武 凝

(陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710018)

1 系統(tǒng)的整體框架設(shè)計(jì)

隨著現(xiàn)代信息化教學(xué)的發(fā)展，課堂互動(dòng)教學(xué)不再是單一的問答與解惑，且不局限于特定的時(shí)空，師生共處于一個(gè)大的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，教師通過遙控終端實(shí)施教學(xué)、考核、評(píng)測(cè)等教學(xué)活動(dòng)，學(xué)生則基于手機(jī)、電腦等智能終端在線進(jìn)行學(xué)習(xí)、評(píng)價(jià)反饋。本研究擬設(shè)計(jì)的課堂互動(dòng)教學(xué)系統(tǒng)應(yīng)該涵蓋在線教學(xué)、應(yīng)答、考勤、評(píng)價(jià)反饋等功能，由Zigbee無線通信網(wǎng)絡(luò)、課堂互動(dòng)軟件兩大模塊構(gòu)成。其中，Zigbee無線通信網(wǎng)絡(luò)由手持應(yīng)答器、遙控器、收發(fā)器等組成，且各組成部分均存在應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、媒體介入控制(Media Access Control，MAC)層、物理層4層結(jié)構(gòu)，各層結(jié)構(gòu)均準(zhǔn)許執(zhí)行Zigbee無線通信網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。學(xué)生終端利用手持應(yīng)答器、教師終端利用遙控器，便可基于Zigbee無線通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)在線問答、教學(xué)活動(dòng)，而收發(fā)器可初始化并構(gòu)建Zigbee無線通信網(wǎng)絡(luò)，接受來自師生終端的入網(wǎng)請(qǐng)求，以便進(jìn)行課堂的互動(dòng)教學(xué)。系統(tǒng)的整體框架構(gòu)成如圖1所示。

圖1 基于Zigbee無線通信技術(shù)的課堂互動(dòng)教學(xué)系統(tǒng)框架

2 系統(tǒng)的硬件選型及設(shè)計(jì)

由上述框架設(shè)計(jì)可知，基于Zigbee無線通信的課堂互動(dòng)教學(xué)系統(tǒng)由Zigbee芯片、接收器、應(yīng)答器和收發(fā)器等硬件構(gòu)成，以這些硬件的選型及設(shè)計(jì)為重點(diǎn)，進(jìn)行如下分析。

2.1 Zigbee芯片

TI公司生產(chǎn)的CC2430型號(hào)的Zigbee芯片是真正的系統(tǒng)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(wǎng)絡(luò)信號(hào)收發(fā)模式下，電流損耗均在25 mA以下，休眠與主動(dòng)模式可自主切換，適用于課堂互動(dòng)教學(xué)中超長(zhǎng)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(biāo)準(zhǔn)的射頻(Radio Frequency，RF)無線電收發(fā)機(jī)[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(yōu)，適用于不同課堂互動(dòng)教學(xué)環(huán)境下的無線網(wǎng)絡(luò)通信需求。同時(shí)，在課堂互動(dòng)系統(tǒng)中，需選用一個(gè)Coordinator作為Zigbee無線通信網(wǎng)絡(luò)的核心節(jié)點(diǎn)，用以進(jìn)行互動(dòng)信息的上傳、下達(dá)，此處選用收發(fā)器實(shí)現(xiàn)該功能。開啟收發(fā)器后，將在適宜的信道上初始化并組建Zigbee無線通信網(wǎng)絡(luò)。而且，應(yīng)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)，使師生手持的遙控器、應(yīng)答器發(fā)揮Zigbee無線通信網(wǎng)絡(luò)的EndDevice的功能，在無互動(dòng)教學(xué)活動(dòng)時(shí)進(jìn)入休眠狀態(tài)，有需求時(shí)才運(yùn)行。因CC2430Zigbee芯片的EndDevice在休眠狀態(tài)下的電流控制在3A之內(nèi)，便可支撐遙控器、應(yīng)答器的長(zhǎng)期、低功耗運(yùn)行。

2.2 手持終端設(shè)備

師生手持的遙控器、應(yīng)答器、收發(fā)器等終端設(shè)備是完成在線考勤、答疑解惑教學(xué)互動(dòng)的有效支撐。其中，學(xué)生應(yīng)答器是學(xué)生進(jìn)行考勤、問題提交的硬件支撐，在框架設(shè)計(jì)中將其嵌入Zigbee網(wǎng)絡(luò)，學(xué)生基于該無線通信網(wǎng)絡(luò)便可將應(yīng)答信息傳輸至收發(fā)器，且因其多為按鍵操作，使用普通電池即可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行；遙控器是附帶按鍵功能嵌入Zigbee無線通信網(wǎng)絡(luò)的教師終端設(shè)備，可輔助教師完成課堂教學(xué)、在線問答、教互動(dòng)交互、考勤測(cè)評(píng)等教學(xué)活動(dòng)，擺脫了鍵盤或鼠標(biāo)束縛下課堂互動(dòng)教學(xué)的時(shí)空限制。教師基于Zigbee無線通信技術(shù)可以在教室內(nèi)的任何地點(diǎn)進(jìn)行教學(xué)互動(dòng)，便于實(shí)時(shí)追蹤、查看學(xué)生的學(xué)習(xí)反饋；收發(fā)器是配設(shè)在每個(gè)教學(xué)計(jì)算機(jī)上進(jìn)行課堂互動(dòng)的核心設(shè)備，內(nèi)置Zigbee模塊，經(jīng)由硬件接口與教學(xué)計(jì)算機(jī)連接，可實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確接收師生應(yīng)答與遙控信息，并將其傳輸至上位機(jī)。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(tǒng)中增設(shè)USB驅(qū)動(dòng)部分，而選用串口作為收發(fā)器和教學(xué)計(jì)算機(jī)的硬件接口可省去USB驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，且CC2430芯片自帶兩個(gè)通用異步收發(fā)口(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART)和驅(qū)動(dòng)代碼，讓串口連接設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單。

