基于ZigBee的教学应答系统软件设计

陈 科，苏鲁阳，杨笔锋,

(1.成都信息工程大学，四川 成都 610225；2.中国气象局大气探测重点开放实验室，四川 成都 610225)

0 引言

近些年,对于不少在校大学生而言，度过了高考大关，似乎已经厌倦了课堂学习和思考问题。即使是一名优秀的高校教师也难以彻底摆脱课堂的沉闷气氛。如何让更多人参与到知识探索中成为当前高校教育面临的一个问题。教师的教学水平对课堂固然有一定影响，但是恰当的多媒体支持能让课堂更具有活力。

本文基于ZigBee以及Z-stack协议栈对协调器、终端节点、路由器进行了程序设计，设计了一套应答系统。将整个ZigBee网络的协调器作为教师端模块，用于建立网络、引导其他模块加入网络以及管理学生端，并通过串口与上位机进行交互操作；将ZigBee网络的终端节点作为学生端，无线发送来自学生的输入信息，无线接收来自教师端的信息；将ZigBee网络的两个路由器分别作为指纹识别模块以及副协调器，前者传输指纹信息，后者接收来自主协调器的状态信息，当主协调器异常时，副协调器将对其进行替换，保证系统稳定。上位机同步来自服务器的课程信息，对各个终端节点进行组网配置，避免教室之间的错误入网现象。

1 系统整体流程

系统整体流程如图1所示，每间教室都有一个主协调器用于搭建网络并与上位机进行通信，备份协调器用于异常处理[1]。当一堂课快要开始时，教师登录上位机软件，学生进入教室，并通过指纹模块进行签到。在学生签到后，指纹ID信息通过无线发送给协调器。协调器接收到指纹ID后，通过串口反馈给上位机[2]。上位机软件会显示学生的实时签到信息。

签到完成后，学生用学生端模块，在确保成功连入ZigBee网络的情况下，用学号进行登录。上位机对登录信息进行识别，若发现输入有误或者这堂课上没有该生信息，立即反馈给学生端错误信息，并不予登录；反之，学生端模块将进入答题界面，准备答题或是表决。

图1 系统总体流程

当课程结束时，上位机软件下达下课指令，所有终端节点切换自身的个域网地址并重启，为下一堂课做好准备。

2 Z-stack协议栈流程

TI的Z-Stack协议栈从总体上来看主要由三部分组成：硬件抽象层(Hardware Abstraction Layer，HAL)、操作系统抽象层(Operating System Abstraction Layer，OSAL)和ZigBee协议各层。

在整个Z-Stack系统运行时，主函数主要完成两个任务。其一，整个系统的初始化，其中涉及HAL中各个硬件模块的初始化；其二，系统进行网络配置和任务优先级的划分。

图2所示为系统启动流程，首先屏蔽所有中断，在经历底板、IO、硬件驱动、非易失存储器等硬件相关的初始化后，通过OSAL的初始化函数进行系统初始化操作，这包括存储器、定时器等；之后通过任务初始化函数进行网络配置和任务分级，并对系统任务和用户任务进行初始化操作[3]；最后通过OSAL启动函数进入轮询状态，不停地监听任务事件的触发，并跳转至任务执行函数。所有用户想触发的事件必须要注册登记，以此绑定事件与用户任务，这样当事件触发时，比如按键按下时，系统才能从轮询中正常跳转至用户的执行函数[4]。

图2 协议栈系统流程

3 系统软件设计

整个系统的软件部分包括上位机、协调器、路由器以及各个终端节点的程序设计[5]。本文主要在ZigBee2007版协议栈的基础上对后三者的流程进行讲解，对其中涉及的液晶屏、按键、指纹传感器等模块只做简略介绍，并不深究其控制代码。

3.1 协调器程序设计

为了方便管理，本系统对每一个设备设置了一个8位ID，协调器设置为0x00[6]。整个软件流程如图3所示，协调器上电后，在完成协议栈的各项底层初始化操作后，开始组建网络[7]。主协调器搭建起了整个网络，以2.4 GHz作为此方案的通信频段，选用16号信道，引入节点和路由器，构建树型网络。2.4 GHz频段下，在一个教室内部进行无线通信，其通信质量是可以得到保证的[8]。

之后，系统进行所需模块的初始化，主要有以下3点:

(1)完成液晶屏的初始化界面显示。协调器现阶段几乎不会用液晶屏和按键，因此对于协调器而言，液晶屏目前仅仅为其显示连接状态，按键也仅仅留出硬件接口，以便后续功能补充。

