朱向庆+刘俊贤+林泽鑫+刘贵林
摘 要： 设计一种无线智能教学辅助管理系统设计方案，系统包含学生手环、教师手环、信标节点和智能手机四部分。学生手环由单片机、按键、摔倒检测模块、溺水检测模块及nRF24L01P无线模块构成；教师手环由单片机、按键、液晶显示模块、报警模块、nRF24L01P无线模块和蓝牙模块构成；信标节点由单片机、时钟模块、nRF24L01P无线模块和GPRS/GSM模块构成；智能手机监测端运行Android监控软件。学生手环、教师手环及信标节点通过nRF24L01P无线模块通信，教师手环通过蓝牙模块与智能手机通信，信标节点通过GPRS/GSM模块与家长手机通信。该系统可实现教师、家长对学生到校离校的监测、课堂考勤、答题统计、校园定位、溺水及摔倒报警等功能，具有操作简单、使用方便、低功耗、多用途等优点，适合在小学及学前教育中推广使用。
关键词： 智能手环； 校园定位； 答题系统； 课堂考勤； 摔倒报警
中图分类号： TN915?34； TN99 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）04?0091?04
Design of assistant management system for wireless intelligent teaching
ZHU Xiangqing， LIU Junxian， LIN Zexin， LIU Guilin
（School of Electronic & Information Engineering， Jiaying University， Meizhou 514015， China）
Abstract： A design scheme of the wireless intelligent teaching assistant management system was designed. The system includes the student bracelet， teacher bracelet， beacon node and smart mobilephone. The student bracelet is composed of the single chip microcomputer （SCM）， several keys， tumble detection module， drowning detection module and nRF24L01P wireless module. The teacher bracelet is composed of the SCM， several keys， LCD module， alarm module， nRF24L01P wireless module and Bluetooth module. The beacon node is composed of the SCM， clock module， nRF24L01P wireless module and GPRS/GSM module. The monitoring terminal of the smart mobilephone runs the Android monitoring software. The communication among the student bracelet， teacher bracelet and beacon node is realized through the nRF24L01P wireless module. The communication of the teacher bracelet with the smart mobilephone is realized through the Bluetooth module. The communication of the beacon node with parents′ mobilephones through the GPRS/GSM module. This system can help teachers and parents to monitor the students attendance， has the functions of class attendance， answer statistics， positioning in campus， drowning and tumble alarms， and the advantages of simple operation， easy use， low power consumption and multi?purpose， and is suitable to popularize and use in primary schools and preschool education institutions.
Keywords： intelligent bracelet； positioning in campus； answer system； class attendance； tumble alarm
