基于ZigBee的教學(xué)應(yīng)答系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

陳 科，蘇魯陽，楊筆鋒,

(1.成都信息工程大學(xué)，四川 成都 610225；2.中國氣象局大氣探測重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610225)

0 引言

近些年,對于不少在校大學(xué)生而言，度過了高考大關(guān)，似乎已經(jīng)厭倦了課堂學(xué)習(xí)和思考問題。即使是一名優(yōu)秀的高校教師也難以徹底擺脫課堂的沉悶氣氛。如何讓更多人參與到知識探索中成為當(dāng)前高校教育面臨的一個(gè)問題。教師的教學(xué)水平對課堂固然有一定影響，但是恰當(dāng)?shù)亩嗝襟w支持能讓課堂更具有活力。

本文基于ZigBee以及Z-stack協(xié)議棧對協(xié)調(diào)器、終端節(jié)點(diǎn)、路由器進(jìn)行了程序設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了一套應(yīng)答系統(tǒng)。將整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器作為教師端模塊，用于建立網(wǎng)絡(luò)、引導(dǎo)其他模塊加入網(wǎng)絡(luò)以及管理學(xué)生端，并通過串口與上位機(jī)進(jìn)行交互操作；將ZigBee網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點(diǎn)作為學(xué)生端，無線發(fā)送來自學(xué)生的輸入信息，無線接收來自教師端的信息；將ZigBee網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)路由器分別作為指紋識別模塊以及副協(xié)調(diào)器，前者傳輸指紋信息，后者接收來自主協(xié)調(diào)器的狀態(tài)信息，當(dāng)主協(xié)調(diào)器異常時(shí)，副協(xié)調(diào)器將對其進(jìn)行替換，保證系統(tǒng)穩(wěn)定。上位機(jī)同步來自服務(wù)器的課程信息，對各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行組網(wǎng)配置，避免教室之間的錯(cuò)誤入網(wǎng)現(xiàn)象。

1 系統(tǒng)整體流程

系統(tǒng)整體流程如圖1所示，每間教室都有一個(gè)主協(xié)調(diào)器用于搭建網(wǎng)絡(luò)并與上位機(jī)進(jìn)行通信，備份協(xié)調(diào)器用于異常處理[1]。當(dāng)一堂課快要開始時(shí)，教師登錄上位機(jī)軟件，學(xué)生進(jìn)入教室，并通過指紋模塊進(jìn)行簽到。在學(xué)生簽到后，指紋ID信息通過無線發(fā)送給協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器接收到指紋ID后，通過串口反饋給上位機(jī)[2]。上位機(jī)軟件會顯示學(xué)生的實(shí)時(shí)簽到信息。

簽到完成后，學(xué)生用學(xué)生端模塊，在確保成功連入ZigBee網(wǎng)絡(luò)的情況下，用學(xué)號進(jìn)行登錄。上位機(jī)對登錄信息進(jìn)行識別，若發(fā)現(xiàn)輸入有誤或者這堂課上沒有該生信息，立即反饋給學(xué)生端錯(cuò)誤信息，并不予登錄；反之，學(xué)生端模塊將進(jìn)入答題界面，準(zhǔn)備答題或是表決。

圖1 系統(tǒng)總體流程

當(dāng)課程結(jié)束時(shí)，上位機(jī)軟件下達(dá)下課指令，所有終端節(jié)點(diǎn)切換自身的個(gè)域網(wǎng)地址并重啟，為下一堂課做好準(zhǔn)備。

2 Z-stack協(xié)議棧流程

TI的Z-Stack協(xié)議棧從總體上來看主要由三部分組成：硬件抽象層(Hardware Abstraction Layer，HAL)、操作系統(tǒng)抽象層(Operating System Abstraction Layer，OSAL)和ZigBee協(xié)議各層。

在整個(gè)Z-Stack系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，主函數(shù)主要完成兩個(gè)任務(wù)。其一，整個(gè)系統(tǒng)的初始化，其中涉及HAL中各個(gè)硬件模塊的初始化；其二，系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置和任務(wù)優(yōu)先級的劃分。

