基于射頻識(shí)別和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的教學(xué)互動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳伶，沈岳，傅自鋼

（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410128）

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是集信息采集、傳輸、處理于一體的綜合智能信息系統(tǒng),具有低成本、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、自組織網(wǎng)絡(luò)等特點(diǎn).ZigBee技術(shù)是為低速率傳感器和控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧,適合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn).ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，具有巨大的應(yīng)用潛力[1-2].

射頻識(shí)別 (radio frequency identification，RFID)技術(shù)是利用射頻信號(hào)通過(guò)空間耦合 (交變磁場(chǎng)或電磁場(chǎng))實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸信息傳遞并通過(guò)所傳遞的信息達(dá)到自動(dòng)識(shí)別目的的技術(shù)[3].近年來(lái)，RFID技術(shù)在物流領(lǐng)域被廣泛采用，它被業(yè)界公認(rèn)為是本世紀(jì)最有前途的重要產(chǎn)業(yè)和應(yīng)用技術(shù)之一.RFID技術(shù)的獨(dú)特作用是能夠在網(wǎng)絡(luò)的虛擬世界中標(biāo)記現(xiàn)實(shí)世界的任何物或人，具有 “標(biāo)記”、“地址號(hào)碼”和 “傳感”三大功能.

1 RFID、ZigBee技術(shù)及其特性

1.1 RFID技術(shù)及其特性

RFID技術(shù)利用無(wú)線射頻方式在閱讀器和射頻卡之間進(jìn)行非接觸雙向數(shù)據(jù)傳輸，以達(dá)到目標(biāo)識(shí)別和數(shù)據(jù)交換的目的.

RFID讀寫(xiě)器的工作流程是：讀寫(xiě)器通過(guò)發(fā)射天線發(fā)送一定頻率的射頻信號(hào)，當(dāng)射頻卡進(jìn)入發(fā)射天線工作區(qū)域時(shí)，產(chǎn)生感應(yīng)電流，射頻卡獲得能量被激活；射頻卡將自身編碼等信息通過(guò)卡內(nèi)置發(fā)送天線發(fā)送出去；讀寫(xiě)器接收天線接收到從射頻卡發(fā)送來(lái)的載波信號(hào)，經(jīng)天線調(diào)節(jié)器傳送到讀寫(xiě)器，讀寫(xiě)器對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)和解碼.

在耦合方式 (電感-電磁)、通信流程(FDX、HDX、SEQ)、從射頻卡到閱讀器的數(shù)據(jù)傳輸方法(負(fù)載調(diào)制、反向散射、高次諧波)以及頻率范圍等方面，不同的非接觸傳輸方法有根本的區(qū)別，但所有的閱讀器在功能原理上，以及由此決定的設(shè)計(jì)構(gòu)造上都很相似，所有閱讀器均可簡(jiǎn)化為高頻接口和控制單元兩個(gè)基本模塊.高頻接口包含發(fā)送器和接收器，其功能包括：產(chǎn)生高頻發(fā)射功率以啟動(dòng)射頻卡并提供能量；對(duì)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，用于將數(shù)據(jù)傳送給射頻卡；接收并解調(diào)來(lái)自射頻卡的高頻信號(hào).控制單元的功能包括：與應(yīng)用系統(tǒng)軟件進(jìn)行通信，并執(zhí)行應(yīng)用系統(tǒng)軟件發(fā)來(lái)的命令；控制與射頻卡的通信過(guò)程(主-從原則)；信號(hào)的編解碼.對(duì)一些特殊的系統(tǒng)還有執(zhí)行防碰撞算法，對(duì)射頻卡與閱讀器間要傳送的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和解密，以及進(jìn)行射頻卡和閱讀器間的身份驗(yàn)證等附加功能.

1.2 ZigBee技術(shù)

ZigBee技術(shù)是一種具有統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的短距離無(wú)線通信技術(shù).完整的ZigBee協(xié)議棧由物理層、介質(zhì)訪問(wèn)控制層、網(wǎng)絡(luò)層、安全層和應(yīng)用層組成.其物理層和介質(zhì)訪問(wèn)控制層協(xié)議為IEEE802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)[4],網(wǎng)絡(luò)層和安全層由ZigBee聯(lián)盟制定,應(yīng)用層的開(kāi)發(fā)可由用戶根據(jù)自己的需要進(jìn)行[1,5].

