教學(xué)用無線答題統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)

摘要 設(shè)計(jì)一款教學(xué)用無線答題器，取代原始的舉手答題，并具有統(tǒng)計(jì)答案的功能，為中小學(xué)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(biāo)準(zhǔn)的SOC—CC2530，制定了適合無線答題器網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議，分析了整個(gè)無線通訊數(shù)據(jù)收發(fā)過程，給出具體的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)要點(diǎn)。試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)能較好地滿足教學(xué)的需要，并具有較高的穩(wěn)定性和可靠性。
關(guān)鍵詞 CC2530；無線答題器；統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)；通訊協(xié)議；IEEE 802．15．4

    隨著無線局域網(wǎng)的發(fā)展，無線技術(shù)自身的優(yōu)勢(shì)不斷在應(yīng)用中體現(xiàn)出來。目前國(guó)內(nèi)教學(xué)課堂答題方式還停留在原始的口頭答題，老師無法進(jìn)行準(zhǔn)確的答案統(tǒng)計(jì)。準(zhǔn)確的答案統(tǒng)計(jì)，對(duì)于老師了解學(xué)生知識(shí)掌握情況和教學(xué)是有益的。本文采用TI公司的ZigbeeCC2530芯片，內(nèi)部集成了一個(gè)8051處理器和一個(gè)無線射頻模塊，設(shè)計(jì)了一款教學(xué)用無線答題系統(tǒng)，方便了學(xué)生在課堂中回答問題，也解決了教學(xué)中答案準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)問題。具有構(gòu)建成本低，使用方便等特點(diǎn)。

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

    上位機(jī)功能：(1)負(fù)責(zé)向父節(jié)點(diǎn)發(fā)送命令；(2)接受父節(jié)點(diǎn)發(fā)來的答題數(shù)據(jù)；(3)對(duì)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)顯示。
    父節(jié)點(diǎn)功能：(1)接受上位機(jī)發(fā)來的命令；(2)向子節(jié)點(diǎn)發(fā)送相應(yīng)的命令；(3)收集子節(jié)點(diǎn)答題信息。
    子節(jié)點(diǎn)功能：(1)接受父節(jié)點(diǎn)發(fā)來的命令；(2)將信息發(fā)給父節(jié)點(diǎn)。
    硬件實(shí)物圖如圖2所示。圖2是父節(jié)點(diǎn)的硬件布局：(1)是程序下載口；(2)是電源開關(guān)；(3)是電池供電接口；(4)是跳針，戴上跳線帽時(shí)允許電池供電，摘下跳線帽時(shí)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(diǎn)的硬件布局：(1)是程序下載口；(2)是電源開關(guān)；(3)是電池供電接口；(4)是跳針，戴上跳線帽時(shí)允許電池供電，摘下跳線帽時(shí)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。[!--empirenews.page--]
1．2 系統(tǒng)基本流程
    系統(tǒng)初始化后，上位機(jī)向父節(jié)點(diǎn)發(fā)送“在線查詢”命令，父節(jié)點(diǎn)接收命令，并向子節(jié)點(diǎn)廣播該“在線查詢”命令，子節(jié)點(diǎn)接收到命令后將自己的節(jié)點(diǎn)號(hào)和在線狀態(tài)回復(fù)給父節(jié)點(diǎn)，父節(jié)點(diǎn)接收到子節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)回復(fù)后，也向子節(jié)點(diǎn)回復(fù)“收到確認(rèn)”信號(hào)，同時(shí)父節(jié)點(diǎn)向上位機(jī)上傳各子節(jié)點(diǎn)的在線情況。這就完成了“在線查詢”命令。
    上位機(jī)向父節(jié)點(diǎn)發(fā)送“開始答題”命令，父節(jié)點(diǎn)接受命令，并向子節(jié)點(diǎn)廣播該“開始答題”命令，子節(jié)點(diǎn)接收到命令后答題允許指示燈亮，這時(shí)子節(jié)點(diǎn)可以選擇答案“A，B，C，D”其中一個(gè)，然后按確認(rèn)鍵將自己的節(jié)點(diǎn)號(hào)和答案發(fā)送給父節(jié)點(diǎn)，父節(jié)點(diǎn)收到后將收到的信號(hào)原封不動(dòng)地作為確認(rèn)信號(hào)回發(fā)給子節(jié)點(diǎn)，子節(jié)點(diǎn)收到確認(rèn)信號(hào)后，對(duì)應(yīng)的答案燈會(huì)亮，表示確認(rèn)你選的是哪個(gè)答案。譬如，子節(jié)點(diǎn)選的是“A”，父節(jié)點(diǎn)確認(rèn)后，A燈亮。
    流程圖如圖4所示。

2 設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)原理。

2．1 上位機(jī)
    上位機(jī)為一般的串口通信程序，它有3個(gè)功能：
    (1)通過串口向父節(jié)點(diǎn)發(fā)送命令。上位機(jī)命令只有兩個(gè)：在線查詢命令和答題允許命令。這兩個(gè)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(shù)。答題允許命令格式為。
    (2)接收父節(jié)點(diǎn)傳來的數(shù)據(jù)。當(dāng)父節(jié)點(diǎn)收集了子節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)后，便會(huì)定時(shí)向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)格式如圖5所示。當(dāng)上位機(jī)接收到以0xA0開頭的數(shù)據(jù)，便是節(jié)點(diǎn)在線情況回復(fù)數(shù)據(jù)，以0xEE結(jié)束；當(dāng)接收到以0xA5開頭的數(shù)據(jù)，便是節(jié)點(diǎn)答題數(shù)據(jù)，以0xEE結(jié)束。

