一种学生终端和课堂互动答题系统的制作方法

本发明涉及信息化教学，尤其涉及一种学生终端和课堂互动答题系统。

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背景技术：
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课堂互动反馈系统是信息化教育的重要环节，通过信息化的电子设备，将老师和学生连动起来，一方面提高课堂学生的参与度，另一方面帮助老师高效的掌握学生接受情况。反馈系统还能进行一些数据统计和分析，对教学参与各方形成有益的报告参考。反馈系统所使用的学生端设备有智能手机、平板电脑、智能学生卡等。

申请号为CN201510634538.2的发明公开了一种基于智能手机的教学辅助系统，该系统在教室内设有路由器、与路由器无线连接的学生手机、与路由器连接的电脑、与电脑连接的显示机构；该发明的优点在于该系统利用校园网络，将学生手机互联到多媒体教学系统中，方便课堂互动，既能避免学生玩手机，也能增加学生上课趣味性，积极参与到课堂教学中，从而有效地提高了教学质量。

申请号为CN201710798034.3的发明公开了一种课堂互动教学系统，包括教师终端、学生终端以及分别与教师终端和学生终端连接的服务器端；所述的教师终端包括教师注册登陆模块、课堂中心模块、课堂创建模块、上课模块、课堂签到模块、答题控制模块和下课模块；所述的学生终端包括学生注册登陆模块、学习中心模块、课堂搜索模块、学生签到模块、事件控制唤醒模块和答题与反馈模块；所述的服务器端包括消息通信服务器和数据库。该还公开了以一种课堂互动教学方法，最大化地降低了课堂互动的门槛和限制条件，师生仅需移动终端设备和网络，例如，移动流量、校园网等，无需专门搭建设备所需环境即可为师生架起一座课堂互动的桥梁，用户使用便捷，成本低；同时系统使用简易，极具推广性。

专利号为CN201520554368.2的实用新型公开了一种基于RFID无线智能卡的教学反馈系统；包括RFID教师卡、RFID学生卡、RFID数据采集器、安装有课堂教学系统的教学计算机和电子白板，所述RFID数据采集器通过接口与所述教学计算机连接，所述电子白板与所述教学计算机通过数据线连接；所述RFID数据采集器用于接收所述RFID教师卡发出的数据信号并传输给所述教学计算机；所述RFID学生卡记录有学生的身份信息，所述RFID学生卡设有卡内控制器，且卡体上设有若干选择功能键，每一个所述选择功能键均与所述卡内控制器连接；所述RFID数据采集器用于接收所述RFID学生卡发出的数据信号并传输给所述教学计算机；所述教学计算机通过无线网络与云服务器连接。全新课堂互动模式，节省大量开支，以最低成本成就最优效果。

申请号为CN201510634538.2的发明和申请号为CN201710798034.3的发明有一个共同的特点，在学生端使用了通用的移动通信设备，如智能手机或平板电脑。智能手机在中小学阶段是无法普及的，还因为手机会影响正常的教学秩序，因此在多数中小学被禁用。平板电脑的成本较高，也无法普及推广。并且，手机和平板电脑的网络接入方式是移动通信网络和WIFI，移动通信网络由于资费高，不能在中小学推广；如果在教室里接入WIFI，由于接入终端数量较多，班级人数可能超过50个，普通的家用路由器无法承载这么多的设备接入，专用的多点接入路由器价格昂贵，设备的成本会成为学校推广普及的障碍。另外，智能手机和平板电脑的电池续航时间较短，不利于大批量使用时的维护工作。

专利号为CN201520554368.2的实用新型公开了一种基于RFID的学生卡，可以实现课堂互动的效果。该项技术解决了终端功耗放系统硬件成本高的问题，但是学生卡只能实现按键输入，用于选择题、判断题等客观题的互动，无法满足中小学课堂练习最多的、需要手写输入的题型。

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技术实现要素：
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本发明要解决的技术问题是提供一种低成本、低功耗、便于普及推广的学生终端。

本发明另一个要解决的技术问题是提供一种低成本、低功耗、便于普及推广的课堂互动答题系统。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，一种学生终端，包括第一微控制器、显示屏、键盘、无线通信电路和电磁感应触摸屏，所述的无线通信电路是射频收发电路，显示屏、键盘、射频收发电路和电磁感应触摸屏分别接第一微控制器。

以上所述的学生终端，所述的显示屏是电子墨水屏。

一种课堂互动答题系统，包括教学计算机系统、数据采集器和上述的学生终端，教学计算机系统的主机与数据采集器连接，学生终端通过射频收发电路与数据采集器无线通信连接。

以上所述的课堂互动答题系统，数据采集器包括第二微控制器、接口电路和复数个射频电路，射频电路和接口电路分别接第二微控制器，接口电路接教学计算机系统的主机；所述的复数个射频电路包括一个作为短数据包传输通道的射频电路和至少一个作为长数据包传输通道的射频电路，所述的射频电路与学生终端的射频收发电路无线通信连接。