圖2所示為系統(tǒng)啟動(dòng)流程，首先屏蔽所有中斷，在經(jīng)歷底板、IO、硬件驅(qū)動(dòng)、非易失存儲器等硬件相關(guān)的初始化后，通過OSAL的初始化函數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)初始化操作，這包括存儲器、定時(shí)器等；之后通過任務(wù)初始化函數(shù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置和任務(wù)分級，并對系統(tǒng)任務(wù)和用戶任務(wù)進(jìn)行初始化操作[3]；最后通過OSAL啟動(dòng)函數(shù)進(jìn)入輪詢狀態(tài)，不停地監(jiān)聽任務(wù)事件的觸發(fā)，并跳轉(zhuǎn)至任務(wù)執(zhí)行函數(shù)。所有用戶想觸發(fā)的事件必須要注冊登記，以此綁定事件與用戶任務(wù)，這樣當(dāng)事件觸發(fā)時(shí)，比如按鍵按下時(shí)，系統(tǒng)才能從輪詢中正常跳轉(zhuǎn)至用戶的執(zhí)行函數(shù)[4]。

圖2 協(xié)議棧系統(tǒng)流程

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)的軟件部分包括上位機(jī)、協(xié)調(diào)器、路由器以及各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的程序設(shè)計(jì)[5]。本文主要在ZigBee2007版協(xié)議棧的基礎(chǔ)上對后三者的流程進(jìn)行講解，對其中涉及的液晶屏、按鍵、指紋傳感器等模塊只做簡略介紹，并不深究其控制代碼。

3.1 協(xié)調(diào)器程序設(shè)計(jì)

為了方便管理，本系統(tǒng)對每一個(gè)設(shè)備設(shè)置了一個(gè)8位ID，協(xié)調(diào)器設(shè)置為0x00[6]。整個(gè)軟件流程如圖3所示，協(xié)調(diào)器上電后，在完成協(xié)議棧的各項(xiàng)底層初始化操作后，開始組建網(wǎng)絡(luò)[7]。主協(xié)調(diào)器搭建起了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，以2.4 GHz作為此方案的通信頻段，選用16號信道，引入節(jié)點(diǎn)和路由器，構(gòu)建樹型網(wǎng)絡(luò)。2.4 GHz頻段下，在一個(gè)教室內(nèi)部進(jìn)行無線通信，其通信質(zhì)量是可以得到保證的[8]。

之后，系統(tǒng)進(jìn)行所需模塊的初始化，主要有以下3點(diǎn):

(1)完成液晶屏的初始化界面顯示。協(xié)調(diào)器現(xiàn)階段幾乎不會用液晶屏和按鍵，因此對于協(xié)調(diào)器而言，液晶屏目前僅僅為其顯示連接狀態(tài)，按鍵也僅僅留出硬件接口，以便后續(xù)功能補(bǔ)充。

(2)進(jìn)行端點(diǎn)描述、地址類型結(jié)構(gòu)體的參數(shù)配置。對于端點(diǎn)，一個(gè)設(shè)備上可以擁有多個(gè)端點(diǎn)，它的作用主要是將不同的無線任務(wù)進(jìn)行分類。當(dāng)某個(gè)設(shè)備在接收數(shù)據(jù)包時(shí)，首先匹配短地址，成功后再由底層解析并分發(fā)給對應(yīng)端點(diǎn)，如端點(diǎn)不匹配則直接丟棄。在本項(xiàng)目中，所有設(shè)備的端點(diǎn)號都設(shè)為8。

圖3 協(xié)調(diào)器軟件流程

而地址類型結(jié)構(gòu)體，即afAddrType_t，是對端點(diǎn)、目的地址、發(fā)送模式、個(gè)域網(wǎng)地址的一種包裝。在配置好這樣一個(gè)結(jié)構(gòu)體之后，用戶在使用無線傳輸函數(shù)進(jìn)行無線數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，可以很方便地調(diào)用。為了讓整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的無線傳輸數(shù)據(jù)分類更加清楚，本項(xiàng)目定義了三個(gè)這樣的結(jié)構(gòu)體，對應(yīng)三種傳輸情況，協(xié)調(diào)器用到了兩種：廣播(教師端向所有學(xué)生端發(fā)送信息，便于題目的下達(dá))和單播(教師端向單個(gè)學(xué)生端發(fā)消息，便于單獨(dú)抽問)。

(3)進(jìn)行串口的初始化與注冊。對于串口，本項(xiàng)目利用協(xié)議棧中的調(diào)試層，對串口進(jìn)行簡單快捷的處理。因?yàn)檎{(diào)試層中有許多調(diào)試接口能與各層進(jìn)行直接通信，利用串口，聯(lián)系上位機(jī)與用戶任務(wù)顯得更加方便。