    (3)統(tǒng)計(jì)接收到的數(shù)據(jù)。上位機(jī)將接受到的答案數(shù)據(jù)，以圓柱圖形統(tǒng)計(jì)顯示出來。[!--empirenews.page--]
2．2 父節(jié)點(diǎn)
    父節(jié)點(diǎn)是連接子節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)的紐帶，其具有3個(gè)功能：
    (1)接收上位機(jī)發(fā)來的命令；
    (2)向子節(jié)點(diǎn)發(fā)送相應(yīng)的命令和回復(fù)。當(dāng)父節(jié)點(diǎn)接收到上位機(jī)的在線查詢命令時(shí)，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(shè)為0xFFFF，載荷為0xA0；如果是單播命令，便將地址設(shè)為0xFFxx，載荷為0xA0。當(dāng)子節(jié)點(diǎn)收到在線查詢命令后，便將自己設(shè)為在線，同時(shí)回復(fù)0xA0和節(jié)點(diǎn)號(hào)。父節(jié)點(diǎn)根據(jù)0xA0便知回復(fù)的是查詢命令，根據(jù)節(jié)點(diǎn)號(hào)便知道該節(jié)點(diǎn)在線。
    同理，當(dāng)父節(jié)點(diǎn)接收到上位機(jī)允許答題命令后，便廣播發(fā)送允許答題命令。子節(jié)點(diǎn)收到該命令后，即回復(fù)，父節(jié)點(diǎn)通過結(jié)構(gòu)體Studen-t．ANSWER[i]存儲(chǔ)子節(jié)點(diǎn)的答案。并回復(fù)子節(jié)點(diǎn)表示數(shù)據(jù)已收到。
    (3)收集子節(jié)點(diǎn)的在線情況與答題回復(fù)。父節(jié)點(diǎn)通過結(jié)構(gòu)體Student[i]．NODE_NUMBER，存儲(chǔ)子節(jié)點(diǎn)號(hào)，Student[i]．LINE存儲(chǔ)在線情況，Student[i]．ANSWER存儲(chǔ)答案。
2．3 子節(jié)點(diǎn)
    子節(jié)點(diǎn)模塊是直接與學(xué)生接觸的終端，與父節(jié)點(diǎn)相比，多了顯示屏、按鍵和對(duì)應(yīng)的LED燈，子節(jié)點(diǎn)有兩種功能：
    (1)接受父節(jié)點(diǎn)發(fā)來的命令。當(dāng)子節(jié)點(diǎn)接收到在線查詢命令后，便回復(fù)信號(hào)，表示該節(jié)點(diǎn)在線。
    (2)將答案信息發(fā)給父節(jié)點(diǎn)。當(dāng)子節(jié)點(diǎn)接收到允許答題命令后，便回復(fù)信號(hào)。

3 硬件電路設(shè)計(jì)
    本設(shè)計(jì)采用TI公司新推出支持IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)的SOC—CC2530作為控制芯片，CC2530集成一個(gè)工業(yè)級(jí)的8051和一個(gè)無線射頻模塊。內(nèi)含8 kBRAM，32 kB閃存，以及其他支持功能和外設(shè)。CC2530所集成的無線射頻模塊，提供101 dB的鏈路質(zhì)量，優(yōu)秀的接收器靈敏度和抗干擾性。

3．1 子節(jié)點(diǎn)電路圖
    子節(jié)點(diǎn)電路圖如圖7所示。

3．2 父節(jié)點(diǎn)電路圖
    父節(jié)點(diǎn)電路圖如圖8所示。

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4 軟件設(shè)計(jì)
    父子節(jié)點(diǎn)流程如圖9所示，其中結(jié)構(gòu)體Smdem由ONMNE、ANSWER和NODE_NUMBER組成，分別代表在線信息，答案和節(jié)點(diǎn)號(hào)，其中ONLINE=1
表示在線，ANSWER取值為“A，B，C，D”。注意此結(jié)構(gòu)體只存在于父節(jié)點(diǎn)中。

    子節(jié)點(diǎn)圖中ONUNE是子節(jié)點(diǎn)的在線標(biāo)志，TX_ALLOW是子節(jié)點(diǎn)允許答題標(biāo)志，置1有效。注意，為了防止子節(jié)點(diǎn)重啟后不被父節(jié)點(diǎn)識(shí)別，本文設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果
    實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11所示，在線人數(shù)40人，第一題，選A的18人，B的12人，C的6人，D的4人。由實(shí)驗(yàn)過程可知，無線答題器工作穩(wěn)定，操作簡(jiǎn)便。

6 結(jié)束語(yǔ)
    本文介紹了教學(xué)用無線答題器，提出了具體的軟硬件設(shè)計(jì)方法，并開發(fā)出實(shí)物產(chǎn)品。該無線答題器，工作穩(wěn)定、性能可靠、操作簡(jiǎn)單、界面簡(jiǎn)潔易懂、成本低廉、適合教學(xué)需求。