以上所述的课堂互动答题系统，教学计算机系统包括所述的主机、投影屏或电子白板，投影屏或电子白板与主机连接。

以上所述的课堂互动答题系统，包括远程服务器，主机与远程服务器通过因特网连接，进行数据交互。

以上所述的课堂互动答题系统，系统的工作过程包括以下步骤：

701)主机下发答题开始通知到数据采集器，数据采集器进入答题状态；

702)开机的学生终端周期性地发送查询信息，数据采集器收到查询信息，下发题目的简要信息；

703)学生终端收到简要信息后，发送题目详细信息请求；数据采集器给学生终端分配一个长数据包通道号，指定通信的频率，并回复给学生终端；

704)学生终端切换到长数据包模式下对应的频率，以长数据包格式向数据采集器发送题目内容请求，数据采集器切换到长数据包传输通道以长数据包格式向学生终端发送题目内容；学生终端重复发送内容请求，直到全部题目内容接收完成；

705)学生终端收到题目内容后，在显示屏上显示；学生者通过键盘或电磁感应触摸屏输入答案，输入完成后提交；

706)如果是客观题或者简单的数字题，学生终端直接通过短数据包格式提交，如果是需要书写的主观题，学生终端先通过短数据包向数据采集器发送长数据包通信请求，数据采集器给学生终端分配一个长数据包通道号，回复给学生终端；

707)学生终端切换到长数据包模式，以长数据包格式向数据采集器发送答案内容，数据采集器予以接收；学生终端重复发送答案数据包，直到所有答案内容发送完毕。

以上所述的课堂互动答题系统，学生终端第一次与数据采集器连接时，先进行注册，通过电磁感应触摸屏发注册请求，数据采集器对比白名单，如果该学生终端属于白名单中的学生终端，则给予注册应答，如果不属于白名单中的学生终端，则不予理会；简要信息包括答题模式、题型和题目数量。

以上所述的课堂互动答题系统，手写终端进行主观题书写作答的流程如下：

901)学生终端收到题目信息后，由第一微控制器开启电磁感应触摸屏电路的电源，电磁感应触摸屏和控制算法开始运行；

902)学生使用电磁笔进行书写，第一微控制器将书写的笔迹数据以像素点的形式进行存储；

903)学生书写完毕，点击提交按键，第一微控制器关闭电磁感应触摸屏的电源，并停止运行手写输入控制算法；

904)第一微控制器将存储的笔迹数据进行压缩，然后向数据采集器请求上传；

905)笔迹数据压缩采用二值图像压缩算法。

以上所述的课堂互动答题系统，教学计算机主机上的客户端软件对题目显示部分进行截图，并将获取的图片进行压缩后下发给数据采集器。

本发明的学生终端和课堂互动答题系统成本低、功耗低、便于普及推广。

[附图说明]

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明实施例课堂互动答题系统的原理框图。

图2是本发明实施例手写终端(学生终端)的原理框图。

图3是本发明实施例接收器(数据采集器)的原理框图。

[具体实施方式]

本发明实施例课堂互动答题系统的结构和原理如图1至图3所示。

本发明实施例是一种带有手写板的课堂互动答题系统，包括手写终端(学生终端)、接收器(数据采集器)、教学计算机和显示装置。其中，教学计算机承载课堂互动的客户端软件。

手写终端包括手写输入单元、显示屏、键盘、微控制器、无线通信电路、存储器、电源管理电路和电池。

手写输入单元提供笔迹输入采集功能，用于采集用户书写输入或点选输入。键盘提供开关机、回车、发送和清除等常用功能键。显示屏显示操作过程提示和结果提示，显示屏还能显示从接收器下发的信息，包括题目信息。

微处理器(MCU)负责整机的控制，包括无线控制、显示、按键和电磁输入采集与计算；存储器用于存储手写输入的过程数据；无线通信电路(射频电路)实现无线数据的发送和接收。显示屏、键盘和手写输入单元共同构成人机交互系统。整机采用电池供电，电源管理模块包括降压型稳压电路和充电电路。

在本实施例中，微控制器选用nRF52832，集成2.4GHz无线通信电路。微控制器通过P0.07-P0.10四个IO口分别接四个按键S1-S4。

显示屏选用电子墨水屏，型号是GDE029A1。电子墨水屏的静态显示不需要消耗电能，为整机低功耗提供了保证。另外在学校中应用时，因电子墨水屏不发光，不会对学生的眼睛造成伤害。

