王雪飛孫 強(qiáng)

(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(tīng)障學(xué)生教學(xué)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王雪飛1，2孫 強(qiáng)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(tīng)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(tīng)障學(xué)生的感知特點(diǎn)，尤其是振動(dòng)覺(jué)和視覺(jué)等感知系統(tǒng)，文章基于ZigBee技術(shù)設(shè)計(jì)聽(tīng)障學(xué)生教學(xué)管理系統(tǒng)，以此實(shí)現(xiàn)教師對(duì)聽(tīng)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(dòng)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(shí)踐證明，該系統(tǒng)可以有效地提高聽(tīng)障學(xué)生課堂教學(xué)的效率和質(zhì)量。

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

隨著我國(guó)教育事業(yè)的發(fā)展和社會(huì)文明的進(jìn)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(lái)越多的殘疾人有機(jī)會(huì)進(jìn)入大學(xué)接受教育。在高校的聽(tīng)障學(xué)生教學(xué)過(guò)程中，教師和學(xué)生之間存在的最大問(wèn)題就是交流問(wèn)題。很多從事聽(tīng)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(méi)有受過(guò)專業(yè)的手語(yǔ)培訓(xùn)，雖然這些專業(yè)教師都接受過(guò)短期的手語(yǔ)課程的相關(guān)培訓(xùn)，但很難有太多時(shí)間和精力進(jìn)行深入和持續(xù)的學(xué)習(xí)；另外由于手語(yǔ)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(jìn)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(duì)于聽(tīng)障學(xué)生來(lái)說(shuō)，聽(tīng)力和智力發(fā)育相對(duì)遲緩，而且學(xué)生來(lái)自四面八方，甚至學(xué)生之間的手語(yǔ)表達(dá)都不能夠統(tǒng)一[1]，所以亟需研究一套先進(jìn)的、有效的、可以提高聽(tīng)障學(xué)生課堂教學(xué)質(zhì)量、促進(jìn)師生進(jìn)行溝通的教學(xué)管理系統(tǒng)，本文利用ZigBee技術(shù)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了聽(tīng)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(jì)方案

（一）ZigBee通信協(xié)議棧及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在無(wú)線通信過(guò)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(gè)通信設(shè)備必須按照統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行通信，這個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)通常就稱之為協(xié)議，協(xié)議往往通過(guò)協(xié)議棧來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可以認(rèn)為協(xié)議棧是協(xié)議和用戶之間的一個(gè)接口，開(kāi)發(fā)人員就是通過(guò)協(xié)議棧來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)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(gè)設(shè)備構(gòu)成，這個(gè)設(shè)備既可以是具有完整功能的設(shè)備，也可以是精簡(jiǎn)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(gè)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(kāi)發(fā)板，運(yùn)行于Z-stack操作系統(tǒng)下，并利用基于ZigBee無(wú)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(gè)模塊：教師終端（無(wú)線發(fā)送模塊）、無(wú)線通信模塊和學(xué)生顯示終端（無(wú)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(wèn)”等基本信息，ZigBee無(wú)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(jì)與實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)主要目的是為了加強(qiáng)和提高聽(tīng)障學(xué)生課堂教學(xué)的師生互動(dòng)效果，主要包含6個(gè)功能模塊，分別是教師考勤模塊、教師提問(wèn)模塊、課堂管理模塊、學(xué)生提問(wèn)模塊、學(xué)生搶答模塊和時(shí)鐘顯示模塊。教師端為RS-232觸屏外觀，無(wú)發(fā)送信號(hào)時(shí)學(xué)生終端顯示當(dāng)前時(shí)間，發(fā)送信號(hào)時(shí)，教師既可以通過(guò)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(duì)一向?qū)W生發(fā)送“提問(wèn)”信息等，此時(shí)學(xué)生終端顯示相關(guān)指令的同時(shí)還會(huì)發(fā)生震動(dòng)；同時(shí)學(xué)生也可以通過(guò)手表按鍵向老師觸屏上發(fā)送“答疑”信息，以示向老師提問(wèn)。

二、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

（一）教師終端。其整體框架為Stemwin中對(duì)話框，它與Windows中的對(duì)話框基本相同，此處使用的是非阻塞式對(duì)話框，也就是說(shuō)，對(duì)話框的狀態(tài)不會(huì)影響進(jìn)程向下執(zhí)行，對(duì)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(lái)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(jìn)程所管理，如時(shí)間由讀取時(shí)間的進(jìn)程管理，信息欄由信息顯示進(jìn)程進(jìn)行管理，通過(guò)操作系統(tǒng)進(jìn)行分時(shí)復(fù)用。界面中的按鍵由Button控件實(shí)現(xiàn)，在Stemwin中，Button的檢測(cè)由觸摸檢測(cè)任務(wù)來(lái)提供信息，當(dāng)響應(yīng)位置的屏幕按下的時(shí)候，Stemwin自動(dòng)調(diào)用用戶設(shè)定的回調(diào)函數(shù)來(lái)進(jìn)行相關(guān)的處理。

