基于无线通信技术的课堂互动教学系统设计

武 凝

(陕西交通职业技术学院，陕西 西安 710018)

1 系统的整体框架设计

随着现代信息化教学的发展，课堂互动教学不再是单一的问答与解惑，且不局限于特定的时空，师生共处于一个大的网络结构中，教师通过遥控终端实施教学、考核、评测等教学活动，学生则基于手机、电脑等智能终端在线进行学习、评价反馈。本研究拟设计的课堂互动教学系统应该涵盖在线教学、应答、考勤、评价反馈等功能，由Zigbee无线通信网络、课堂互动软件两大模块构成。其中，Zigbee无线通信网络由手持应答器、遥控器、收发器等组成，且各组成部分均存在应用层、网络层、媒体介入控制(Media Access Control，MAC)层、物理层4层结构，各层结构均准许执行Zigbee无线通信网络的协议标准。学生终端利用手持应答器、教师终端利用遥控器，便可基于Zigbee无线通信网络实现在线问答、教学活动，而收发器可初始化并构建Zigbee无线通信网络，接受来自师生终端的入网请求，以便进行课堂的互动教学。系统的整体框架构成如图1所示。

图1 基于Zigbee无线通信技术的课堂互动教学系统框架

2 系统的硬件选型及设计

由上述框架设计可知，基于Zigbee无线通信的课堂互动教学系统由Zigbee芯片、接收器、应答器和收发器等硬件构成，以这些硬件的选型及设计为重点，进行如下分析。

2.1 Zigbee芯片

TI公司生产的CC2430型号的Zigbee芯片是真正的系统芯片(System on Chip，SoC)CMOS解决方案，其采用0.18 μm CMOS制造工艺，电流损耗极低，在网络信号收发模式下，电流损耗均在25 mA以下，休眠与主动模式可自主切换，适用于课堂互动教学中超长的电池能量支撑需求，且具备2.4 GHz ISM波段集成符合IEEE802.15.4标准的射频(Radio Frequency，RF)无线电收发机[1]，配置轻便、低功耗的8051微控制器核，无线接收灵敏度及抗干扰性能较优，适用于不同课堂互动教学环境下的无线网络通信需求。同时，在课堂互动系统中，需选用一个Coordinator作为Zigbee无线通信网络的核心节点，用以进行互动信息的上传、下达，此处选用收发器实现该功能。开启收发器后，将在适宜的信道上初始化并组建Zigbee无线通信网络。而且，应实现系统节能设计，使师生手持的遥控器、应答器发挥Zigbee无线通信网络的EndDevice的功能，在无互动教学活动时进入休眠状态，有需求时才运行。因CC2430Zigbee芯片的EndDevice在休眠状态下的电流控制在3A之内，便可支撑遥控器、应答器的长期、低功耗运行。

2.2 手持终端设备

师生手持的遥控器、应答器、收发器等终端设备是完成在线考勤、答疑解惑教学互动的有效支撑。其中，学生应答器是学生进行考勤、问题提交的硬件支撑，在框架设计中将其嵌入Zigbee网络，学生基于该无线通信网络便可将应答信息传输至收发器，且因其多为按键操作，使用普通电池即可实现长时间运行；遥控器是附带按键功能嵌入Zigbee无线通信网络的教师终端设备，可辅助教师完成课堂教学、在线问答、教互动交互、考勤测评等教学活动，摆脱了键盘或鼠标束缚下课堂互动教学的时空限制。教师基于Zigbee无线通信技术可以在教室内的任何地点进行教学互动，便于实时追踪、查看学生的学习反馈；收发器是配设在每个教学计算机上进行课堂互动的核心设备，内置Zigbee模块，经由硬件接口与教学计算机连接，可实时、准确接收师生应答与遥控信息，并将其传输至上位机。通常，硬件接口存在通用串行总线(Universal Serial Bus，USB)接口、串口两类，但CC2430Zigbee芯片并未配置USB接口[2]，因此，需在系统中增设USB驱动部分，而选用串口作为收发器和教学计算机的硬件接口可省去USB驱动设计，且CC2430芯片自带两个通用异步收发口(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART)和驱动代码，让串口连接设计更简单。

3 软件的结构及设计

系统中，与Zigbee无线通信网络连接的各终端设备功能的实现，均需要软件流程及结构的支撑，具体设计如下。

3.1 下位机软件

下位机软件是师生手持应答器、遥控器及Zigbee无线通信网络传输设备收发器的结构设计，均由应用层、网络层、物理层、MAC层4层结构组成，因Zigbee无线通信网络中数据路由是完全自由的，源节点的应用层将生成数据传输请求，而后自上而下，经由网络层、MAC层传输至目标节点物理层，便可完成数据传输的请求任务。在这过程中，因需要经过不同的网络节点，而Zigbee无线通信网络可自主组建多级路由[3]，辅助源节点的应用层在既定的路由信息指引下，自主、准确地达到节点的物理层，快速完成数据传输请求的处理。所有的手持终端设备经由上述4层结构嵌入Zigbee芯片中，因课堂互动系统多在教室内，对于传感器节点要求不高，且无线网络传输范围较小，所以本研究选用网状网络完成Zigbee无线网络的自组网，也就是将网络节点作为路由路径，数据包将根据路由协议以无线的方式在节点之间进行教学互动数据的传输，此时，Zigbee无线通信网络以对等射频设备为基础构成，剔除了节点之间路由器网络的布设，无须从以往的WLAN接入点布线至一个有线端口，可实现自主的无线通信配置，秉承邻近节点的通信规则，确定最优的多跳传输路径。此时，一个终端节点发出的互动教学信息将根据Zigbee通信协议的配置逐条完成数据传输。

3.2 上位机软件

上位机软件即为安装在教学计算机内部的互动教学软件，其利用收发器和串口操控Zigbee无线通信网络，基于课堂互动数据的传输发挥在线教学、问答解疑、教学互动等功能。上位机软件的主要功能就是接收、处理收发器传输过来的教学互动信息，并将其存储在本地计算机。因此，本研究将其功能划分为教学服务、Zigee网管、数据访问服务这3大功能模块。教学服务模块通过调用Zigbeee网关模块来接收、显示传输来的课堂教学互动信息，而无线通信过程中将以数据包的形式进行传输，但Zigbee数据包的有效载荷仅为80个字节左右，因此，互动教学的数据字段最大长度设定为60(Max_DATA_LEN)个字节，此时一个数据包的最大长度为65个字节，控制在最大载荷内；同时，在接收数据包后，数据访问服务模块将接收包的序列码，利用CRC检验算法生成一个16位的检验码，将数字以高低字节排序规则置于数据包之中，据此，便可判定是否存在丢包、漏包的问题，待检验正确无误后，解析和处理数据包，以开展互动教学活动。

4 结语

鉴于传统单向知识传输的弊端性，课堂互动教学系统的开发与应用已成为必然趋势。文章融合Zigbee协议在高时效、大容量、低功耗、抗干扰等方面的优势，设计课堂互动教学系统，保证师生互动信息实现多点、实时、同步的传输，让师生第一时间获知教学反馈，及早发现问题、解决问题，调整教学策略、进度，真正回归以学生为中心的教学本质，助推现代信息化教学改革的新发展。