教學用無線答題統(tǒng)計系統(tǒng)

摘要 設計一款教學用無線答題器，取代原始的舉手答題，并具有統(tǒng)計答案的功能，為中小學生教育帶來了方便。文中采用TI公司新推出的支持IEEE 802．15．4標準的SOC—CC2530，制定了適合無線答題器網絡的通信協(xié)議，分析了整個無線通訊數據收發(fā)過程，給出具體的硬件設計和軟件設計要點。試驗表明，該系統(tǒng)能較好地滿足教學的需要，并具有較高的穩(wěn)定性和可靠性。
關鍵詞 CC2530；無線答題器；統(tǒng)計系統(tǒng)；通訊協(xié)議；IEEE 802．15．4

    隨著無線局域網的發(fā)展，無線技術自身的優(yōu)勢不斷在應用中體現(xiàn)出來。目前國內教學課堂答題方式還停留在原始的口頭答題，老師無法進行準確的答案統(tǒng)計。準確的答案統(tǒng)計，對于老師了解學生知識掌握情況和教學是有益的。本文采用TI公司的ZigbeeCC2530芯片，內部集成了一個8051處理器和一個無線射頻模塊，設計了一款教學用無線答題系統(tǒng)，方便了學生在課堂中回答問題，也解決了教學中答案準確統(tǒng)計問題。具有構建成本低，使用方便等特點。

1 系統(tǒng)概述
1．1 系統(tǒng)組成
    該無線答題統(tǒng)計系統(tǒng)由上位機、教師模塊(父節(jié)點)、學生模塊(子節(jié)點)3部分組成，如圖1所示。上位機是基于Windows的串口通信程序，它通過電腦串口和父節(jié)點連接，父節(jié)點和子節(jié)點都是無線通信模塊。各模塊功能如圖1所示。

    上位機功能：(1)負責向父節(jié)點發(fā)送命令；(2)接受父節(jié)點發(fā)來的答題數據；(3)對收集的數據進行統(tǒng)計顯示。
    父節(jié)點功能：(1)接受上位機發(fā)來的命令；(2)向子節(jié)點發(fā)送相應的命令；(3)收集子節(jié)點答題信息。
    子節(jié)點功能：(1)接受父節(jié)點發(fā)來的命令；(2)將信息發(fā)給父節(jié)點。
    硬件實物圖如圖2所示。圖2是父節(jié)點的硬件布局：(1)是程序下載口；(2)是電源開關；(3)是電池供電接口；(4)是跳針，戴上跳線帽時允許電池供電，摘下跳線帽時不允許電池供電；(5)是USB供電接口。(6)是RS232接口。

    圖3是子節(jié)點的硬件布局：(1)是程序下載口；(2)是電源開關；(3)是電池供電接口；(4)是跳針，戴上跳線帽時允許電池供電，摘下跳線帽時不允許電池供電；(5)是USB供電接口；(6)是液晶顯示器；(7)是按鍵和LED燈。
1．2 系統(tǒng)基本流程
    系統(tǒng)初始化后，上位機向父節(jié)點發(fā)送“在線查詢”命令，父節(jié)點接收命令，并向子節(jié)點廣播該“在線查詢”命令，子節(jié)點接收到命令后將自己的節(jié)點號和在線狀態(tài)回復給父節(jié)點，父節(jié)點接收到子節(jié)點的狀態(tài)回復后，也向子節(jié)點回復“收到確認”信號，同時父節(jié)點向上位機上傳各子節(jié)點的在線情況。這就完成了“在線查詢”命令。
    上位機向父節(jié)點發(fā)送“開始答題”命令，父節(jié)點接受命令，并向子節(jié)點廣播該“開始答題”命令，子節(jié)點接收到命令后答題允許指示燈亮，這時子節(jié)點可以選擇答案“A，B，C，D”其中一個，然后按確認鍵將自己的節(jié)點號和答案發(fā)送給父節(jié)點，父節(jié)點收到后將收到的信號原封不動地作為確認信號回發(fā)給子節(jié)點，子節(jié)點收到確認信號后，對應的答案燈會亮，表示確認你選的是哪個答案。譬如，子節(jié)點選的是“A”，父節(jié)點確認后，A燈亮。
    流程圖如圖4所示。

