基于射频识别和无线传感器网络技术的教学互动系统设计

吴伶，沈岳，傅自钢

（湖南农业大学 信息科学技术学院，湖南长沙410128）

无线传感器网络是集信息采集、传输、处理于一体的综合智能信息系统,具有低成本、低功耗、低数据速率、自组织网络等特点.ZigBee技术是为低速率传感器和控制网络设计的标准无线网络协议栈,适合无线传感器网络的标准.ZigBee无线传感器网络是基于ZigBee技术的无线传感器网络，具有巨大的应用潜力[1-2].

射频识别 (radio frequency identification，RFID)技术是利用射频信号通过空间耦合 (交变磁场或电磁场)实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到自动识别目的的技术[3].近年来，RFID技术在物流领域被广泛采用，它被业界公认为是本世纪最有前途的重要产业和应用技术之一.RFID技术的独特作用是能够在网络的虚拟世界中标记现实世界的任何物或人，具有 “标记”、“地址号码”和 “传感”三大功能.

1 RFID、ZigBee技术及其特性

1.1 RFID技术及其特性

RFID技术利用无线射频方式在阅读器和射频卡之间进行非接触双向数据传输，以达到目标识别和数据交换的目的.

RFID读写器的工作流程是：读写器通过发射天线发送一定频率的射频信号，当射频卡进入发射天线工作区域时，产生感应电流，射频卡获得能量被激活；射频卡将自身编码等信息通过卡内置发送天线发送出去；读写器接收天线接收到从射频卡发送来的载波信号，经天线调节器传送到读写器，读写器对接收的信号进行解调和解码.

在耦合方式 (电感-电磁)、通信流程(FDX、HDX、SEQ)、从射频卡到阅读器的数据传输方法(负载调制、反向散射、高次谐波)以及频率范围等方面，不同的非接触传输方法有根本的区别，但所有的阅读器在功能原理上，以及由此决定的设计构造上都很相似，所有阅读器均可简化为高频接口和控制单元两个基本模块.高频接口包含发送器和接收器，其功能包括：产生高频发射功率以启动射频卡并提供能量；对发射信号进行调制，用于将数据传送给射频卡；接收并解调来自射频卡的高频信号.控制单元的功能包括：与应用系统软件进行通信，并执行应用系统软件发来的命令；控制与射频卡的通信过程(主-从原则)；信号的编解码.对一些特殊的系统还有执行防碰撞算法，对射频卡与阅读器间要传送的数据进行加密和解密，以及进行射频卡和阅读器间的身份验证等附加功能.

1.2 ZigBee技术

ZigBee技术是一种具有统一技术标准的短距离无线通信技术.完整的ZigBee协议栈由物理层、介质访问控制层、网络层、安全层和应用层组成.其物理层和介质访问控制层协议为IEEE802.15.4协议标准[4],网络层和安全层由ZigBee联盟制定,应用层的开发可由用户根据自己的需要进行[1,5].

2 ZigBee无线传感器网络模块的软件设计

2.1 软件结构

ZigBee无线传感器网络设备的软件主要由嵌入式操作系统、ZigBee协议栈和应用程序组成,嵌入式操作系统内核提供了简单高效的任务调动、中断处理和时间队列管理等,还包括所有硬件的底层驱动.应用程序包括串口通信、射频通信和信号强度检测等[6].采用模块化的设计协议栈,使得整个系统层次清楚、扩展性好、有利于ZigBee技术的二次开发.

2.2 协议栈设计

ZigBee协议栈能够确保无线设备在低成本、低功耗和低速率网络中的互操作.ZigBee协议栈的不同层通过服务接入点进行通信,大多数层有两个接口:数据实体接口和管理实体接口.数据实体接口的目标是向上层提供所需的常规数据服务.管理实体接口的目标是向上层提供访问内部层参数、配置和管理数据的机制[1].

