基于無線通信技術的課堂互動教學系統設計

武 凝

(陜西交通職業技術學院，陜西 西安 710018)

1 系統的整體框架設計

隨著現代信息化教學的發展，課堂互動教學不再是單一的問答與解惑，且不局限于特定的時空，師生共處于一個大的網絡結構中，教師通過遙控終端實施教學、考核、評測等教學活動，學生則基于手機、電腦等智能終端在線進行學習、評價反饋。本研究擬設計的課堂互動教學系統應該涵蓋在線教學、應答、考勤、評價反饋等功能，由Zigbee無線通信網絡、課堂互動軟件兩大模塊構成。其中，Zigbee無線通信網絡由手持應答器、遙控器、收發器等組成，且各組成部分均存在應用層、網絡層、媒體介入控制(Media Access Control，MAC)層、物理層4層結構，各層結構均準許執行Zigbee無線通信網絡的協議標準。學生終端利用手持應答器、教師終端利用遙控器，便可基于Zigbee無線通信網絡實現在線問答、教學活動，而收發器可初始化并構建Zigbee無線通信網絡，接受來自師生終端的入網請求，以便進行課堂的互動教學。系統的整體框架構成如圖1所示。

圖1 基于Zigbee無線通信技術的課堂互動教學系統框架

2 系統的硬件選型及設計

由上述框架設計可知，基于Zigbee無線通信的課堂互動教學系統由Zigbee芯片、接收器、應答器和收發器等硬件構成，以這些硬件的選型及設計為重點，進行如下分析。

2.1 Zigbee芯片

TI公司生產的CC2430型號的Zigbee芯片是真正的系統芯片(System on Chip，SoC)CMOS解決方案，其采用0.18 μm CMOS制造工藝，電流損耗極低，在網絡信號收發模式下，電流損耗均在25 mA以下，休眠與主動模式可自主切換，適用于課堂互動教學中超長的電池能量支撐需求，且具備2.4 GHz ISM波段集成符合IEEE802.15.4標準的射頻(Radio Frequency，RF)無線電收發機[1]，配置輕便、低功耗的8051微控制器核，無線接收靈敏度及抗干擾性能較優，適用于不同課堂互動教學環境下的無線網絡通信需求。同時，在課堂互動系統中，需選用一個Coordinator作為Zigbee無線通信網絡的核心節點，用以進行互動信息的上傳、下達，此處選用收發器實現該功能。開啟收發器后，將在適宜的信道上初始化并組建Zigbee無線通信網絡。而且，應實現系統節能設計，使師生手持的遙控器、應答器發揮Zigbee無線通信網絡的EndDevice的功能，在無互動教學活動時進入休眠狀態，有需求時才運行。因CC2430Zigbee芯片的EndDevice在休眠狀態下的電流控制在3A之內，便可支撐遙控器、應答器的長期、低功耗運行。

2.2 手持終端設備

師生手持的遙控器、應答器、收發器等終端設備是完成在線考勤、答疑解惑教學互動的有效支撐。其中，學生應答器是學生進行考勤、問題提交的硬件支撐，在框架設計中將其嵌入Zigbee網絡，學生基于該無線通信網絡便可將應答信息傳輸至收發器，且因其多為按鍵操作，使用普通電池即可實現長時間運行；遙控器是附帶按鍵功能嵌入Zigbee無線通信網絡的教師終端設備，可輔助教師完成課堂教學、在線問答、教互動交互、考勤測評等教學活動，擺脫了鍵盤或鼠標束縛下課堂互動教學的時空限制。教師基于Zigbee無線通信技術可以在教室內的任何地點進行教學互動，便于實時追蹤、查看學生的學習反饋；收發器是配設在每個教學計算機上進行課堂互動的核心設備，內置Zigbee模塊，經由硬件接口與教學計算機連接，可實時、準確接收師生應答與遙控信息，并將其傳輸至上位機。通常，硬件接口存在通用串行總線(Universal Serial Bus，USB)接口、串口兩類，但CC2430Zigbee芯片并未配置USB接口[2]，因此，需在系統中增設USB驅動部分，而選用串口作為收發器和教學計算機的硬件接口可省去USB驅動設計，且CC2430芯片自帶兩個通用異步收發口(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART)和驅動代碼，讓串口連接設計更簡單。

3 軟件的結構及設計

系統中，與Zigbee無線通信網絡連接的各終端設備功能的實現，均需要軟件流程及結構的支撐，具體設計如下。

3.1 下位機軟件

下位機軟件是師生手持應答器、遙控器及Zigbee無線通信網絡傳輸設備收發器的結構設計，均由應用層、網絡層、物理層、MAC層4層結構組成，因Zigbee無線通信網絡中數據路由是完全自由的，源節點的應用層將生成數據傳輸請求，而后自上而下，經由網絡層、MAC層傳輸至目標節點物理層，便可完成數據傳輸的請求任務。在這過程中，因需要經過不同的網絡節點，而Zigbee無線通信網絡可自主組建多級路由[3]，輔助源節點的應用層在既定的路由信息指引下，自主、準確地達到節點的物理層，快速完成數據傳輸請求的處理。所有的手持終端設備經由上述4層結構嵌入Zigbee芯片中，因課堂互動系統多在教室內，對于傳感器節點要求不高，且無線網絡傳輸范圍較小，所以本研究選用網狀網絡完成Zigbee無線網絡的自組網，也就是將網絡節點作為路由路徑，數據包將根據路由協議以無線的方式在節點之間進行教學互動數據的傳輸，此時，Zigbee無線通信網絡以對等射頻設備為基礎構成，剔除了節點之間路由器網絡的布設，無須從以往的WLAN接入點布線至一個有線端口，可實現自主的無線通信配置，秉承鄰近節點的通信規則，確定最優的多跳傳輸路徑。此時，一個終端節點發出的互動教學信息將根據Zigbee通信協議的配置逐條完成數據傳輸。

3.2 上位機軟件

上位機軟件即為安裝在教學計算機內部的互動教學軟件，其利用收發器和串口操控Zigbee無線通信網絡，基于課堂互動數據的傳輸發揮在線教學、問答解疑、教學互動等功能。上位機軟件的主要功能就是接收、處理收發器傳輸過來的教學互動信息，并將其存儲在本地計算機。因此，本研究將其功能劃分為教學服務、Zigee網管、數據訪問服務這3大功能模塊。教學服務模塊通過調用Zigbeee網關模塊來接收、顯示傳輸來的課堂教學互動信息，而無線通信過程中將以數據包的形式進行傳輸，但Zigbee數據包的有效載荷僅為80個字節左右，因此，互動教學的數據字段最大長度設定為60(Max_DATA_LEN)個字節，此時一個數據包的最大長度為65個字節，控制在最大載荷內；同時，在接收數據包后，數據訪問服務模塊將接收包的序列碼，利用CRC檢驗算法生成一個16位的檢驗碼，將數字以高低字節排序規則置于數據包之中，據此，便可判定是否存在丟包、漏包的問題，待檢驗正確無誤后，解析和處理數據包，以開展互動教學活動。

4 結語

鑒于傳統單向知識傳輸的弊端性，課堂互動教學系統的開發與應用已成為必然趨勢。文章融合Zigbee協議在高時效、大容量、低功耗、抗干擾等方面的優勢，設計課堂互動教學系統，保證師生互動信息實現多點、實時、同步的傳輸，讓師生第一時間獲知教學反饋，及早發現問題、解決問題，調整教學策略、進度，真正回歸以學生為中心的教學本質，助推現代信息化教學改革的新發展。