一种基于ZigBee协议的电子答题系统的制作方法

一种基于ZigBee协议的电子答题系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于ZigBee协议的电子答题系统，其包括至少一个手持终端以及一个用于认证路由器和手持终端的协调器，如果通信距离增加或节点数量超过240个以上，还包括一个或多个路由器，其中，路由器之间或与协调器连接，手持终端与路由器或协调器连接；协调器接收并存储由终端发送的或由路由器转发的信息，并向手持终端发送信息，手持终端接收由协调器发送的或由路由器转发的信息。本实用新型所提供的电子答题系统，整个系统基于ZigBee协议，信号传输稳定可靠，由协调器和多个路由器组成的ZigBee网络，网络容量大，可扩展性好，可以有效消除弱信号和死区，对手持终端要求较低，所匹配的手持终端体积小携带方便。
【专利说明】-种基于Z i gBee协议的电子答题系统

【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及通信领域，特别涉及一种基于ZigBee协议的电子答题系统。

【背景技术】
[0002] 将无线电子答题器应用于教学活动，在国内高校中尚未见报道，在课堂上使用无 线答题装置，可以取代原始的举手表决并能快速统计出结果，以适应课堂互动的教学要求， 提高课堂教学效果。
[0003] 此外，无线电子答题器在学生考勤、了解学生听课情况、吸引学生的注意力方面起 到积极的作用，并且能提高课堂效率。准确的答案统计，有助于老师了解学生知识掌握情 况。
[0004] 目前市场上有同类产品，体积大、操作繁琐，而且价格高昂，不适合用于学校课堂 教学，不宜携带。数据通信不稳定，有弱信号区或盲区。 实用新型内容
[0005] 本实用新型的目的是提供一种基于ZigBee协议的电子答题系统，具有通信稳定、 易扩展、手持终端体积较小携带方便等特点。
[0006] 本实用新型提供了一种基于ZigBee协议的电子答题系统，其包括至少一个手持 终端以及一个用于认证路由器和手持终端的协调器，如果通信距离增加或节点数量超过 240个以上，还包括一个或多个路由器，其中，路由器之间或与所述协调器连接，所述手持终 端与路由器或协调器连接；所述协调器接收并存储由所述终端发送的或由所述路由器转发 的信息，并向所述手持终端发送信息，所述手持终端接收由所述协调器发送的或由路由器 转发的信息。
[0007] 进一步地，本实用新型所提供的电子答题系统，所述协调器包括PCB天线和 CC2530芯片，其中，所述PCB天线接收由所述手持终端发送的或由所述路由器转发的信息， 并直接向或通过所述路由器向所述手持终端发送信息；所述CC2530的串行接口与所述电 子答题系统之外的PC机连接，将存储在所述协调器上的信息传输给所述PC机。
[0008] 进一步地，本实用新型所提供的电子答题系统，所述手持终端包括PCB天线、键盘 和CC2530芯片，当所述手持终端接收到所述协调器发送的读数据命令后，所述手持终端的 CC2530中的控制器采集所述键盘信息，并将所采集的信息通过所述手持终端的PCB天线经 由所述路由器或直接传输给所述协调器。
[0009] 进一步地，本实用新型所提供的电子答题系统，相互直接连接的路由器之间备份 对方的数据。
[0010] 本实用新型所提供的电子答题系统，整个系统基于ZigBee协议，信号传输稳定可 靠，由协调器和多个路由器组成的ZigBee网络，网络容量大，可扩展性好，可以有效消除弱 信号和死区，对手持终端要求较低，所匹配的手持终端体积小携带方便。
[0011] 本实用新型的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书 中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过 在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
[0012] 下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