2 ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)模塊的軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件結(jié)構(gòu)

ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的軟件主要由嵌入式操作系統(tǒng)、ZigBee協(xié)議棧和應(yīng)用程序組成,嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核提供了簡(jiǎn)單高效的任務(wù)調(diào)動(dòng)、中斷處理和時(shí)間隊(duì)列管理等,還包括所有硬件的底層驅(qū)動(dòng).應(yīng)用程序包括串口通信、射頻通信和信號(hào)強(qiáng)度檢測(cè)等[6].采用模塊化的設(shè)計(jì)協(xié)議棧,使得整個(gè)系統(tǒng)層次清楚、擴(kuò)展性好、有利于ZigBee技術(shù)的二次開(kāi)發(fā).

2.2 協(xié)議棧設(shè)計(jì)

ZigBee協(xié)議棧能夠確保無(wú)線設(shè)備在低成本、低功耗和低速率網(wǎng)絡(luò)中的互操作.ZigBee協(xié)議棧的不同層通過(guò)服務(wù)接入點(diǎn)進(jìn)行通信,大多數(shù)層有兩個(gè)接口:數(shù)據(jù)實(shí)體接口和管理實(shí)體接口.數(shù)據(jù)實(shí)體接口的目標(biāo)是向上層提供所需的常規(guī)數(shù)據(jù)服務(wù).管理實(shí)體接口的目標(biāo)是向上層提供訪問(wèn)內(nèi)部層參數(shù)、配置和管理數(shù)據(jù)的機(jī)制[1].

由于ZigBee技術(shù)已經(jīng)定義了物理層、介質(zhì)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,因此這三層的實(shí)現(xiàn)通常是類似的.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的不同應(yīng)用都是由基本應(yīng)用組成,如加入網(wǎng)絡(luò)、脫離網(wǎng)絡(luò)、發(fā)送數(shù)據(jù)等.本系統(tǒng)使用IAR Embedded Workbench軟件編寫(xiě)了系統(tǒng)平臺(tái)的物理層、介質(zhì)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層程序代碼,其中每層的頭文件定義了該層所支持的服務(wù)與應(yīng)用程序接口.同時(shí)還提供了一些應(yīng)用接口,如 aplFormNetwork ()、aplJoinNetwork()、aplSendMSG()等,用戶可以通過(guò)調(diào)用這些函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)自身的開(kāi)發(fā)應(yīng)用.

3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)總體

本互動(dòng)系統(tǒng)由RFID系統(tǒng)跟ZigBee子系統(tǒng)組成，可以提高學(xué)生與教師之間的學(xué)習(xí)互動(dòng)，并可有效管理學(xué)生的出勤以及學(xué)生上課的學(xué)習(xí)效果與吸收知識(shí)的進(jìn)度.教師可以隨時(shí)掌握學(xué)生學(xué)習(xí)的進(jìn)度并可以針對(duì)學(xué)生較不熟悉的課程內(nèi)容加強(qiáng)補(bǔ)益.學(xué)生也可依靠此系統(tǒng)有效地與教師溝通互動(dòng)，針對(duì)不熟悉的地方加以學(xué)習(xí)并隨時(shí)提出問(wèn)題，可避免當(dāng)面提問(wèn)可能出現(xiàn)的窘迫或遺漏重點(diǎn).

本系統(tǒng)采用RFID與ZigBee相結(jié)合的方式，RFID數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)線交互通信，實(shí)現(xiàn)學(xué)生與教師間的互動(dòng)，如提問(wèn)，回答，投票，出勤考核等功能.

3.1 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

每一門課程的選課學(xué)生均配予一個(gè)學(xué)生卡(Tag)，在上課教室的每一座位桌上裝有一簡(jiǎn)易讀取器(Reader)子系統(tǒng)，當(dāng)學(xué)生進(jìn)入教室上課，桌上的讀取器子系統(tǒng)即可自動(dòng)感應(yīng)并讀取學(xué)生卡，此時(shí)讀取器會(huì)將信息經(jīng)ZigBee無(wú)線方式傳送到教師講臺(tái)上的主系統(tǒng)，教師經(jīng)由此主系統(tǒng)可了解有多少學(xué)生上課，可以先期了解學(xué)生出席記錄，并加以統(tǒng)計(jì).