微控制器通过P0.11-P0.15IO口控制显示屏。存储器选用FLASH芯片W25X10L，通过SPI接口与微控制器通信。

本实施例中，手写输入单元采用电磁感应触摸屏，电磁感应触摸屏包括多个横向采集电路和多个纵向采集电路。横向采集电路和纵向采集电路是相同的，只是感应线圈在PCB板上的方向不同。每路采集电路包括1个感应线圈、信号调理电路。信号调理包括放大电路和峰值采样电路，放大电路采用普通的三极管共基极放大电路，具有很小的工作电流；峰值采样电路使用二极管进行检波，然后通过RC滤波电路后，接入到微控制器的ADC输入引脚。本实施例中，使用了8路ADC输入，横向和纵向采集电路分别占4路。如果需要更多的采集电路以扩大手写板区域，则需要用多路复用器进行时分复用。

手写终端的电源管理电路包括稳压电路和充电电路。稳压电路采用两路XC6205组成的3.3V稳压电路，其中一路供微控制器，另一路供手写输入单元。手写输入单元的电源由微控制器关闭或开启。充电电路选用芯片CN3062，500mA锂电池充电芯片。整机使用锂聚合物电池供电，通过USB接口充电。

与电磁感应触摸屏配套的还有电磁笔，电磁笔的基本原理是LC振荡器，发送电磁波。电磁笔发送的电磁波被手写终端的感应线圈接收后，通过信号调理，进入到微控制器进行采样计算，定位到笔尖所处的位置。

接收器用于和手写终端进行无线通信，通过无线下发题目信息和接收手写终端上报的答案。

接收器与教学计算机连接，连接的接口包括USB、网口或串口。教学计算机的主机承载客户端软件，向接收器下发答题指令、题目信息数据，并从接收器获取由手写终端上报的答案。

教学计算机的主机还连接因特网，和远程服务器进行数据交互，获取课堂互动的基本信息数据，上传课堂互动的内容和结果。教学计算机主机的显示接口接大尺寸显示屏、投影仪或电子白板。

接收器(数据采集器)包括微控制器、接口电路、电源电路和多个射频电路及射频天线。

接口电路用于和教学计算机主机通信；电源电路用于给其他电路部分供电；微控制器负责整机的控制、通信协议处理和数据流处理；射频电路由微控制器控制，进入不同的频率和不同通信格式同时工作。

本实施例中，微控制器型号是LPC1754。接口采用微控制器自带的USB接口，其通过P0.29和P0.30引出USB的D+和D-，外围电路包括ESD保护二极管和共模滤波电感。整机通过USB供电，电源电路是由CAT6218组成的5V-3.3V稳压电路。

本实施例中的接收器有三路射频电路和三个射频天线。射频通信电路采用芯片nRF24L01P及其外围电路，可以和手写终端的nRF52832进行通信。天线采用PCB PIFA天线。射频电路中的一路用于短数据包通信，另外两路用于长数据包通信。

本实施例中，短数据包采用固定的2.44GHz频率，数据包长度为12字节。手写终端与接收器的注册、指令查询、客观题答案数据交互由短数据包通信完成。长数据包使用另外的物理通道，不固定频率，由接收器动态选定频率。长数据包一次传输负载是32字节，用于题目内容的下发和主观书写题答案上报。

本发明实施例采用手写终端和接收器之间的通信方式，用以取代现有技术中的专用Wifi路由器，实现了低成本短距离无线通信。手写终端和接收器之间的通信，分为短数据包通道和长数据包通道两种通信类型，短数据包通道用于上传或下发指令、短数据；长数据包通道用于上传或下发内容较长的数据。手写终端只有一个物理射频通道，一般状态都工作于短数据包状态，由接收器的指令控制器进入长数据包状态。接收器则使用一个物理通道处理短数据包，其余物理通道在不同的频率收发长数据包，这样可以多个手写终端同时和接收器进行数据交互，增加通信带宽。

整套课堂互动系统的一次典型操作流程如下：

教师在授课的过程中，如果需要进行答题互动，首先在大屏幕上显示题目。调取题目的方式可以是打开本地文件、打开资源网站或通过展示台摄像获取纸质文件信息。教师开启教学计算机上的客户端软件，使用软件上的答题功能开始出题。客户端软件对题目显示部分进行截图，并将图片进行压缩，下发给接收器。

