王雪飛孫 強

(1.牡丹江師范學(xué)院物理與電子工程學(xué)院 黑龍江牡丹江 157012；2.綏化學(xué)院電氣工程學(xué)院 黑龍江綏化 152061）

聽障學(xué)生教學(xué)管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

王雪飛1，2孫 強1

(1.牡丹江師范學(xué)院物理與電子工程學(xué)院 黑龍江牡丹江 157012；2.綏化學(xué)院電氣工程學(xué)院 黑龍江綏化 152061）

為了提高高校聽障學(xué)生課堂教學(xué)質(zhì)量，達(dá)到較好的教學(xué)效果，充分考慮聽障學(xué)生的感知特點，尤其是振動覺和視覺等感知系統(tǒng)，文章基于ZigBee技術(shù)設(shè)計聽障學(xué)生教學(xué)管理系統(tǒng)，以此實現(xiàn)教師對聽障學(xué)生的課堂教學(xué)管理，在硬件方面主要由LCD屏幕、按鍵、OLED屏幕、射頻電路、震動馬達(dá)、串口電路、繼電器、溫度傳感器及其相關(guān)的硬件組成。實踐證明，該系統(tǒng)可以有效地提高聽障學(xué)生課堂教學(xué)的效率和質(zhì)量。

聽障學(xué)生；ZigBee技術(shù)；教學(xué)管理系統(tǒng)

隨著我國教育事業(yè)的發(fā)展和社會文明的進步，殘疾人高等教育已經(jīng)越發(fā)被重視，并已經(jīng)取得了一定的成就，越來越多的殘疾人有機會進入大學(xué)接受教育。在高校的聽障學(xué)生教學(xué)過程中，教師和學(xué)生之間存在的最大問題就是交流問題。很多從事聽障學(xué)生教學(xué)的專業(yè)課教師都是專業(yè)學(xué)科的教師，沒有受過專業(yè)的手語培訓(xùn)，雖然這些專業(yè)教師都接受過短期的手語課程的相關(guān)培訓(xùn)，但很難有太多時間和精力進行深入和持續(xù)的學(xué)習(xí)；另外由于手語規(guī)范化原因，教師與學(xué)生之間交流上一旦存在障礙，教學(xué)就很難做到有的放矢，課堂教學(xué)效率較低，甚至完成不了預(yù)定的教學(xué)任務(wù)。如果教師完全借助于黑板或者幻燈片進行教學(xué)，很難應(yīng)付復(fù)雜的課堂教學(xué)需求，也達(dá)不到理想的教學(xué)效果。特別是對于聽障學(xué)生來說，聽力和智力發(fā)育相對遲緩，而且學(xué)生來自四面八方，甚至學(xué)生之間的手語表達(dá)都不能夠統(tǒng)一[1]，所以亟需研究一套先進的、有效的、可以提高聽障學(xué)生課堂教學(xué)質(zhì)量、促進師生進行溝通的教學(xué)管理系統(tǒng)，本文利用ZigBee技術(shù)設(shè)計和實現(xiàn)了聽障學(xué)生課堂教學(xué)管理系統(tǒng)。[2]

一、系統(tǒng)的總體設(shè)計方案

（一）ZigBee通信協(xié)議棧及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在無線通信過程中，為了確保通信數(shù)據(jù)能夠有效的發(fā)送和接收，各個通信設(shè)備必須按照統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)進行通信，這個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)通常就稱之為協(xié)議，協(xié)議往往通過協(xié)議棧來實現(xiàn)，也可以認(rèn)為協(xié)議棧是協(xié)議和用戶之間的一個接口，開發(fā)人員就是通過協(xié)議棧來實現(xiàn)這個協(xié)議的。

ZigBee的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用領(lǐng)域的不同，主要包括兩種：一種是星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，另一種是網(wǎng)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[3]。最小的組成單元可以由一個設(shè)備構(gòu)成，這個設(shè)備既可以是具有完整功能的設(shè)備，也可以是精簡功能設(shè)備。在星型拓?fù)浜途W(wǎng)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，由PAN主協(xié)調(diào)器的中央控制器和若干個終端設(shè)備組成。

（二）系統(tǒng)組成。本系統(tǒng)是基于網(wǎng)蜂CC2530嵌入式開發(fā)板，運行于Z-stack操作系統(tǒng)下，并利用基于ZigBee無線技術(shù)的CC2530芯片作為數(shù)據(jù)傳輸方式的一套軟、硬件應(yīng)用的設(shè)備。此系統(tǒng)主要分為三個模塊：教師終端（無線發(fā)送模塊）、無線通信模塊和學(xué)生顯示終端（無線接收模塊）。教師終端可以向?qū)W生終端發(fā)送“上課”“下課”“提問”等基本信息，ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)可以保證數(shù)據(jù)可靠、安全、穩(wěn)定的傳輸。