如今，小学生及学前儿童在校的安全及教育质量问题日益受到家校双方的重视，传统方法使得校方在教学管理方面费时费力，效率较低。因此，国内外学校都积极探索利用信息技术完善教学管理，促进教学质量的提升。在国内外，有许多基于有源电子标签及GPRS/GSM技术的学生到校离校监控系统[1]，基于ZigBee、蓝牙或WiFi的教学管理辅助系统[2]。但是，同时针对提高学生安全保障和提升课堂教学质量的智能教学辅助管理系统暂时还没有。在此从完善校园教学管理，帮助教师改善教学质量，提升学生在校的安全系数等角度出发，设计一套可穿戴的无线智能教学辅助管理系统。
1 系统结构
系统整体框架如图1所示，其包含放置在校门、教室、操场、食堂等重要位置的信标节点，学生佩戴的手环，教师佩戴的手环以及教师、学生家长使用的智能手机[3]。学生手环通过nRF24L01P短距离无线模块与信标节点通信，定期向最近的信标节点登记，或者将答题数据发送给信标节点；当学生到校或者离校时，信标节点可借助GPRS/GSM模块发送短消息给家长。教师手环通过nRF24L01P短距离无线模块与信标节点通信，用蓝牙模块与智能手机通信，教师可通过智能手机进行考勤、小测等教学管理，或查询学生在校内的位置。家长能通过智能手机查询小孩在校的具体位置，或到校离校情况。
2 硬件设计
研制过程中，先用Altium Designer软件设计电路原理图，接着根据电路原理图设计PCB图，然后由企业生产PCB板，再将元件焊接到PCB板，进行软硬件测试。测试无误后，将各功能部件封装好，特别是教师手环和学生手环。
设计的硬件主要有信标节点、学生手环及教师手环，手环属电池供电的可穿戴设备，因此选用低功耗单片机STC12LE5A60S2作为微控制器，通过nRF24L01P短距离无线模块相互连接。
STC12LE5A60S2是宏晶科技公司生产的新一代单时钟/机器周期（1T）单片机，其具有高速、低功耗、超强抗干扰的特点，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8～12倍。其内部有60 KB ROM，128 B RAM，集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换，供电电压是2.2～3.6 V，采用LQFP44封装[4]。
nRF24L01P是Nordic公司生产的单片无线收发器芯片nRF24L01的低功耗优化版，工作在2.4～2.5 GHz 全球免许可证的ISM（Industrial Scientific Medical）频段，工作电压为1.9～3.6 V。无线收发器包括频率发生器、增强型SchockBurst模式控制器、功率放大器、晶体振荡器、调制器、解调器。输出功率、频道选择和通信协议可通过SPI接口进行设置[5]。
2.1 信标节点
信标节点由STC12LE5A60S2单片机最小系统、nRF24L01P短距离無线模块、GPRS/GSM模块、DS1302实时时钟模块及电源模块组成，其硬件结构如图2所示。
信标节点除了要与学生手环、教师手环通信外，还要与其他距离较远的信标节点通信，因此nRF24L01P无线模块在原设计上增加功率放大器（PA）和低噪声放大器（LNA）。在发射部分通过PA电路将nRF24L01P最大0 dBm的输出功率放大到22 dBm左右，同时在接收部分通过LNA电路增加接收信号的强度。通过这种方式可以有效增加nRF24L01P无线模块的通信距离。
GPRS/GSM模块采用谱泰通信公司的PTM105，它支持全球GSM网络，可工作在850/900/1 800/1 900 MHz这四个频段，除语音、短信功能外，还具备TCP/IP连接功能，支持标准的AT命令及谱泰增强AT命令[6]。PTM105提供3线制2.8 V TTL电平UART接口，可串接保护电阻后直接与STC12LE5A60S2的串口相连，通信波特率为9 600 b/s。
时钟模块为学生手环、教师手环提供统一的时钟源，它采用美国Dallas公司推出的高性能、低功耗实时时钟芯片DS1302，通过三线制SPI总线与单片机通信，可提供秒、分、时、日、星期、月和年，具有闰年补偿功能，工作电压宽至2.5～5.5 V。初装系统时，可通过教师手环设置DS1302的时间。
信标节点采用220 V市电供电，电源模块将220 V交流市电转换为3.3 V和4.0 V的直流电源，供单片机、nRF24L01P和GPRS/GSM模块使用。
2.2 学生手环
学生手环由STC12LE5A60S2单片机最小系统、nRF24L01P短距离无线模块、ADXL345三轴加速度传感器、1×4独立按键、溺水检测电路构成，采用一粒型号为CR2032的3.3 V纽扣电池供电，其硬件结构见图3。
ADXL345是Analog Devices公司生产的三轴数字加速度传感器[7]，它采用2.0～3.6 V供电，单片机通过I2C总线读取其加速度，可以检测是否发生失重、自由落体、冲击，是否持续长时间保持平躺等几个状态，从而判断使用者是否发生摔倒。1×4独立按键由4个轻触开关构成，与单片机的4个I/O口连接，实现人机交互，可用于课堂答题、考勤、紧急呼叫等应用。溺水检测电路采用简单的短路检测方法，在手环表面留两个金属薄膜，一个接单片机I/O口，另一个接地，通过检测单片机I/O口是否与地短接判断手环是否浸泡在水中。若单片机I/O口接地时间超过预设值，则使用者可能溺水，此时手环通过nRF24L01P无线模块发送报警信息给最近的信标节点及教师手环。
2.3 教师手环