在完成初始化之后，系統(tǒng)將進(jìn)行輪詢狀態(tài)。但本項(xiàng)目中加入了定時(shí)觸發(fā)事件，主協(xié)調(diào)器將對副協(xié)調(diào)器定時(shí)每10 s發(fā)送一次狀態(tài)信息，當(dāng)副協(xié)調(diào)器連續(xù)3次未收到數(shù)據(jù)時(shí)，系統(tǒng)將認(rèn)為主協(xié)調(diào)器工作狀態(tài)異常，副協(xié)調(diào)器將執(zhí)行切換操作。

如果系統(tǒng)收到無線數(shù)據(jù)，也將跳轉(zhuǎn)執(zhí)行函數(shù)，并根據(jù)預(yù)先設(shè)置好的幀標(biāo)志位，判別接收信息的類別，然后對信息進(jìn)行加工，并通過串口向上位機(jī)上傳；同理，如果收到來自上位機(jī)的串口信息，也將判別指令類型，然后再控制各個(gè)學(xué)生端進(jìn)行操作[9]。

具體而言，上位機(jī)通過云端同步更新上課信息和指令信息。如圖3所示，上位機(jī)目前有7種命令格式傳遞給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器接收3種來自其他節(jié)點(diǎn)的信息。

在提問環(huán)節(jié)中，上位機(jī)目前支持的操作大致為：允許答題、禁止答題、單獨(dú)抽問、隨機(jī)分組、開啟答題倒計(jì)時(shí)，基本滿足課堂應(yīng)答的所需。

登錄認(rèn)證是為了對學(xué)生端的登錄信息進(jìn)行校對并及時(shí)反饋。

下課指令不僅為了清除當(dāng)前課堂的殘留數(shù)據(jù)，也更新了學(xué)生端的內(nèi)在組網(wǎng)配置，為下一次連接做準(zhǔn)備，避免設(shè)備錯(cuò)誤入網(wǎng)。

3.2 節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

與協(xié)調(diào)器一樣，為了方便管理，對每一個(gè)終端節(jié)點(diǎn)設(shè)置了一個(gè)8位ID，從0x01開始命名，最大0xfd。整個(gè)節(jié)點(diǎn)軟件流程如圖4所示，節(jié)點(diǎn)上電后，在完成協(xié)議棧的各項(xiàng)底層初始化操作后，開始根據(jù)當(dāng)前個(gè)域網(wǎng)地址值搜索網(wǎng)絡(luò)并加入，同時(shí)初始化用戶任務(wù)函數(shù)。之后，節(jié)點(diǎn)將進(jìn)行重連檢測。若在之前設(shè)備未登錄，則進(jìn)行正常的登錄操作，進(jìn)入答題界面答題并準(zhǔn)備執(zhí)行教師端所發(fā)指示；若在之前設(shè)備異常斷電，則將跳過登錄操作，并恢復(fù)一些數(shù)據(jù)。

圖4 節(jié)點(diǎn)軟件流程

節(jié)點(diǎn)上主要使用的兩個(gè)硬件模塊是液晶屏和矩陣鍵盤。液晶屏采用SPI接口接入?yún)f(xié)議棧，將一直引導(dǎo)用戶進(jìn)行相應(yīng)的操作。協(xié)議棧本身針對幾個(gè)獨(dú)立按鍵進(jìn)行了定義，本設(shè)計(jì)用到了其中兩個(gè)獨(dú)立按鍵，其中一個(gè)作為整個(gè)矩陣鍵盤的掃描啟動(dòng)開關(guān)，學(xué)生在輸入前需要先按下此鍵才能正常輸入；另外一個(gè)則作為手動(dòng)復(fù)位的按鈕，按下后，可以清除所有信息，包括Flash中保存的內(nèi)容。但根據(jù)項(xiàng)目的需求，硬件上又加入了4×4矩陣鍵盤，占用P1口共8個(gè)端口，支持16種字符的輸入，包括：0～9十個(gè)數(shù)字，A～D四個(gè)字母，*和#兩個(gè)功能按鍵。

3.2.1重連檢測

在初始化完成后，實(shí)際上因節(jié)點(diǎn)設(shè)備入網(wǎng)狀態(tài)的變化(從未組網(wǎng)變?yōu)榻K端節(jié)點(diǎn))，系統(tǒng)將退出輪詢?nèi)ヌ幚韴?zhí)行函數(shù)。系統(tǒng)判定入網(wǎng)設(shè)備的類型，如果是終端節(jié)點(diǎn)，則會進(jìn)行重連檢測。具體而言，用接口函數(shù)讀取Flash中的重連標(biāo)志位。