(2)进行端点描述、地址类型结构体的参数配置。对于端点，一个设备上可以拥有多个端点，它的作用主要是将不同的无线任务进行分类。当某个设备在接收数据包时，首先匹配短地址，成功后再由底层解析并分发给对应端点，如端点不匹配则直接丢弃。在本项目中，所有设备的端点号都设为8。

图3 协调器软件流程

而地址类型结构体，即afAddrType_t，是对端点、目的地址、发送模式、个域网地址的一种包装。在配置好这样一个结构体之后，用户在使用无线传输函数进行无线数据发送时，可以很方便地调用。为了让整个网络的无线传输数据分类更加清楚，本项目定义了三个这样的结构体，对应三种传输情况，协调器用到了两种：广播(教师端向所有学生端发送信息，便于题目的下达)和单播(教师端向单个学生端发消息，便于单独抽问)。

(3)进行串口的初始化与注册。对于串口，本项目利用协议栈中的调试层，对串口进行简单快捷的处理。因为调试层中有许多调试接口能与各层进行直接通信，利用串口，联系上位机与用户任务显得更加方便。

在完成初始化之后，系统将进行轮询状态。但本项目中加入了定时触发事件，主协调器将对副协调器定时每10 s发送一次状态信息，当副协调器连续3次未收到数据时，系统将认为主协调器工作状态异常，副协调器将执行切换操作。

如果系统收到无线数据，也将跳转执行函数，并根据预先设置好的帧标志位，判别接收信息的类别，然后对信息进行加工，并通过串口向上位机上传；同理，如果收到来自上位机的串口信息，也将判别指令类型，然后再控制各个学生端进行操作[9]。

具体而言，上位机通过云端同步更新上课信息和指令信息。如图3所示，上位机目前有7种命令格式传递给协调器，协调器接收3种来自其他节点的信息。

在提问环节中，上位机目前支持的操作大致为：允许答题、禁止答题、单独抽问、随机分组、开启答题倒计时，基本满足课堂应答的所需。

登录认证是为了对学生端的登录信息进行校对并及时反馈。

下课指令不仅为了清除当前课堂的残留数据，也更新了学生端的内在组网配置，为下一次连接做准备，避免设备错误入网。

3.2 节点程序设计

与协调器一样，为了方便管理，对每一个终端节点设置了一个8位ID，从0x01开始命名，最大0xfd。整个节点软件流程如图4所示，节点上电后，在完成协议栈的各项底层初始化操作后，开始根据当前个域网地址值搜索网络并加入，同时初始化用户任务函数。之后，节点将进行重连检测。若在之前设备未登录，则进行正常的登录操作，进入答题界面答题并准备执行教师端所发指示；若在之前设备异常断电，则将跳过登录操作，并恢复一些数据。

图4 节点软件流程

节点上主要使用的两个硬件模块是液晶屏和矩阵键盘。液晶屏采用SPI接口接入协议栈，将一直引导用户进行相应的操作。协议栈本身针对几个独立按键进行了定义，本设计用到了其中两个独立按键，其中一个作为整个矩阵键盘的扫描启动开关，学生在输入前需要先按下此键才能正常输入；另外一个则作为手动复位的按钮，按下后，可以清除所有信息，包括Flash中保存的内容。但根据项目的需求，硬件上又加入了4×4矩阵键盘，占用P1口共8个端口，支持16种字符的输入，包括：0～9十个数字，A～D四个字母，*和#两个功能按键。

3.2.1重连检测

在初始化完成后，实际上因节点设备入网状态的变化(从未组网变为终端节点)，系统将退出轮询去处理执行函数。系统判定入网设备的类型，如果是终端节点，则会进行重连检测。具体而言，用接口函数读取Flash中的重连标志位。

如果其值为1，则表示该设备之前已入网，需进行界面恢复。该设备将恢复到之前答题界面，并且读取Flash，然后将分组信息、倒计时信息也复原；如果其值为0，则表示上次是正常断电。系统将进行正常登录操作，等待学生信息的录入。

3.2.2显示界面

主要设计的界面是登录界面和答题界面，当然还有一些其他反馈界面。

在登录界面，本项目需要学生首先按下矩阵键盘的启动按键，再通过矩阵键盘输入自己10位学号信息，以*键作为退格键，#键作为确认键。发送后，等待协调器进行认证反馈。认证成功，则液晶屏显示“登录成功”，进入答题页面；反之，则液晶屏显示“登录失败”，重新进入登录页面。为防止误发送，在软件后台进行了发送限制，当输入位数少于10位或包含其他字符，#键将失效。