由于ZigBee技术已经定义了物理层、介质链路层和网络层的标准规范,因此这三层的实现通常是类似的.无线传感器网络的不同应用都是由基本应用组成,如加入网络、脱离网络、发送数据等.本系统使用IAR Embedded Workbench软件编写了系统平台的物理层、介质链路层和网络层程序代码,其中每层的头文件定义了该层所支持的服务与应用程序接口.同时还提供了一些应用接口,如 aplFormNetwork ()、aplJoinNetwork()、aplSendMSG()等,用户可以通过调用这些函数来实现自身的开发应用.

3 系统功能设计总体

本互动系统由RFID系统跟ZigBee子系统组成，可以提高学生与教师之间的学习互动，并可有效管理学生的出勤以及学生上课的学习效果与吸收知识的进度.教师可以随时掌握学生学习的进度并可以针对学生较不熟悉的课程内容加强补益.学生也可依靠此系统有效地与教师沟通互动，针对不熟悉的地方加以学习并随时提出问题，可避免当面提问可能出现的窘迫或遗漏重点.

本系统采用RFID与ZigBee相结合的方式，RFID数据进行无线交互通信，实现学生与教师间的互动，如提问，回答，投票，出勤考核等功能.

3.1 系统功能结构设计

每一门课程的选课学生均配予一个学生卡(Tag)，在上课教室的每一座位桌上装有一简易读取器(Reader)子系统，当学生进入教室上课，桌上的读取器子系统即可自动感应并读取学生卡，此时读取器会将信息经ZigBee无线方式传送到教师讲台上的主系统，教师经由此主系统可了解有多少学生上课，可以先期了解学生出席记录，并加以统计.

学生子系统上配有3个按键与指示灯(LED)，针对教师发问，学生可以通过子系统上的按键回答yes或no(了解或不了解)，此时通过ZigBee无线回传至教师讲台上的主系统，主系统配有一显示屏可显示对应子系统的按键和控制键盘，可以显示学生身份与位置，教师可以通过显示器即时了解学生对课程内容的掌握情况，并根据情况加以补充，也可通过按键选择呼叫某位学生 (每一子系统 (例如:A~Z)对应主系统上的按键A~Z).被呼叫的学生桌上的子系统的指示灯(LED)便会亮起或是闪烁，直至学生按yes键.

3.2 教师端系统结构设计

图2 教师端系统结构图

硬件配备：ZigBee无线传输模块，LCD显示器，键盘，RFID读卡器，存储器.

功能：教师卡对应该教师的权限，在该教师权限下，可进行RFID信息读取，对学生的提问，发起投票，检查考勤人数，记录班级出勤人员名单以及未出勤人员名单.所有结果由LCD显示器显示.教师端系统结构如图2所示.

3.3 学生端系统结构设计

硬件配备：ZigBee无线传输模块，按键，RFID读卡器.功能：发问请求，问题回答 （Y/N），RFID信息发送.学生端系统结构如图3所示.

图3 学生端系统结构图

3.4 系统的主要技术参数

频段：2.4~2.475 GHz；通讯协议：标准IEEE 802.15.4；网络拓扑结构：星形；调制方式：DSSS；数据传输速率：250 kBps；接收灵敏度：－94 dBm通信距离：50~70 m；数据加密：128-bit AES；信道接入方式：CSMA/CA；信道数：1~16；发射电流：约28 mA；接收电流：约28 mA；休眠电流：20 uA以下；工作温度-40～85℃.

4 结论

笔者采用RFID与ZigBee相结合的方式，实现了学生与教师间的互动.用RFID技术进行数据采集传输，ZigBee无线传输模块采用星形网络拓扑结构，实现了数据从学生端节点到教师端的无线传输.系统设备选用低功耗的硬件和传输协议，且加入节点休眠机制，使该系统具有能耗低、通信范围大、稳定性高的特点.实际教学应用结果表明，该系统实现了教学互动系统的基本功能.本系统的ZigBee无线传感器网络和RFID射频识别技术实行模块化设计，具有可扩展性，稍做修改，便可移植到其他的应用系统中.

[1]蒋挺,赵成林.无线传感器网络技术及其应用[M].北京:北京邮电大学出版社,2006.

[2]孙利民,李建中.无线传感器网络[M].北京:清华大学出版社,2005.

[3]董海涛,屈玉贵.ZigBee无线传感器网络平台的设计与实现[J].电子技术应用,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.