如果其值為1，則表示該設(shè)備之前已入網(wǎng)，需進(jìn)行界面恢復(fù)。該設(shè)備將恢復(fù)到之前答題界面，并且讀取Flash，然后將分組信息、倒計(jì)時(shí)信息也復(fù)原；如果其值為0，則表示上次是正常斷電。系統(tǒng)將進(jìn)行正常登錄操作，等待學(xué)生信息的錄入。

3.2.2顯示界面

主要設(shè)計(jì)的界面是登錄界面和答題界面，當(dāng)然還有一些其他反饋界面。

在登錄界面，本項(xiàng)目需要學(xué)生首先按下矩陣鍵盤的啟動(dòng)按鍵，再通過矩陣鍵盤輸入自己10位學(xué)號信息，以*鍵作為退格鍵，#鍵作為確認(rèn)鍵。發(fā)送后，等待協(xié)調(diào)器進(jìn)行認(rèn)證反饋。認(rèn)證成功，則液晶屏顯示“登錄成功”，進(jìn)入答題頁面；反之，則液晶屏顯示“登錄失敗”，重新進(jìn)入登錄頁面。為防止誤發(fā)送，在軟件后臺進(jìn)行了發(fā)送限制，當(dāng)輸入位數(shù)少于10位或包含其他字符，#鍵將失效。

在答題界面，節(jié)點(diǎn)將向協(xié)調(diào)器發(fā)送答題信息。但首先需要接收來自協(xié)調(diào)器的答題指令，當(dāng)節(jié)點(diǎn)收到允許答題指令時(shí)，節(jié)點(diǎn)內(nèi)置的答題開關(guān)(一個(gè)布爾型的變量)將開啟；同理，當(dāng)收到停止答題指令時(shí)，此開關(guān)將關(guān)閉。用戶需要在這段時(shí)間內(nèi)根據(jù)投影儀或PPT所示的題目，鍵入答案并發(fā)送。這是節(jié)點(diǎn)最主要也是最基本的輸入界面，答案長度最大16個(gè)字符。

3.2.3其他指令的操作

除了允許答題和關(guān)閉答題這兩個(gè)基本操作外，系統(tǒng)還有其他指令。

當(dāng)協(xié)調(diào)器收到上位機(jī)的隨機(jī)抽問命令，則會隨機(jī)開啟某一個(gè)節(jié)點(diǎn)答題開關(guān)，讓其答題。當(dāng)然，這個(gè)過程會有相應(yīng)的蜂鳴器和LED閃爍進(jìn)行提醒。

隨機(jī)分組指令讓所有在場學(xué)生平均并且隨機(jī)地分成幾個(gè)小組，小組編號將在節(jié)點(diǎn)的答題界面上進(jìn)行顯示。

開啟倒計(jì)時(shí)是讓答題者在限定時(shí)間內(nèi)答題，時(shí)間一到，節(jié)點(diǎn)便會停止作答，倒計(jì)時(shí)也將顯示在節(jié)點(diǎn)的液晶屏上。倒計(jì)時(shí)功能采用協(xié)議棧的事件定時(shí)觸發(fā)函數(shù)進(jìn)行操作，時(shí)間參數(shù)為1 000，即1 s觸發(fā)一次，事件每次觸發(fā)將更新液晶屏上的顯示時(shí)間，基本實(shí)現(xiàn)了時(shí)間同步。

對于下課指令，上位機(jī)可以向云端同步信息，從而得知班級下一個(gè)上課地點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址。這樣上位機(jī)就可以通過協(xié)調(diào)器控制所有節(jié)點(diǎn)軟切換其網(wǎng)絡(luò)配置，從而達(dá)到切換教室的效果，避免教室之間可能出現(xiàn)的誤組網(wǎng)問題[10]。

其具體切換流程為：各個(gè)節(jié)點(diǎn)從協(xié)調(diào)器獲取到新的網(wǎng)絡(luò)地址，然后調(diào)用接口函數(shù)寫入并更新自身的網(wǎng)絡(luò)地址，再清空重連標(biāo)志位和分組信息，避免再次鏈接時(shí)出現(xiàn)問題，最后進(jìn)行軟件重啟。

3.3 路由器軟件設(shè)計(jì)

