基于ZigBee技术的智慧课堂互动教学系统设计

基金项目：2022年度安徽省高等学校省级质量工程项目；项目名称：智慧教育视域下高职计算机公共课程教学改革研究与实践；项目编号：2022jyxm319。

作者简介：张进军（1979— ），男，安徽泗县人，讲师，学士；研究方向：计算机教育，数据挖掘，数据分析。

摘要：受到信道通信干扰，智慧课堂互动教学的兼容性较弱，降低了互动教学效果。因此，文章设计基于ZigBee技术的智慧课堂互动教学系统。硬件方面设计DDR3 SDRAM芯片与触控整合器。軟件方面基于ZigBee技术建立教学互动地址均衡分配机制，分析课堂互动数据的地址-位置对应关系，从而优化教学系统交互性能。文章采用系统测试的方式，验证了该系统的性能更佳，能够应用于实际生活中。

关键词：ZigBee技术；智慧课堂；互动教学

中图分类号：TN915-34  文献标志码：A

0  引言

随着多媒体技术的普及，教师利用多媒体取代黑板，播放各类教学短片、动画资源，有效地激发了学生的兴趣。针对课堂互动性差的问题，研究人员设计了多种互动教学系统。其中，基于事件记录的智慧课堂互动教学系统采用3 s取样的记录方法，记录课堂的互动数据［1］。此系统能够满足课堂互动数据观察的需求，弥补系统动作编码切换的缺陷，为课堂互动教学提供保障。基于5G无线通信的智慧课堂互动教学系统采用5G无线通信技术上传和下载教学互动资源，实时更新教学资源，为学生提供更便捷的教学环境［2］。以上两个教学系统均以教学资源为主，教学资源互动地址存在不均衡性，影响互动教学效果［3］。因此，本文结合ZigBee技术的优势，设计智慧课堂互动教学系统。

1  硬件设计

1.1  DDR3 SDRAM芯片

本文选用DDR3 SDRAM芯片作为课堂互动教学系统的交互数据传输芯片，其传输速率高达1 GHz，能够满足严格的时序要求［4］。DDR3 SDRAM芯片的差分信号设计为100 Ω的差分阻抗，在互动数据传输的过程中，不会受到阻抗不连续的干扰，达到减少共模干扰的目的。DDR3 SDRAM芯片的差分信号端接匹配情况如图1所示。

差分信号受到的等效阻抗为电阻器R744与R745，二者串联后再与R741并联，使差分信号能够与差分传输线阻抗实现匹配，从而降低互动数据传输的共模干扰。

1.2  触控整合器

本文选择触控整合器作为互动教学系统的另一个硬件，该硬件采用较高配置的mini2440开发板，CPU采用的是Samsung的S3C2440。利用ARM9内核，内存为64M RAM+64M Nand Flash，使其具有良好的触控性能［5］。触控整合器的硬件参数如表1所示。

本文在该硬件中内嵌DDR3 SDRAM芯片，通过RJ45硬件接口连接电阻器R744与R745，为程序的开发提供了极大的便利。

2  软件设计

ZigBee技术是短距离无线通信的方式，能够大范围地组网与数据采集。本文利用ZigBee技术［6-7］，将教师教学资源、学生学习资源的互动地址进行均衡分配，从而提升系统的使用效率［8］。在ZigBee网络中，互动资源能够分配的最大地址为：

Aend=Cmax×1-RmaxLmax1-Rmax（1）

式（1）中，Aend为互动资源能够分配的最大地址；Cmax为每层ZigBee网络的最多节点数量；RLmaxmax为网络最大深度Lmax的最多路由节点数量；Rmax为1层ZigBee网络的最大路由节点数量。设Cmax_Rmax个节点同时申请地址均衡分配，则：

Cs（d）=1+Cmax×（Lmax-d-1），if  Rmax=1

1-Cmax×RmaxLmax-d-1+Cmax_Rmax1-Rmax，otherwise（2）

式（2）中，Cs（d）为处于d层ZigBee网络的地址偏移量。ZigBee网络协调节点将每一个连接字节的路由节点从前面的Rmax块中分配到一个地址；Cmax_Rmax个节点同时申请地址均衡分配，终端节点将不能得到互动地址［9］。当Cs（d）=0时，节点没有地址偏移量［10］，说明智慧课堂互动资源没有可用于再次分配的地址，此时的互动资源分配能力较强，互动资源地址分配得更加均衡。

3  系统测试

3.1  测试过程

本次测试在运行的SQL Server数据库中配置管理功能模块，并将Windows Server 2008服务器操作系统的IP地址预先设置，启用校园网络支持，确保整个测试环境与课堂互动教学环境一致。在准备工作完成之后，将DDR3 SDRAM芯片与触控整合器等硬件，按照使用说明安装完毕。DDR3 SDRAM芯片在运行状态下，测试该硬件各个线路的电源电压，最大值为1.95 V，最小值为1.65 V，可以满足系统的电压运行需求。触控整合器在运行状态下，在系统Web页面进行触控测试，能够在触控用户信息的基础上，利用触控整合器对学生终端的数据进行解析，解析情况如图2所示。

