聽障學生教學系統設計與實現

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一、系統的總體設計方案

（一）ZigBee通信協議棧及網絡拓撲結構。在無線通信過程中，為了確保通信數據能夠有效的發送和接收，各個通信設備必須按照統一的標準進行通信，這個統一的標準通常就稱之為協議，協議往往通過協議棧來實現，也可以認為協議棧是協議和用戶之間的一個接口，開發人員就是通過協議棧來實現這個協議的。ZigBee的網絡拓撲結構根據網絡應用領域的不同，主要包括兩種：一種是星型拓撲結構，另一種是網型拓撲結構[3]。最小的組成單元可以由一個設備構成，這個設備既可以是具有完整功能的設備，也可以是精簡功能設備。在星型拓撲和網型拓撲結構中，由PAN主協調器的中央控制器和若干個終端設備組成。（二）系統組成。本系統是基于網蜂CC2530嵌入式開發板，運行于Z-stack操作系統下，并利用基于ZigBee無線技術的CC2530芯片作為數據傳輸方式的一套軟、硬件應用的設備。此系統主要分為三個模塊：教師終端（無線發送模塊）、無線通信模塊和學生顯示終端（無線接收模塊）。教師終端可以向學生終端發送“上課”“下課”“提問”等基本信息，ZigBee無線網絡可以保證數據可靠、安全、穩定的傳輸。設計與實現的系統主要目的是為了加強和提高聽障學生課堂教學的師生互動效果，主要包含6個功能模塊，分別是教師考勤模塊、教師提問模塊、課堂管理模塊、學生提問模塊、學生搶答模塊和時鐘顯示模塊。教師端為RS-232觸屏外觀，無發送信號時學生終端顯示當前時間，發送信號時，教師既可以通過觸屏向學生終端上廣播發送“上課”“下課”“考勤”等群發指令，也可以一對一向學生發送“提問”信息等，此時學生終端顯示相關指令的同時還會發生震動；同時學生也可以通過手表按鍵向老師觸屏上發送“答疑”信息，以示向老師提問。

二、系統硬件設計與實現

（一）教師終端。其整體框架為Stemwin中對話框，它與Windows中的對話框基本相同，此處使用的是非阻塞式對話框，也就是說，對話框的狀態不會影響進程向下執行，對話框上的一切控件都是它的子窗口。界面的標題欄采用Framewin框架來完成，與windows下的標題欄相同，主要是顯示該窗口的屬性。界面中的相關文字顯示分別由不同的進程所管理，如時間由讀取時間的進程管理，信息欄由信息顯示進程進行管理，通過操作系統進行分時復用。界面中的按鍵由Button控件實現，在Stemwin中，Button的檢測由觸摸檢測任務來提供信息，當響應位置的屏幕按下的時候，Stemwin自動調用用戶設定的回調函數來進行相關的處理。（二）無線通信模塊。其主要任務是將教師在終端發出的命令信號通過協調器傳給學生。在ZigBee協議棧中進行數據發送可以借助于函數來完成，此函數可以調用函數庫中與硬件相關聯的一些數據信號通過天線發送出去[4]。本系統的無線發送模塊是采用TI公司生產的CC2530芯片進行設計的，此芯片只需很少的外圍設備就能將信號進行接收和發送。教師可以通過教師按下“上課”“下課”“提問”“點名”等按鍵傳送相應信息，學生終端通過ZigBee網絡自動進行接收，此時全體同學手表震動的同時顯示“上課”“下課”等字樣。此系統在實現點名功能時，教師可以通過終端的矩陣鍵盤來實現，可以提前給學生進行編號，存入單片機數據庫中，上課時教師在矩陣鍵盤上按下相應的學生編號，此時和此編號一致的同學的手表就會發生震動并顯示相應的編號信息，通過舉手示意老師。（三）學生顯示終端。學生終端的輸出設備選擇0.96寸的OLED屏幕，采用I2C總線驅動，解決了CC2530芯片I/O口數量較少的問題。OLED顯示文字的原理：OLED中是沒有字庫的，想要顯示文字，那么我們要自己制作字庫，這里使用專用的軟件制作了16*16的ASCIII碼及常用漢字字庫，得益于CC2530的大容量ROM，可以將字庫存儲在ROM中。

三、系統軟件設計

（一）教師終端應用軟件設計。教師控制器作為終端，只需裝載一些簡單協議棧即可實現，教師終端長時間處于低功耗的待機狀態，上課時，教師只需按下相應按鍵，即可隨時向學生發送提示信息。（二）協調器應用軟件設計。協調器的無線收發模塊采用的是TI公司生產的CC2530，它是整個網絡的核心，集成了51單片機的內核，它是真正的片上系統解決方案[5]，其主要功能是既可以將教師終端發送的信號發送給學生終端，也能實現將學生終端發來的信號發送給教師控制器。其工作過程如下：首先，系統開始后進入中斷，完成后進入待機狀態，當教師端按下按鍵時，將會觸發系統的串口中斷激活系統，然后中斷服務程序將系統置為工作模式，先對命令進行識別，然后將命令以打包的形式進行發送，發送完畢后繼續進入待機狀態。

四、系統特點

（一）便捷性：教師和學生都只需按下按鍵即可發送信息至協調器。（二）可靠性：具有良好的無線傳輸性能和較為完善的通信協議的ZigBee技術，可以保證數據穩定可靠的傳輸；上位機也是穩定而且可靠的，完全可以使系統安全可靠。（三）可擴展性：當學生人數發生改變（增加或減少）或者教師命令發生刪減時，只需修改幾條指令即可實現。（四）智能化：系統簡單，界面友好且直觀，使課堂管理實現智能化和信息化。系統硬件調試已經完成，在聽障學生課堂進行測試應用，可以有效提高課堂教學質量，并可提高師生互動多少百分比達20%左右。結語實踐證明，ZigBee技術的使用能夠達到預期效果，有效提高聽障學生課堂教學效率，尤其在師生互動環節效果更加顯著。但該系統實現功能還應繼續完善，使其能更好地服務于聽障學生的課堂教學，并嘗試將其應用于聽障學生的日常生活等領域。

作者:王雪飛 孫強 單位:牡丹江師范學院物理與電子工程學院 綏化學院電氣工程學院

參考文獻:

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[3]黎步銀，張杰.基于ZigBee的智能電網高級量測體系數據采集系統[J]．儀表技術與傳感器，2015（10）：60－63.

[4]陳琦，韓冰，秦偉俊，等.基于Zigbee／GPRS物聯網網關系統的設計與實現[J].計算機研究與發展，2011，48（S2）：367－372.

[4]周嶺松，余春暄.基于ZigBee技術的溫、濕度控制系統[J].電子測量技術，2011，34(6)：47-50．

[5]王小強,歐陽駿，黃寧淋.ZigBee無線傳感器網絡設計與實現[M].北京：化學工業出版社，2012．