在本設(shè)計(jì)中，路由器充當(dāng)兩個(gè)重要模塊，自定義的8位ID分別是0xfe和0xff。下面分別講解這兩個(gè)模塊。

3.3.1副協(xié)調(diào)器軟件流程

副協(xié)調(diào)器要想替換主協(xié)調(diào)器，自動(dòng)組建和維持ZigBee網(wǎng)絡(luò)，并讓之前網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)繼續(xù)工作，必須復(fù)制網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵參數(shù)，這些參數(shù)包括個(gè)域網(wǎng)地址、信道信息和網(wǎng)絡(luò)鄰居表。其中個(gè)域網(wǎng)地址和信道信息相對簡單，為了讓網(wǎng)絡(luò)鄰居表也簡單一些，此項(xiàng)目中副協(xié)調(diào)器將不引導(dǎo)其他節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)。

由于副協(xié)調(diào)器一開始就和主協(xié)調(diào)器在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，因此個(gè)域網(wǎng)地址和信道與主協(xié)調(diào)器一樣，不用處理。主協(xié)調(diào)器定時(shí)向副協(xié)調(diào)器發(fā)送狀態(tài)信息。實(shí)際上，這個(gè)信息就是主協(xié)調(diào)器通過系統(tǒng)接口函數(shù)獲取到的鄰居表，經(jīng)過包裝之后得到的信息幀。副協(xié)調(diào)器將該信息存儲在Flash中，一旦發(fā)生異常，則將Flash中存儲的設(shè)備間關(guān)系信息通過內(nèi)置函數(shù)進(jìn)行恢復(fù)，用副協(xié)調(diào)器重新啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。

如圖5所示，副協(xié)調(diào)器在進(jìn)行一系列初始化后進(jìn)入輪詢。正常情況下只需要接收狀態(tài)信息，并且計(jì)算與上一次接收的時(shí)間差。若超過30 s未收到數(shù)據(jù)，則進(jìn)行協(xié)調(diào)器的切換。

圖5 副協(xié)調(diào)器軟件流程

3.3.2指紋模塊軟件流程

本項(xiàng)目通過串口將指紋傳感器和ZigBee模塊聯(lián)系起來，組成一個(gè)指紋采集模塊[11]。

指紋錄入時(shí)，ZigBee模塊發(fā)送讀取圖像指令，然后傳感器開始讀取檢測到的指紋圖像，一段延時(shí)之后，再發(fā)送生成指紋特征指令，傳感器進(jìn)而將生成指紋特征。二次錄入時(shí)，也將生成一個(gè)指紋特征。接著ZigBee模塊發(fā)送模板特征比對指令。如果比對成功，則生成指紋模板，分配ID并存儲；若失敗則重新錄入。

檢測指紋時(shí)，與指紋錄入時(shí)一樣。ZigBee模塊同樣需要發(fā)送讀取圖像指令和生成指紋特征指令，從而獲取指紋特征。ZigBee模塊發(fā)送搜索指紋圖像指令。若比對成功，則向協(xié)調(diào)器發(fā)送指紋ID；若失敗，則重新錄入。

在上課之前，ZigBee模塊通過云端同步學(xué)生的指紋信息，并對指紋庫進(jìn)行更新。所以當(dāng)學(xué)生進(jìn)行簽到時(shí)，只需比對相應(yīng)信息，若比對成功，將無線發(fā)送特征指令。

如圖6所示，指紋模塊也需要加入到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，所以也要初始化協(xié)議棧。之后，模塊等待學(xué)生的指紋錄入，當(dāng)檢測到指紋圖像時(shí)，向傳感器獲取指紋特征。與庫信息進(jìn)行比對后，獲得其指紋ID，無線轉(zhuǎn)發(fā)給協(xié)調(diào)器，等待下一次的指紋簽到。

圖6 指紋模塊軟件流程

4 結(jié)論

本文基于ZigBee設(shè)計(jì)了一套教學(xué)應(yīng)答系統(tǒng)，主要說明了其中ZigBee軟件部分，對其中多個(gè)模塊的運(yùn)作進(jìn)行了分析。目前該系統(tǒng)已有一些基本功能，能夠基本滿足課堂需求。在實(shí)際使用中，上位機(jī)與協(xié)調(diào)器的通信無異常，能夠正常收發(fā)指令。各個(gè)教室內(nèi)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信順暢，且沒有錯(cuò)誤入網(wǎng)現(xiàn)象。對于后續(xù)的擴(kuò)展，可以考慮從手機(jī)入手，讓手機(jī)與云端相連，從而在課下為學(xué)生提供查漏補(bǔ)缺的機(jī)會。