學(xué)生子系統(tǒng)上配有3個(gè)按鍵與指示燈(LED)，針對(duì)教師發(fā)問(wèn)，學(xué)生可以通過(guò)子系統(tǒng)上的按鍵回答yes或no(了解或不了解)，此時(shí)通過(guò)ZigBee無(wú)線回傳至教師講臺(tái)上的主系統(tǒng)，主系統(tǒng)配有一顯示屏可顯示對(duì)應(yīng)子系統(tǒng)的按鍵和控制鍵盤(pán)，可以顯示學(xué)生身份與位置，教師可以通過(guò)顯示器即時(shí)了解學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容的掌握情況，并根據(jù)情況加以補(bǔ)充，也可通過(guò)按鍵選擇呼叫某位學(xué)生 (每一子系統(tǒng) (例如:A~Z)對(duì)應(yīng)主系統(tǒng)上的按鍵A~Z).被呼叫的學(xué)生桌上的子系統(tǒng)的指示燈(LED)便會(huì)亮起或是閃爍，直至學(xué)生按yes鍵.

3.2 教師端系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2 教師端系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

硬件配備：ZigBee無(wú)線傳輸模塊，LCD顯示器，鍵盤(pán)，RFID讀卡器，存儲(chǔ)器.

功能：教師卡對(duì)應(yīng)該教師的權(quán)限，在該教師權(quán)限下，可進(jìn)行RFID信息讀取，對(duì)學(xué)生的提問(wèn)，發(fā)起投票，檢查考勤人數(shù)，記錄班級(jí)出勤人員名單以及未出勤人員名單.所有結(jié)果由LCD顯示器顯示.教師端系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示.

3.3 學(xué)生端系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

硬件配備：ZigBee無(wú)線傳輸模塊，按鍵，RFID讀卡器.功能：發(fā)問(wèn)請(qǐng)求，問(wèn)題回答 （Y/N），RFID信息發(fā)送.學(xué)生端系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示.

圖3 學(xué)生端系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.4 系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)

頻段：2.4~2.475 GHz；通訊協(xié)議：標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.15.4；網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：星形；調(diào)制方式：DSSS；數(shù)據(jù)傳輸速率：250 kBps；接收靈敏度：－94 dBm通信距離：50~70 m；數(shù)據(jù)加密：128-bit AES；信道接入方式：CSMA/CA；信道數(shù)：1~16；發(fā)射電流：約28 mA；接收電流：約28 mA；休眠電流：20 uA以下；工作溫度-40～85℃.

4 結(jié)論

筆者采用RFID與ZigBee相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)了學(xué)生與教師間的互動(dòng).用RFID技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集傳輸，ZigBee無(wú)線傳輸模塊采用星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)從學(xué)生端節(jié)點(diǎn)到教師端的無(wú)線傳輸.系統(tǒng)設(shè)備選用低功耗的硬件和傳輸協(xié)議，且加入節(jié)點(diǎn)休眠機(jī)制，使該系統(tǒng)具有能耗低、通信范圍大、穩(wěn)定性高的特點(diǎn).實(shí)際教學(xué)應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了教學(xué)互動(dòng)系統(tǒng)的基本功能.本系統(tǒng)的ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和RFID射頻識(shí)別技術(shù)實(shí)行模塊化設(shè)計(jì)，具有可擴(kuò)展性，稍做修改，便可移植到其他的應(yīng)用系統(tǒng)中.

[1]蔣挺,趙成林.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京:北京郵電大學(xué)出版社,2006.

[2]孫利民,李建中.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005.

[3]董海濤,屈玉貴.ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2007(12):124-126.

[4]IEEE 802 Std 802.15.4.Wireless Medium Access Control(MAC)and Physical Layer (PHY).Specifications for LowRate Wireless Personal Area Network.http://standards.ieee.org,2003.

[5]ZigBee Alliance.ZigBee Specification V1.0.http://www.ZigBee.org,2005.

[6]JIN Shyan Lee,YANG-Chih Huang.ITRI ZBnode:A ZigBee/IEEE 802.15.4 platform for wireless sensor networks.2006 IEEE Conference on Systems,Man,and Cybernetics,2006.