設(shè)計與實現(xiàn)的系統(tǒng)主要目的是為了加強和提高聽障學(xué)生課堂教學(xué)的師生互動效果，主要包含6個功能模塊，分別是教師考勤模塊、教師提問模塊、課堂管理模塊、學(xué)生提問模塊、學(xué)生搶答模塊和時鐘顯示模塊。教師端為RS-232觸屏外觀，無發(fā)送信號時學(xué)生終端顯示當(dāng)前時間，發(fā)送信號時，教師既可以通過觸屏向?qū)W生終端上廣播發(fā)送“上課”“下課”“考勤”等群發(fā)指令，也可以一對一向?qū)W生發(fā)送“提問”信息等，此時學(xué)生終端顯示相關(guān)指令的同時還會發(fā)生震動；同時學(xué)生也可以通過手表按鍵向老師觸屏上發(fā)送“答疑”信息，以示向老師提問。

二、系統(tǒng)硬件設(shè)計與實現(xiàn)

（一）教師終端。其整體框架為Stemwin中對話框，它與Windows中的對話框基本相同，此處使用的是非阻塞式對話框，也就是說，對話框的狀態(tài)不會影響進程向下執(zhí)行，對話框上的一切控件都是它的子窗口。界面的標(biāo)題欄采用Framewin框架來完成，與windows下的標(biāo)題欄相同，主要是顯示該窗口的屬性。界面中的相關(guān)文字顯示分別由不同的進程所管理，如時間由讀取時間的進程管理，信息欄由信息顯示進程進行管理，通過操作系統(tǒng)進行分時復(fù)用。界面中的按鍵由Button控件實現(xiàn)，在Stemwin中，Button的檢測由觸摸檢測任務(wù)來提供信息，當(dāng)響應(yīng)位置的屏幕按下的時候，Stemwin自動調(diào)用用戶設(shè)定的回調(diào)函數(shù)來進行相關(guān)的處理。

（二）無線通信模塊。其主要任務(wù)是將教師在終端發(fā)出的命令信號通過協(xié)調(diào)器傳給學(xué)生。在ZigBee協(xié)議棧中進行數(shù)據(jù)發(fā)送可以借助于函數(shù)來完成，此函數(shù)可以調(diào)用函數(shù)庫中與硬件相關(guān)聯(lián)的一些數(shù)據(jù)信號通過天線發(fā)送出去[4]。本系統(tǒng)的無線發(fā)送模塊是采用TI公司生產(chǎn)的CC2530芯片進行設(shè)計的，此芯片只需很少的外圍設(shè)備就能將信號進行接收和發(fā)送。教師可以通過教師按下“上課”“下課”“提問”“點名”等按鍵傳送相應(yīng)信息，學(xué)生終端通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)自動進行接收，此時全體同學(xué)手表震動的同時顯示“上課”“下課”等字樣。此系統(tǒng)在實現(xiàn)點名功能時，教師可以通過終端的矩陣鍵盤來實現(xiàn)，可以提前給學(xué)生進行編號，存入單片機數(shù)據(jù)庫中，上課時教師在矩陣鍵盤上按下相應(yīng)的學(xué)生編號，此時和此編號一致的同學(xué)的手表就會發(fā)生震動并顯示相應(yīng)的編號信息，通過舉手示意老師。

（三）學(xué)生顯示終端。學(xué)生終端的輸出設(shè)備選擇0.96寸的OLED屏幕，采用I2C總線驅(qū)動，解決了CC2530芯片I/O口數(shù)量較少的問題。OLED顯示文字的原理：OLED中是沒有字庫的，想要顯示文字，那么我們要自己制作字庫，這里使用專用的軟件制作了16*16的ASCIII碼及常用漢字字庫，得益于CC2530的大容量ROM，可以將字庫存儲在ROM中。

三、系統(tǒng)軟件設(shè)計

（一）教師終端應(yīng)用軟件設(shè)計。教師控制器作為終端，只需裝載一些簡單協(xié)議棧即可實現(xiàn)，教師終端長時間處于低功耗的待機狀態(tài)，上課時，教師只需按下相應(yīng)按鍵，即可隨時向?qū)W生發(fā)送提示信息。