经过数据解析之后，判断学生端与教师端之间的互动通信是否正常。在通信正常的条件下，将硬件与软件相互连接，系统出现如图3所示的界面。

输入正确的用户名与密码后，点击登录按钮出现课前预习功能、课堂互动功能、课后练习功能、后台管理功能等。点击课堂互动功能即可进入课堂互动程序。教师在PC端选择相应的课程上课，发送教学资料之后，学生能够将其下载到移动终端上进行课前预习。教师出题与学生答题均在课堂互动部分完成，通过文字聊天功能，学生与教师之间进行互动。由此可见，系统当前运行状态正常。对此时的系统进行性能测试，分析系统的运行效果。

3.2  测试结果

在上述测试条件下，本文随机选取出专用工作集占用内存、工作集占用内存、CPU占用率、系统启动时间、打开课程窗口的用时、打开互动窗口用时等客户端性能，与服务器的网络带宽、上传/下载文件的操作用时等网络性能进行综合测试。在其他条件均一致的情况下，将3种方法进行对比，测试结果如表2所示。

如表2所示，1 000与5 000是系统的并发用户数量；A为专用工作集占用内存；B为工作集占用内存；C为系统运行过程中CPU占用率；D为系统启动时间；E为打开课程窗口的用时；F为打开互动窗口用時；G为服务器的网络带宽；H为上传/下载文件的操作用时。在互动教学系统运行的过程中，并发用户数越多，系统互动数据占用内存越高，打开各类课程的时间越长，影响系统的有效运行。使用文献［1］系统后，专用工作集占用内存较大，工作集占用内存同样较大，在没有其他程序打开的前提下，系统CPU占用率仍然较高，学生打开课程窗口的时间延长，不利于互动系统的运行。使用文献［2］系统后，专用工作集、工作集占用内存有所减小，较之文献［1］存在一定程度的提升。但是，该方法服务器的网络带宽较大，上传/下载文件的操作用时相对较长，学生进行课堂互动的网络性能不佳，亟须对其作出进一步优化。而使用本文设计系统后，A、B、C、D、E、F、G、H等系统性能均大幅度地下降。其中，工作集占用内存在20M左右浮动，CPU占用率在16%以下，上传/下载文件的时间在3 500ms以内。由此可见，学生向系统发送互动文本信息的带宽与延时较小，系统服务器的并发性能良好。而客户端的课程窗口打开时间、学生窗口打开时间均大幅度地下降，甚至低于5s，有效地提升了学生在课堂上的互动学习效果，符合本文研究目的。

4  结语

为了更进一步优化课堂互动教学系统的性能，本文利用ZigBee技术设计了智慧课堂互动教学系统。从功能框架、互动地址分配等方面，本系统提升智慧课堂的互动灵活性，并缩短打开系统界面的时间，为学生与教师的学习、教学效率提供保障。

参考文献

［1］熊旭萍，杨昊，任山章.基于事件记录的弗兰德斯互动分析系统设计——以高中生物《光合作用》课堂观察为例［J］.中国教育信息化，2021（2）：24-29.

［2］吕鑫，刘芳芳，王丽丽.基于5G无线通信的高等院校立体课堂互动教学系统设计［J］.现代电子技术，2021（12）：21-24.

［3］朱涵，汪甜甜，邓猛，等.培智学校数学课堂教学师生言语行为互动研究——基于改进型弗兰德斯互动分析系统（iFIAS）［J］.中国特殊教育，2022（1）：39-46.

［4］王颖，王玉龙.基于FIAS系统的初中语文课堂师生互动行为分析研究——以特级教师张玲《从百草园到三味书屋》为例［J］.电脑知识与技术，2021（18）：162-167.

［5］王金阳.基于心理语言学的大学英语口语教学改革实证研究［J］.辽宁经济管理干部学院学报，2021（2）：140-142.

［6］黄庆勇，林水花，黄小艺.云课堂加显微数码互动系统教学模式在中药显微鉴定教学改革中的应用［J］.海峡药学，2021（4）：105-106.

［7］章小华，黄律璋，章琬，等.基于UMU互动平台翻转课堂混合式教学模式的构建与应用——以Web技术基础课程教学为例［J］.办公自动化，2023（8）：39-42.

［8］路紫瑶，马传福，张春玉，等.高职院校基于翻转课堂的互动式教学模式实践——以长春职业技术学院人体生理学课程为例［J］.石家庄职业技术学院学报，2023（2）：72-75.

［9］张晓蕾，王芳，王爱丽，等.“三维一测”智慧教学互动模式构建与应用——以《现代教育技术》为例［J］.德州学院学报，2023（2）：101-105，110.

［10］祝晶莹.基于iFIAS分析法的课堂教学互动研究——以三节部级小学语文优质课为例［J］.国家通用语言文字教学与研究，2023（1）：137-139.

（编辑  王永超）

Design of intelligent classroom interactive teaching system based on ZigBee technology

Zhang  Jinjun

（Department of Information Management， Anhui Vocational College of Police Officers， Hefei 230031， China）

Abstract：  Due to channel communication interference， the compatibility of interactive teaching in smart classrooms is weak， which reduces the effectiveness of interactive teaching. Therefore， the paper designs a smart classroom interactive teaching system based on ZigBee technology. In terms of hardware， it designs DDR3 SDRAM chip and touch integration device. In terms of software， a balanced allocation mechanism for teaching interaction addresses is established based on ZigBee technology， analyzing the address location correspondence of classroom interaction data， in order to optimize the interaction performance of the teaching system. Through system testing， it was verified that the system has better performance and can be applied in practical life.

Key words： ZigBee technology; intelligent classroom; interactive teaching