3 軟件的結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中，與Zigbee無線通信網(wǎng)絡(luò)連接的各終端設(shè)備功能的實(shí)現(xiàn)，均需要軟件流程及結(jié)構(gòu)的支撐，具體設(shè)計(jì)如下。

3.1 下位機(jī)軟件

下位機(jī)軟件是師生手持應(yīng)答器、遙控器及Zigbee無線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備收發(fā)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，均由應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、物理層、MAC層4層結(jié)構(gòu)組成，因Zigbee無線通信網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)路由是完全自由的，源節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用層將生成數(shù)據(jù)傳輸請(qǐng)求，而后自上而下，經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)層、MAC層傳輸至目標(biāo)節(jié)點(diǎn)物理層，便可完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼?qǐng)求任務(wù)。在這過程中，因需要經(jīng)過不同的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，而Zigbee無線通信網(wǎng)絡(luò)可自主組建多級(jí)路由[3]，輔助源節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用層在既定的路由信息指引下，自主、準(zhǔn)確地達(dá)到節(jié)點(diǎn)的物理層，快速完成數(shù)據(jù)傳輸請(qǐng)求的處理。所有的手持終端設(shè)備經(jīng)由上述4層結(jié)構(gòu)嵌入Zigbee芯片中，因課堂互動(dòng)系統(tǒng)多在教室內(nèi)，對(duì)于傳感器節(jié)點(diǎn)要求不高，且無線網(wǎng)絡(luò)傳輸范圍較小，所以本研究選用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)完成Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)的自組網(wǎng)，也就是將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)作為路由路徑，數(shù)據(jù)包將根據(jù)路由協(xié)議以無線的方式在節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行教學(xué)互動(dòng)數(shù)據(jù)的傳輸，此時(shí)，Zigbee無線通信網(wǎng)絡(luò)以對(duì)等射頻設(shè)備為基礎(chǔ)構(gòu)成，剔除了節(jié)點(diǎn)之間路由器網(wǎng)絡(luò)的布設(shè)，無須從以往的WLAN接入點(diǎn)布線至一個(gè)有線端口，可實(shí)現(xiàn)自主的無線通信配置，秉承鄰近節(jié)點(diǎn)的通信規(guī)則，確定最優(yōu)的多跳傳輸路徑。此時(shí)，一個(gè)終端節(jié)點(diǎn)發(fā)出的互動(dòng)教學(xué)信息將根據(jù)Zigbee通信協(xié)議的配置逐條完成數(shù)據(jù)傳輸。

3.2 上位機(jī)軟件

上位機(jī)軟件即為安裝在教學(xué)計(jì)算機(jī)內(nèi)部的互動(dòng)教學(xué)軟件，其利用收發(fā)器和串口操控Zigbee無線通信網(wǎng)絡(luò)，基于課堂互動(dòng)數(shù)據(jù)的傳輸發(fā)揮在線教學(xué)、問答解疑、教學(xué)互動(dòng)等功能。上位機(jī)軟件的主要功能就是接收、處理收發(fā)器傳輸過來的教學(xué)互動(dòng)信息，并將其存儲(chǔ)在本地計(jì)算機(jī)。因此，本研究將其功能劃分為教學(xué)服務(wù)、Zigee網(wǎng)管、數(shù)據(jù)訪問服務(wù)這3大功能模塊。教學(xué)服務(wù)模塊通過調(diào)用Zigbeee網(wǎng)關(guān)模塊來接收、顯示傳輸來的課堂教學(xué)互動(dòng)信息，而無線通信過程中將以數(shù)據(jù)包的形式進(jìn)行傳輸，但Zigbee數(shù)據(jù)包的有效載荷僅為80個(gè)字節(jié)左右，因此，互動(dòng)教學(xué)的數(shù)據(jù)字段最大長(zhǎng)度設(shè)定為60(Max_DATA_LEN)個(gè)字節(jié)，此時(shí)一個(gè)數(shù)據(jù)包的最大長(zhǎng)度為65個(gè)字節(jié)，控制在最大載荷內(nèi)；同時(shí)，在接收數(shù)據(jù)包后，數(shù)據(jù)訪問服務(wù)模塊將接收包的序列碼，利用CRC檢驗(yàn)算法生成一個(gè)16位的檢驗(yàn)碼，將數(shù)字以高低字節(jié)排序規(guī)則置于數(shù)據(jù)包之中，據(jù)此，便可判定是否存在丟包、漏包的問題，待檢驗(yàn)正確無誤后，解析和處理數(shù)據(jù)包，以開展互動(dòng)教學(xué)活動(dòng)。

4 結(jié)語

鑒于傳統(tǒng)單向知識(shí)傳輸?shù)谋锥诵?，課堂互動(dòng)教學(xué)系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用已成為必然趨勢(shì)。文章融合Zigbee協(xié)議在高時(shí)效、大容量、低功耗、抗干擾等方面的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)課堂互動(dòng)教學(xué)系統(tǒng)，保證師生互動(dòng)信息實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)、實(shí)時(shí)、同步的傳輸，讓師生第一時(shí)間獲知教學(xué)反饋，及早發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，調(diào)整教學(xué)策略、進(jìn)度，真正回歸以學(xué)生為中心的教學(xué)本質(zhì)，助推現(xiàn)代信息化教學(xué)改革的新發(fā)展。