2 設計原理
    系統(tǒng)的基本流程如上所述，下面具體闡述各模塊的設計原理。

2．1 上位機
    上位機為一般的串口通信程序，它有3個功能：
    (1)通過串口向父節(jié)點發(fā)送命令。上位機命令只有兩個：在線查詢命令和答題允許命令。這兩個命令均由3 Byte組成，本文定義在線查詢命令格式為，其中xx為任意數。答題允許命令格式為。
    (2)接收父節(jié)點傳來的數據。當父節(jié)點收集了子節(jié)點發(fā)來的數據后，便會定時向上位機發(fā)送數據，數據格式如圖5所示。當上位機接收到以0xA0開頭的數據，便是節(jié)點在線情況回復數據，以0xEE結束；當接收到以0xA5開頭的數據，便是節(jié)點答題數據，以0xEE結束。

    (3)統(tǒng)計接收到的數據。上位機將接受到的答案數據，以圓柱圖形統(tǒng)計顯示出來。
2．2 父節(jié)點
    父節(jié)點是連接子節(jié)點和上位機的紐帶，其具有3個功能：
    (1)接收上位機發(fā)來的命令；
    (2)向子節(jié)點發(fā)送相應的命令和回復。當父節(jié)點接收到上位機的在線查詢命令時，首先判斷xx是廣播命令還是單播命令，如果是廣播命令，便將發(fā)送地址設為0xFFFF，載荷為0xA0；如果是單播命令，便將地址設為0xFFxx，載荷為0xA0。當子節(jié)點收到在線查詢命令后，便將自己設為在線，同時回復0xA0和節(jié)點號。父節(jié)點根據0xA0便知回復的是查詢命令，根據節(jié)點號便知道該節(jié)點在線。
    同理，當父節(jié)點接收到上位機允許答題命令后，便廣播發(fā)送允許答題命令。子節(jié)點收到該命令后，即回復，父節(jié)點通過結構體Studen-t．ANSWER[i]存儲子節(jié)點的答案。并回復子節(jié)點表示數據已收到。
    (3)收集子節(jié)點的在線情況與答題回復。父節(jié)點通過結構體Student[i]．NODE_NUMBER，存儲子節(jié)點號，Student[i]．LINE存儲在線情況，Student[i]．ANSWER存儲答案。
2．3 子節(jié)點
    子節(jié)點模塊是直接與學生接觸的終端，與父節(jié)點相比，多了顯示屏、按鍵和對應的LED燈，子節(jié)點有兩種功能：
    (1)接受父節(jié)點發(fā)來的命令。當子節(jié)點接收到在線查詢命令后，便回復信號，表示該節(jié)點在線。
    (2)將答案信息發(fā)給父節(jié)點。當子節(jié)點接收到允許答題命令后，便回復信號。

3 硬件電路設計
    本設計采用TI公司新推出支持IEEE 802．15．4標準的SOC—CC2530作為控制芯片，CC2530集成一個工業(yè)級的8051和一個無線射頻模塊。內含8 kBRAM，32 kB閃存，以及其他支持功能和外設。CC2530所集成的無線射頻模塊，提供101 dB的鏈路質量，優(yōu)秀的接收器靈敏度和抗干擾性。

3．1 子節(jié)點電路圖
    子節(jié)點電路圖如圖7所示。

3．2 父節(jié)點電路圖
    父節(jié)點電路圖如圖8所示。

4 軟件設計
    父子節(jié)點流程如圖9所示，其中結構體Smdem由ONMNE、ANSWER和NODE_NUMBER組成，分別代表在線信息，答案和節(jié)點號，其中ONLINE=1
表示在線，ANSWER取值為“A，B，C，D”。注意此結構體只存在于父節(jié)點中。

    子節(jié)點圖中ONUNE是子節(jié)點的在線標志，TX_ALLOW是子節(jié)點允許答題標志，置1有效。注意，為了防止子節(jié)點重啟后不被父節(jié)點識別，本文設計在每次答題前都發(fā)送在線查詢命令，接著再發(fā)送答題允許命令。

5 實驗結果
    實驗結果如圖11所示，在線人數40人，第一題，選A的18人，B的12人，C的6人，D的4人。由實驗過程可知，無線答題器工作穩(wěn)定，操作簡便。

6 結束語
    本文介紹了教學用無線答題器，提出了具體的軟硬件設計方法，并開發(fā)出實物產品。該無線答題器，工作穩(wěn)定、性能可靠、操作簡單、界面簡潔易懂、成本低廉、適合教學需求。