transponder based on ZigBee. Besides, the system used the custom communication frame to realize the information exchange between different software, used the method of combining the JKI state machine and the multi thread synchronization technology to realize one-to-many communication. Test results show that the system can effectively complete the purpose of interactive teaching, and has a reference value for promoting the diversification of educational model.

interactive teaching; LabVIEW; ZigBee; teaching terminal; transponder

國家自然科學基金重大科研儀器設備研制專項(41327803)；北京信息科技大學校內項目(5111624105)

TP311；TN911.7

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.15.028

劉河源，焦瑞莉，胡峰.互動教學系統教師端與轉發器的設計[J].微型機與應用，2017,36(15)：97-99.

2017-01-13)

劉河源(1992-)，男，碩士研究生，主要研究方向：信號與信息處理。

焦瑞莉(1966-)，通信作者，女，碩士，副教授，主要研究方向：信號與信息處理、虛擬儀器技術。

胡峰(1992-)，男，碩士研究生，主要研究方向：信號與信息處理。