如图4所示，教师手环由STC12LE5A60S2单片机最小系统、nRF24L01P短距离无线模块、HC?06蓝牙模块、1×4独立按键、0.96寸有机电激光显示器（OLED）、蜂鸣器报警模块及3.3 V纽扣电池构成。
蓝牙模块采用汇承信息科技公司的HC?06，用于实现教师手环与手机之间的通信，便于教师用智能手机掌控教学。HC?06是主从一体化的蓝牙串口模块，通过串口与单片机通信，通信速率为9 600 b/s。其供电电压是3.3～3.6 V，工作于2.4 GHz ISM频段，采用GFSK调制，发射功率等级为class2，灵敏度≤-80 dBm，通信速率2 Mb/s，支持V2.0蓝牙协议标准。
OLED 12864与1×4独立按键配合，教师可以查看学生答题及考勤等情况。OLED 12864具有体积小、功耗低、可视角度大、无需背光、显示效果好等特点。它采用3.3～5 V供电，支持I2C和SPI两种接口，与单片机通信时，只需占用4个I/O口。蜂鸣器报警模块由5 mm×5 mm×3 mm，3 V供电的微型蜂鸣器及三极管驱动电路构成，用于发声报警，提醒教师有紧急情况发生。
3 软件设计
为了加快開发速度，提高程序的可读性、可移植性，信标节点、学生手环及教师手环的单片机程序均采用C51语言设计，由Keil μVision 5软件编译生成机器码文件，再用STC?ISP软件将机器码文件通过计算机串口烧录至单片机。教师手机监测端的应用软件则采用Android SDK Manager设计。
3.1 信标节点程序
信标节点单片机程序的流程如图5所示，其主要功能是定期向周围的学生手环、教师手环及其他信标节点广播信标；接收学生手环的登记、答题、报警等信息；向教师手环及其他信标节点反馈自己登记的学生手环ID号；给教师手环发送学生答题、考勤数据；放置在校门的信标节点还负责给学生家长发送手机短消息，报告学生到校及离校情况。
3.2 学生手环程序
学生手环单片机程序的流程如图6所示，其主要功能是通过接收信号强度指示（Received Signal Strength Indication，RSSI）寄存器检测接收到信标帧的信号功率，定期向信号强度最强的信标节点登记，报告自己的存在；在答题环节发送答题数据；当出现摔倒或者溺水时，向最近的信标节点及教师手环发出求救信号。
3.3 教师手环程序
教师手环单片机程序的流程如图7所示，其主要功能是通过按键及液晶进行教学管理，将查询到的学生手环数据通过串口发送给蓝牙模块，由后者传送给智能手机。当学生摔倒或者溺水时，发出报警信号。
3.4 智能手机APP软件
教师智能手机运行APP软件，通过自带的蓝牙接口与教师手环通信，获取所管辖班级的学生信息。APP应用软件采用Java语言设计，编程平台是Android SDK Manager。Android平台提供一个SharedPreferences类，它是一个轻量级的存储类，可用于保存软件配置参数[8?9]。本系统中，SharedPreferences类用于保存从教师手环获取的学生数据信息。
4 实验结果
对制作的5个信标节点，5个教师手环及9个学生手环进行测试，实验结果显示系统工作正常。
信标节点能够每隔3 s刷新一次学生所处的位置；当学生发生溺水或者摔倒时，可以在2 s内自动给教师发送求救信号；教师佩戴手环可方便地进行教学管理；学生家长能够通过手机获取学生到校离校信息。图8是智能手机应用软件界面，教师的智能手机与手环相互配合，可以进行课堂答题、考勤，实时查询学生在校位置信息及行程记录等。
5 结 语
本系统以低功耗单片机为控制核心构建信标节点、学生手环及教师手环，三者用短距离无线通信模块nRF24L01P连接，进行数据交互；教师手环通过蓝牙模块与智能手机通信，信标节点通过GPRS/GSM模块与家长联系。系统可实现家长及教师对学生到校离校的监测，教师使用本系统可进行课堂考勤、学生答题统计及校园定位，学生溺水或摔倒可及时自动向教师报警求助。本系统具有操作简单、使用方便、低功耗、多用途等优点，进一步微型化后，可在小学及学前教育中推广使用。
参考文献
[1] 荣志红.数字校园到离校系统的设计和实现[D].呼和浩特：内蒙古大学，2014.
[2] 徐向艺，王建玺.基于ZigBee无线传感器网络的实验室智能教学系统[J].计算机系统应用，2015，24（7）：63?68.
[3] 林泽鑫，刘俊贤，刘贵林，等.一种多功能智能学前教育辅助系统：中国，ZL201520245461.5[P].2015?08?12.
[4] 陈桂友.增强型8051单片机实用开发技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2010：6?7.
[5] 李贺，程祥，曾令国.基于nRF24L01芯片的近程无线通信系统设计[J].现代电子技术，2014，37（15）：32?34.
[6] 谱泰通信公司.PTM105 GSM/GPRS模块硬件手册[EB/OL].[2014?03?02].http：//www.doc88.com/p?0791919366920.html.
[7] 崔英辉，詹林.基于三轴加速度传感器的老人摔倒检测[J].现代电子技术，2013，36（3）：130?132.
[8] 谢景明，钟闰禄，陈长辉，等.Android移动开发项目式教程[M].2版.北京：人民邮电出版社，2015.
[9] 陈玮，秦会斌，曹曙光，等.基于Android平台的智能家居系统设计[J].电子技术应用，2015，41（10）：158?160.