在答题界面，节点将向协调器发送答题信息。但首先需要接收来自协调器的答题指令，当节点收到允许答题指令时，节点内置的答题开关(一个布尔型的变量)将开启；同理，当收到停止答题指令时，此开关将关闭。用户需要在这段时间内根据投影仪或PPT所示的题目，键入答案并发送。这是节点最主要也是最基本的输入界面，答案长度最大16个字符。

3.2.3其他指令的操作

除了允许答题和关闭答题这两个基本操作外，系统还有其他指令。

当协调器收到上位机的随机抽问命令，则会随机开启某一个节点答题开关，让其答题。当然，这个过程会有相应的蜂鸣器和LED闪烁进行提醒。

随机分组指令让所有在场学生平均并且随机地分成几个小组，小组编号将在节点的答题界面上进行显示。

开启倒计时是让答题者在限定时间内答题，时间一到，节点便会停止作答，倒计时也将显示在节点的液晶屏上。倒计时功能采用协议栈的事件定时触发函数进行操作，时间参数为1 000，即1 s触发一次，事件每次触发将更新液晶屏上的显示时间，基本实现了时间同步。

对于下课指令，上位机可以向云端同步信息，从而得知班级下一个上课地点的网络地址。这样上位机就可以通过协调器控制所有节点软切换其网络配置，从而达到切换教室的效果，避免教室之间可能出现的误组网问题[10]。

其具体切换流程为：各个节点从协调器获取到新的网络地址，然后调用接口函数写入并更新自身的网络地址，再清空重连标志位和分组信息，避免再次链接时出现问题，最后进行软件重启。

3.3 路由器软件设计

在本设计中，路由器充当两个重要模块，自定义的8位ID分别是0xfe和0xff。下面分别讲解这两个模块。

3.3.1副协调器软件流程

副协调器要想替换主协调器，自动组建和维持ZigBee网络，并让之前网络中的其他节点继续工作，必须复制网络的关键参数，这些参数包括个域网地址、信道信息和网络邻居表。其中个域网地址和信道信息相对简单，为了让网络邻居表也简单一些，此项目中副协调器将不引导其他节点加入网络。

由于副协调器一开始就和主协调器在一个网络中，因此个域网地址和信道与主协调器一样，不用处理。主协调器定时向副协调器发送状态信息。实际上，这个信息就是主协调器通过系统接口函数获取到的邻居表，经过包装之后得到的信息帧。副协调器将该信息存储在Flash中，一旦发生异常，则将Flash中存储的设备间关系信息通过内置函数进行恢复，用副协调器重新启动网络。

如图5所示，副协调器在进行一系列初始化后进入轮询。正常情况下只需要接收状态信息，并且计算与上一次接收的时间差。若超过30 s未收到数据，则进行协调器的切换。

图5 副协调器软件流程

3.3.2指纹模块软件流程

本项目通过串口将指纹传感器和ZigBee模块联系起来，组成一个指纹采集模块[11]。

指纹录入时，ZigBee模块发送读取图像指令，然后传感器开始读取检测到的指纹图像，一段延时之后，再发送生成指纹特征指令，传感器进而将生成指纹特征。二次录入时，也将生成一个指纹特征。接着ZigBee模块发送模板特征比对指令。如果比对成功，则生成指纹模板，分配ID并存储；若失败则重新录入。

检测指纹时，与指纹录入时一样。ZigBee模块同样需要发送读取图像指令和生成指纹特征指令，从而获取指纹特征。ZigBee模块发送搜索指纹图像指令。若比对成功，则向协调器发送指纹ID；若失败，则重新录入。

在上课之前，ZigBee模块通过云端同步学生的指纹信息，并对指纹库进行更新。所以当学生进行签到时，只需比对相应信息，若比对成功，将无线发送特征指令。

如图6所示，指纹模块也需要加入到整个网络，所以也要初始化协议栈。之后，模块等待学生的指纹录入，当检测到指纹图像时，向传感器获取指纹特征。与库信息进行比对后，获得其指纹ID，无线转发给协调器，等待下一次的指纹签到。

图6 指纹模块软件流程

4 结论

本文基于ZigBee设计了一套教学应答系统，主要说明了其中ZigBee软件部分，对其中多个模块的运作进行了分析。目前该系统已有一些基本功能，能够基本满足课堂需求。在实际使用中，上位机与协调器的通信无异常，能够正常收发指令。各个教室内的ZigBee网络通信顺畅，且没有错误入网现象。对于后续的扩展，可以考虑从手机入手，让手机与云端相连，从而在课下为学生提供查漏补缺的机会。