接收器将图片信息通过无线方式分别下发给系统里的手写终端。

手写终端在显示屏上显示题目，并提示学生进行答题。

教师下发的题目分两种类型：主观题和客观题。主观题指需要进行书写输入的题型，如：填空、问答、作图、计算；客观题指选择题、判断题、抢权等不需要手写输入的题型。如果是客观题，学生在手写终端的输入面板上点选答案，并提交。手写终端通过无线传输，将自身编码和答案数据上报到接收器。如果是主观题，学生在输入面板区，使用手写笔进行书写，书写完成后提交答案。手写终端通过无线传输将自身编码和答案数据上报到接收器。

接收器将数据传输到教学计算机，客户端软件收集数据后进行统计和分析，如果有网络，教学计算机将数据提交到远程服务器。

手写终端和接收器的通信流程如下：

在手写终端第一次和接收器连接时，需要先进行注册。手写终端发注册请求，接收器对比白名单，如果该手写终端在白名单中，则给予注册应答，如果不在白名单内，则不予理会。

教学计算机下发答题信息到接收器，接收器进入答题状态。

手写终端周期性的发查询信息，接收器收到查询信息，下发题目的简要信息。题目简要信息包括答题模式、题型和题目数量等。

手写终端开始答题，如果手写终端支持显示题目，手写终端在答题前，发送题目详细信息请求。接收器给手写终端分配一个长数据包通道号，并指定通信的频率，回复给手写终端。

手写终端切换到指定频率的长数据包通道，以长数据包格式向接收器发送题目内容请求，接收器予以回应，切换到长数据包传输通道以长数据包格式向手写终端发送题目内容。手写终端重复发送内容请求，直到所有信息接收完。

手写终端收到题目信息后，在显示屏上显示。学生通过键盘或者手写板等输入设备输入答案，输入完成后提交。

如果是客观题或者简单的数字题，手写终端直接通过短数据包格式提交。如果是书写的是主观题答案，手写终端先通过短数据包向接收器发送长数据包通信请求。接收器给手写终端分配一个长数据包通道号，并回复给手写终端。

手写终端切换到长数据包模式，以长数据包格式向接收器发送答案内容，接收器予以回应，接收答案数据包。手写终端重复发送答案数据包，直到所有信息发送完，重新回到短数据包通道。

在进行主观书写题答题时，手写终端的微控制器需要先开启手写输入单元电路，同时开启手写输入控制算法，进行笔迹采样。流程如下：

手写终端收到题目信息后，由微控制器开启手写输入单元电路的电源，手写输入单元电路和控制算法开始运行。

学生使用手写笔(电磁笔)进行书写，微控制器将书写的笔迹数据以位置点的形式存储到存储器中。

学生书写完毕，点击提交按键。微控制器关闭手写输入单元电路的电源，并停止运行手写输入控制算法。

微控制器将存储的笔迹数据进行压缩，然后向接收器请求上传。

上述的笔迹数据压缩采用公知的二值图像压缩算法，如JBIG2开源算法。

本发明实施例的客户端软件，运行于教学计算机主机，包括界面处理模块、接收器通信控制模块、数据本地处理模块、服务器通信模块。界面处理模块提供用户操作界面，进行屏幕截屏、图片压缩，结果呈现；接收器通信控制模块给接收器下发答题信息数据，包括题目的信息，并从接收器获取答题的结果数据；数据本地处理模块将答题数据进行简单的统计、还原和呈现；服务器通信模块从后台服务器获取班级学生信息，并将互动的整个过程数据，包括题目和每个学生的答案上报至后台服务器。

客户端软件需要将题目信息下发至接收器，接收器再传输到手写终端。为满足节省通信带宽，并达到较好的实时性，图片进行压缩处理。因终端显示是低像素的单色显示屏，显示的内容是题目信息，一般是文字和少量的单色图形，因此图片的压缩先对图片进行等比例矢量缩小到合适手写终端显示的大小，再选用二值图片压缩的算法进行压缩。手写终端收到图片后进行解压并显示。二值图片压缩算法可以选用国际通用的JBIG2算法。

上述技术方案需要围绕低功耗和低成本的终端设备两个核心需求来实现，以解决现有的平板电脑互动系统成本高、维护难的缺点。因此，本发明以上实施例的创造性在于：

使用单片机系统和低成本的单色显示屏、电磁输入面板(电磁感应触摸屏)组成手写终端，来实现课堂互动的题目显示、客观按键输入答题和主观手写输入答题，硬件成本低、功耗低，便于普及推广。

使用短距离无线通信的特殊协议和方法，实现低成本的无线通信部署方案，解决了平板电脑需要使用特制Wifi路由器的高成本问题；

在本发明以上实施例中，根据系统的实际情况，使用图片比例缩小和二值图像压缩算法，由教学计算机对下发给手写终端的题目图片进行预处理，减少了冗余数据传输，满足题目显示的需要，传输速度也保证了实时性。