听障学生教学系统设计与实现

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一、系统的总体设计方案

（一）ZigBee通信协议栈及网络拓扑结构。在无线通信过程中，为了确保通信数据能够有效的发送和接收，各个通信设备必须按照统一的标准进行通信，这个统一的标准通常就称之为协议，协议往往通过协议栈来实现，也可以认为协议栈是协议和用户之间的一个接口，开发人员就是通过协议栈来实现这个协议的。ZigBee的网络拓扑结构根据网络应用领域的不同，主要包括两种：一种是星型拓扑结构，另一种是网型拓扑结构[3]。最小的组成单元可以由一个设备构成，这个设备既可以是具有完整功能的设备，也可以是精简功能设备。在星型拓扑和网型拓扑结构中，由PAN主协调器的中央控制器和若干个终端设备组成。（二）系统组成。本系统是基于网蜂CC2530嵌入式开发板，运行于Z-stack操作系统下，并利用基于ZigBee无线技术的CC2530芯片作为数据传输方式的一套软、硬件应用的设备。此系统主要分为三个模块：教师终端（无线发送模块）、无线通信模块和学生显示终端（无线接收模块）。教师终端可以向学生终端发送“上课”“下课”“提问”等基本信息，ZigBee无线网络可以保证数据可靠、安全、稳定的传输。设计与实现的系统主要目的是为了加强和提高听障学生课堂教学的师生互动效果，主要包含6个功能模块，分别是教师考勤模块、教师提问模块、课堂管理模块、学生提问模块、学生抢答模块和时钟显示模块。教师端为RS-232触屏外观，无发送信号时学生终端显示当前时间，发送信号时，教师既可以通过触屏向学生终端上广播发送“上课”“下课”“考勤”等群发指令，也可以一对一向学生发送“提问”信息等，此时学生终端显示相关指令的同时还会发生震动；同时学生也可以通过手表按键向老师触屏上发送“答疑”信息，以示向老师提问。

二、系统硬件设计与实现

（一）教师终端。其整体框架为Stemwin中对话框，它与Windows中的对话框基本相同，此处使用的是非阻塞式对话框，也就是说，对话框的状态不会影响进程向下执行，对话框上的一切控件都是它的子窗口。界面的标题栏采用Framewin框架来完成，与windows下的标题栏相同，主要是显示该窗口的属性。界面中的相关文字显示分别由不同的进程所管理，如时间由读取时间的进程管理，信息栏由信息显示进程进行管理，通过操作系统进行分时复用。界面中的按键由Button控件实现，在Stemwin中，Button的检测由触摸检测任务来提供信息，当响应位置的屏幕按下的时候，Stemwin自动调用用户设定的回调函数来进行相关的处理。（二）无线通信模块。其主要任务是将教师在终端发出的命令信号通过协调器传给学生。在ZigBee协议栈中进行数据发送可以借助于函数来完成，此函数可以调用函数库中与硬件相关联的一些数据信号通过天线发送出去[4]。本系统的无线发送模块是采用TI公司生产的CC2530芯片进行设计的，此芯片只需很少的外围设备就能将信号进行接收和发送。教师可以通过教师按下“上课”“下课”“提问”“点名”等按键传送相应信息，学生终端通过ZigBee网络自动进行接收，此时全体同学手表震动的同时显示“上课”“下课”等字样。此系统在实现点名功能时，教师可以通过终端的矩阵键盘来实现，可以提前给学生进行编号，存入单片机数据库中，上课时教师在矩阵键盘上按下相应的学生编号，此时和此编号一致的同学的手表就会发生震动并显示相应的编号信息，通过举手示意老师。（三）学生显示终端。学生终端的输出设备选择0.96寸的OLED屏幕，采用I2C总线驱动，解决了CC2530芯片I/O口数量较少的问题。OLED显示文字的原理：OLED中是没有字库的，想要显示文字，那么我们要自己制作字库，这里使用专用的软件制作了16*16的ASCIII码及常用汉字字库，得益于CC2530的大容量ROM，可以将字库存储在ROM中。

三、系统软件设计

（一）教师终端应用软件设计。教师控制器作为终端，只需装载一些简单协议栈即可实现，教师终端长时间处于低功耗的待机状态，上课时，教师只需按下相应按键，即可随时向学生发送提示信息。（二）协调器应用软件设计。协调器的无线收发模块采用的是TI公司生产的CC2530，它是整个网络的核心，集成了51单片机的内核，它是真正的片上系统解决方案[5]，其主要功能是既可以将教师终端发送的信号发送给学生终端，也能实现将学生终端发来的信号发送给教师控制器。其工作过程如下：首先，系统开始后进入中断，完成后进入待机状态，当教师端按下按键时，将会触发系统的串口中断激活系统，然后中断服务程序将系统置为工作模式，先对命令进行识别，然后将命令以打包的形式进行发送，发送完毕后继续进入待机状态。

四、系统特点

（一）便捷性：教师和学生都只需按下按键即可发送信息至协调器。（二）可靠性：具有良好的无线传输性能和较为完善的通信协议的ZigBee技术，可以保证数据稳定可靠的传输；上位机也是稳定而且可靠的，完全可以使系统安全可靠。（三）可扩展性：当学生人数发生改变（增加或减少）或者教师命令发生删减时，只需修改几条指令即可实现。（四）智能化：系统简单，界面友好且直观，使课堂管理实现智能化和信息化。系统硬件调试已经完成，在听障学生课堂进行测试应用，可以有效提高课堂教学质量，并可提高师生互动多少百分比达20%左右。结语实践证明，ZigBee技术的使用能够达到预期效果，有效提高听障学生课堂教学效率，尤其在师生互动环节效果更加显著。但该系统实现功能还应继续完善，使其能更好地服务于听障学生的课堂教学，并尝试将其应用于听障学生的日常生活等领域。

作者:王雪飞 孙强 单位:牡丹江师范学院物理与电子工程学院 绥化学院电气工程学院

参考文献:

[1]刘万生.运用信息技术促进聋生的学习和发展[J].甘肃教育，2011（11）.

[2]樊锐，李茹，王绩一.蓝牙/ZigBee无线网络传输系统的设计与实现[J].计算机技术与发展,2013,23(1):209-213．

[3]黎步银，张杰.基于ZigBee的智能电网高级量测体系数据采集系统[J]．仪表技术与传感器，2015（10）：60－63.

[4]陈琦，韩冰，秦伟俊，等.基于Zigbee／GPRS物联网网关系统的设计与实现[J].计算机研究与发展，2011，48（S2）：367－372.

[4]周岭松，余春暄.基于ZigBee技术的温、湿度控制系统[J].电子测量技术，2011，34(6)：47-50．

[5]王小强,欧阳骏，黄宁淋.ZigBee无线传感器网络设计与实现[M].北京：化学工业出版社，2012．