（二）協(xié)調(diào)器應(yīng)用軟件設(shè)計。協(xié)調(diào)器的無線收發(fā)模塊采用的是TI公司生產(chǎn)的CC2530，它是整個網(wǎng)絡(luò)的核心，集成了51單片機的內(nèi)核，它是真正的片上系統(tǒng)解決方案[5]，其主要功能是既可以將教師終端發(fā)送的信號發(fā)送給學(xué)生終端，也能實現(xiàn)將學(xué)生終端發(fā)來的信號發(fā)送給教師控制器。其工作過程如下：首先，系統(tǒng)開始后進入中斷，完成后進入待機狀態(tài)，當(dāng)教師端按下按鍵時，將會觸發(fā)系統(tǒng)的串口中斷激活系統(tǒng)，然后中斷服務(wù)程序?qū)⑾到y(tǒng)置為工作模式，先對命令進行識別，然后將命令以打包的形式進行發(fā)送，發(fā)送完畢后繼續(xù)進入待機狀態(tài)。

四、系統(tǒng)特點

（一）便捷性：教師和學(xué)生都只需按下按鍵即可發(fā)送信息至協(xié)調(diào)器。

（二）可靠性：具有良好的無線傳輸性能和較為完善的通信協(xié)議的ZigBee技術(shù)，可以保證數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠的傳輸；上位機也是穩(wěn)定而且可靠的，完全可以使系統(tǒng)安全可靠。

（三）可擴展性：當(dāng)學(xué)生人數(shù)發(fā)生改變（增加或減少）或者教師命令發(fā)生刪減時，只需修改幾條指令即可實現(xiàn)。

（四）智能化：系統(tǒng)簡單，界面友好且直觀，使課堂管理實現(xiàn)智能化和信息化。

系統(tǒng)硬件調(diào)試已經(jīng)完成，在聽障學(xué)生課堂進行測試應(yīng)用，可以有效提高課堂教學(xué)質(zhì)量，并可提高師生互動多少百分比達(dá)20%左右。

結(jié)語

實踐證明，ZigBee技術(shù)的使用能夠達(dá)到預(yù)期效果，有效提高聽障學(xué)生課堂教學(xué)效率，尤其在師生互動環(huán)節(jié)效果更加顯著。但該系統(tǒng)實現(xiàn)功能還應(yīng)繼續(xù)完善，使其能更好地服務(wù)于聽障學(xué)生的課堂教學(xué)，并嘗試將其應(yīng)用于聽障學(xué)生的日常生活等領(lǐng)域。

注釋：

ZigBee是一種低功耗、低數(shù)據(jù)速率、成本較低，低復(fù)雜度的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，具有很強的組網(wǎng)能力，發(fā)揮其作為新興短距離無線通信協(xié)議的優(yōu)勢，比較適合同一教室內(nèi)的智能化管理。

[1]劉萬生.運用信息技術(shù)促進聾生的學(xué)習(xí)和發(fā)展[J].甘肅教育，2011（11）.

[2]樊銳，李茹，王績一.藍(lán)牙/ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機技術(shù)與發(fā)展,2013,23(1):209-213．

[3]黎步銀，張杰.基于ZigBee的智能電網(wǎng)高級量測體系數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J]．儀表技術(shù)與傳感器，2015（10）：60－63.

[4]陳琦，韓冰，秦偉俊，等.基于Zigbee／GPRS物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機研究與發(fā)展，2011，48（S2）：367－372.

[4]周嶺松，余春暄.基于ZigBee技術(shù)的溫、濕度控制系統(tǒng)[J].電子測量技術(shù)，2011，34(6)：47-50．

[5]王小強,歐陽駿，黃寧淋.ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與實現(xiàn)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012．

[責(zé)任編輯 王占峰]

Design and Implementation of Teaching Management System for Hearing Impaired Students

Wang Xuefei1,2Sun Qiang1

(1.College of Physics and Electronic Engineering,Mudanjiang Normal University,Mudanjiang Heilongjiang 157012;2.School of Electrical Engineering,Suihua University,Suihua,Heilongjiang 152061)

In order to improve the quality of classroom teaching in college students and achieve better teaching effect,we fully consider the perceptual characteristics of hearing impaired students,especially the sensory system of vibration and vision,and design and realize the teaching management of hearing impaired students based on ZigBee System.The system uses ZigBee technology design.Teachers can achieve the hearing of the students of classroom teaching management.In the hardware mainly by the LCD screen, buttons,OLED screen,RF circuit,vibration motor,serial circuit,relays,temperature sensors and related hardware components.Finally,the practice has proved that the system can effectively improve the efficiency and quality of classroom teaching for hearing impaired students.

hearing impaired students;ZigBee technology;teaching management system

G647

A

2095-0438（2017）06-0124-03

2017-02-02

王雪飛（1980-），女，黑龍江綏化人，綏化學(xué)院講師，牡丹江師范學(xué)院在讀研究生，研究方向：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、電子信息工程；孫強（1979-），男，牡丹江師范學(xué)院計算機與信息技術(shù)學(xué)院教授，碩導(dǎo)，研究方向：電子設(shè)計自動化、無線傳感網(wǎng)絡(luò)。