教学用无线答题统计系统

摘要 设计一款教学用无线答题器，取代原始的举手答题，并具有统计答案的功能，为中小学生教育带来了方便。文中采用TI公司新推出的支持IEEE 802．15．4标准的SOC—CC2530，制定了适合无线答题器网络的通信协议，分析了整个无线通讯数据收发过程，给出具体的硬件设计和软件设计要点。试验表明，该系统能较好地满足教学的需要，并具有较高的稳定性和可靠性。
关键词 CC2530；无线答题器；统计系统；通讯协议；IEEE 802．15．4

    随着无线局域网的发展，无线技术自身的优势不断在应用中体现出来。目前国内教学课堂答题方式还停留在原始的口头答题，老师无法进行准确的答案统计。准确的答案统计，对于老师了解学生知识掌握情况和教学是有益的。本文采用TI公司的ZigbeeCC2530芯片，内部集成了一个8051处理器和一个无线射频模块，设计了一款教学用无线答题系统，方便了学生在课堂中回答问题，也解决了教学中答案准确统计问题。具有构建成本低，使用方便等特点。

1 系统概述
1．1 系统组成
    该无线答题统计系统由上位机、教师模块(父节点)、学生模块(子节点)3部分组成，如图1所示。上位机是基于Windows的串口通信程序，它通过电脑串口和父节点连接，父节点和子节点都是无线通信模块。各模块功能如图1所示。

    上位机功能：(1)负责向父节点发送命令；(2)接受父节点发来的答题数据；(3)对收集的数据进行统计显示。
    父节点功能：(1)接受上位机发来的命令；(2)向子节点发送相应的命令；(3)收集子节点答题信息。
    子节点功能：(1)接受父节点发来的命令；(2)将信息发给父节点。
    硬件实物图如图2所示。图2是父节点的硬件布局：(1)是程序下载口；(2)是电源开关；(3)是电池供电接口；(4)是跳针，戴上跳线帽时允许电池供电，摘下跳线帽时不允许电池供电；(5)是USB供电接口。(6)是RS232接口。

    图3是子节点的硬件布局：(1)是程序下载口；(2)是电源开关；(3)是电池供电接口；(4)是跳针，戴上跳线帽时允许电池供电，摘下跳线帽时不允许电池供电；(5)是USB供电接口；(6)是液晶显示器；(7)是按键和LED灯。
1．2 系统基本流程
    系统初始化后，上位机向父节点发送“在线查询”命令，父节点接收命令，并向子节点广播该“在线查询”命令，子节点接收到命令后将自己的节点号和在线状态回复给父节点，父节点接收到子节点的状态回复后，也向子节点回复“收到确认”信号，同时父节点向上位机上传各子节点的在线情况。这就完成了“在线查询”命令。
    上位机向父节点发送“开始答题”命令，父节点接受命令，并向子节点广播该“开始答题”命令，子节点接收到命令后答题允许指示灯亮，这时子节点可以选择答案“A，B，C，D”其中一个，然后按确认键将自己的节点号和答案发送给父节点，父节点收到后将收到的信号原封不动地作为确认信号回发给子节点，子节点收到确认信号后，对应的答案灯会亮，表示确认你选的是哪个答案。譬如，子节点选的是“A”，父节点确认后，A灯亮。
    流程图如图4所示。

2 设计原理
    系统的基本流程如上所述，下面具体阐述各模块的设计原理。

2．1 上位机
    上位机为一般的串口通信程序，它有3个功能：
    (1)通过串口向父节点发送命令。上位机命令只有两个：在线查询命令和答题允许命令。这两个命令均由3 Byte组成，本文定义在线查询命令格式为，其中xx为任意数。答题允许命令格式为。
    (2)接收父节点传来的数据。当父节点收集了子节点发来的数据后，便会定时向上位机发送数据，数据格式如图5所示。当上位机接收到以0xA0开头的数据，便是节点在线情况回复数据，以0xEE结束；当接收到以0xA5开头的数据，便是节点答题数据，以0xEE结束。

    (3)统计接收到的数据。上位机将接受到的答案数据，以圆柱图形统计显示出来。
2．2 父节点
    父节点是连接子节点和上位机的纽带，其具有3个功能：
    (1)接收上位机发来的命令；
    (2)向子节点发送相应的命令和回复。当父节点接收到上位机的在线查询命令时，首先判断xx是广播命令还是单播命令，如果是广播命令，便将发送地址设为0xFFFF，载荷为0xA0；如果是单播命令，便将地址设为0xFFxx，载荷为0xA0。当子节点收到在线查询命令后，便将自己设为在线，同时回复0xA0和节点号。父节点根据0xA0便知回复的是查询命令，根据节点号便知道该节点在线。
    同理，当父节点接收到上位机允许答题命令后，便广播发送允许答题命令。子节点收到该命令后，即回复，父节点通过结构体Studen-t．ANSWER[i]存储子节点的答案。并回复子节点表示数据已收到。
    (3)收集子节点的在线情况与答题回复。父节点通过结构体Student[i]．NODE_NUMBER，存储子节点号，Student[i]．LINE存储在线情况，Student[i]．ANSWER存储答案。
2．3 子节点
    子节点模块是直接与学生接触的终端，与父节点相比，多了显示屏、按键和对应的LED灯，子节点有两种功能：
    (1)接受父节点发来的命令。当子节点接收到在线查询命令后，便回复信号，表示该节点在线。
    (2)将答案信息发给父节点。当子节点接收到允许答题命令后，便回复信号。

3 硬件电路设计
    本设计采用TI公司新推出支持IEEE 802．15．4标准的SOC—CC2530作为控制芯片，CC2530集成一个工业级的8051和一个无线射频模块。内含8 kBRAM，32 kB闪存，以及其他支持功能和外设。CC2530所集成的无线射频模块，提供101 dB的链路质量，优秀的接收器灵敏度和抗干扰性。

3．1 子节点电路图
    子节点电路图如图7所示。

3．2 父节点电路图
    父节点电路图如图8所示。

4 软件设计
    父子节点流程如图9所示，其中结构体Smdem由ONMNE、ANSWER和NODE_NUMBER组成，分别代表在线信息，答案和节点号，其中ONLINE=1
表示在线，ANSWER取值为“A，B，C，D”。注意此结构体只存在于父节点中。

    子节点图中ONUNE是子节点的在线标志，TX_ALLOW是子节点允许答题标志，置1有效。注意，为了防止子节点重启后不被父节点识别，本文设计在每次答题前都发送在线查询命令，接着再发送答题允许命令。

5 实验结果
    实验结果如图11所示，在线人数40人，第一题，选A的18人，B的12人，C的6人，D的4人。由实验过程可知，无线答题器工作稳定，操作简便。

6 结束语
    本文介绍了教学用无线答题器，提出了具体的软硬件设计方法，并开发出实物产品。该无线答题器，工作稳定、性能可靠、操作简单、界面简洁易懂、成本低廉、适合教学需求。