（二）無(wú)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(hào)通過(guò)協(xié)調(diào)器傳給學(xué)生。在ZigBee協(xié)議棧中進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送可以借助于函數(shù)來(lái)完成，此函數(shù)可以調(diào)用函數(shù)庫(kù)中與硬件相關(guān)聯(lián)的一些數(shù)據(jù)信號(hào)通過(guò)天線發(fā)送出去[4]。本系統(tǒng)的無(wú)線發(fā)送模塊是采用TI公司生產(chǎn)的CC2530芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)的，此芯片只需很少的外圍設(shè)備就能將信號(hào)進(jìn)行接收和發(fā)送。教師可以通過(guò)教師按下“上課”“下課”“提問(wèn)”“點(diǎn)名”等按鍵傳送相應(yīng)信息，學(xué)生終端通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)進(jìn)行接收，此時(shí)全體同學(xué)手表震動(dòng)的同時(shí)顯示“上課”“下課”等字樣。此系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)點(diǎn)名功能時(shí)，教師可以通過(guò)終端的矩陣鍵盤(pán)來(lái)實(shí)現(xiàn)，可以提前給學(xué)生進(jìn)行編號(hào)，存入單片機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)中，上課時(shí)教師在矩陣鍵盤(pán)上按下相應(yīng)的學(xué)生編號(hào)，此時(shí)和此編號(hào)一致的同學(xué)的手表就會(huì)發(fā)生震動(dòng)并顯示相應(yīng)的編號(hào)信息，通過(guò)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(dòng)，解決了CC2530芯片I/O口數(shù)量較少的問(wèn)題。OLED顯示文字的原理：OLED中是沒(méi)有字庫(kù)的，想要顯示文字，那么我們要自己制作字庫(kù)，這里使用專用的軟件制作了16*16的ASCIII碼及常用漢字字庫(kù)，得益于CC2530的大容量ROM，可以將字庫(kù)存儲(chǔ)在ROM中。

三、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

（一）教師終端應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)。教師控制器作為終端，只需裝載一些簡(jiǎn)單協(xié)議棧即可實(shí)現(xiàn)，教師終端長(zhǎng)時(shí)間處于低功耗的待機(jī)狀態(tài)，上課時(shí)，教師只需按下相應(yīng)按鍵，即可隨時(shí)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(jì)。協(xié)調(diào)器的無(wú)線收發(fā)模塊采用的是TI公司生產(chǎn)的CC2530，它是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的核心，集成了51單片機(jī)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(hào)發(fā)送給學(xué)生終端，也能實(shí)現(xiàn)將學(xué)生終端發(fā)來(lái)的信號(hào)發(fā)送給教師控制器。其工作過(guò)程如下：首先，系統(tǒng)開(kāi)始后進(jìn)入中斷，完成后進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，當(dāng)教師端按下按鍵時(shí)，將會(huì)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(duì)命令進(jìn)行識(shí)別，然后將命令以打包的形式進(jìn)行發(fā)送，發(fā)送完畢后繼續(xù)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。

四、系統(tǒng)特點(diǎn)

（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(wú)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(jī)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(kuò)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(shí)，只需修改幾條指令即可實(shí)現(xiàn)。

（四）智能化：系統(tǒng)簡(jiǎn)單，界面友好且直觀，使課堂管理實(shí)現(xiàn)智能化和信息化。

系統(tǒng)硬件調(diào)試已經(jīng)完成，在聽(tīng)障學(xué)生課堂進(jìn)行測(cè)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(dòng)多少百分比達(dá)20%左右。

結(jié)語(yǔ)

實(shí)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(tīng)障學(xué)生課堂教學(xué)效率，尤其在師生互動(dòng)環(huán)節(jié)效果更加顯著。但該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能還應(yīng)繼續(xù)完善，使其能更好地服務(wù)于聽(tīng)障學(xué)生的課堂教學(xué)，并嘗試將其應(yīng)用于聽(tīng)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，具有很強(qiáng)的組網(wǎng)能力，發(fā)揮其作為新興短距離無(wú)線通信協(xié)議的優(yōu)勢(shì)，比較適合同一教室內(nèi)的智能化管理。

[1]劉萬(wàn)生.運(yùn)用信息技術(shù)促進(jìn)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(jī)一.藍(lán)牙/ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)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(jí)量測(cè)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(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)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(cè)量技術(shù)，2011，34(6)：47-50．

[5]王小強(qiáng),歐陽(yáng)駿，黃寧淋.ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與實(shí)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、電子信息工程；孫強(qiáng)（1979-），男，牡丹江師范學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)學(xué)院教授，碩導(dǎo)，研究方向：電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化、無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)。