【专利附图】

【附图说明】
[0013] 附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用 新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：
[0014] 图1为使用本实用新型的一个具体实施例的整体结构示意图；
[0015] 图2为本实用新型一个具体实施例的协调器、路由器和手持终端节点核心控制板 的原理图；
[0016] 图3为本实用新型一个具体实施例的协调器连接PC机的串行口电平转换原理 图；
[0017] 图4为本实用新型一个具体实施例的协调器、路由器和手持终端电源单元原理 图；
[0018] 图5为本实用新型一个具体实施例的手持终端键盘原理图；
[0019] 图6为本实用新型一个具体实施例手持终端键盘指示灯原理图；
[0020] 图7为本实用新型一个具体实施例的网状网络拓扑结构图；
[0021] 附图标记说明：1第一电容，2第二电容，3第三电容，4第四电容，5第五电容，6第 六电容，7第七电容，8第一电感，9第二电感，10第三电感。

【具体实施方式】
[0022] 以下结合附图对本实用新型的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优 选实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
[0023] 本实用新型的一种基于ZigBee协议的电子答题系统，其包括至少一个手持终端 以及一个用于认证路由器和手持终端的协调器，如果通信距离增加或节点数量超过240个 以上，还包括一个或多个路由器，其中，路由器之间或与协调器连接，手持终端与路由器或 协调器连接；协调器接收并存储由终端发送的或由路由器转发的信息，并向手持终端发送 信息，手持终端接收由协调器发送的或由路由器转发的信息。
[0024] 如图1所示，本实用新型包括协调器、路由器和手持终端，其中，协调器主要包括 加密解密单元、PCB天线单元、协调器主控单元、UART串行接口和电源单元，路由器包括加 密解密单元、PCB天线单元、路由器控制单元和电源单元，手持终端包括加密解密单元、PCB 天线单元、手持终端控制单元和电源单元，协调器、路由器以及手持终端相互之间通过PCB 天线单元通信。协调器将读取手持终端数据的命令经过加密后转化为无线信号通过自己的 PCB天线向空间发射；路由器PCB天线收到信号后会将信号路由到更远的地方以便更多的 手持终端能收到协调器的命令信号；手持终端的PCB天线收到协调器直接发送的命令信号 或收到路由器转发而来的协调器命令后便将采集到的键盘信息打包加密后经过手持终端 的PCB天线发送出去，信号会沿着命令的传输路线传输到协调器。
[0025] 协调器主要用于启动和控制网络，存储关于网络的信息，包括作为认证中心和作 为安全密钥的贮藏所。路由器用于扩展网络覆盖面积，在障碍周围动态路由，并且提供备份 路由以防网络拥挤和设备失败，可以连接到协调器或其它路由器，并且支持手持终端。手持 终端用于发送或接收信息，必须被连接到协调器或者一个路由器，并且不支持子设备扩展。
[0026] 作为一个具体实施例，协调器包括PCB天线和CC2530芯片，其中，PCB天线接收 由手持终端发送的或由路由器转发的信息，并直接向或通过路由器向手持终端发送信息； CC2530的串行接口与电子答题系统之外的PC机连接，将存储在协调器上的信息传输给PC 机。手持终端包括PCB天线、键盘和CC2530芯片，当手持终端接收到协调器发送的读数据 命令后，手持终端的CC2530中的控制器采集键盘信息，并将所采集的信息通过手持终端的 PCB天线经由路由器或直接传输给协调器。
[0027] 对于运行在协调器、路由器和手持终端上的程序，作为一种具体实现方式，可以使 用ZigBee协议栈软件-Z-Stack，并将它移植到CC2530射频芯片上最终形成本实用新型 的技术方案，其中，Z-Stack可以使用瑞典公司IAR开发的IAR Embedded Workbench for MCS.51作为它的集成开发环境。Z-Stack由main()函数开始执行，main()函数共做了 2件 事：一是系统初始化，另外一件是开始执行轮转查询式操作系统。
[0028] 协调器、路由器和手持终端都是使用同一套轮转查询式操作系统。协调器和路由 器没有执行按键检测功能，只有手持终端在执行这个函数采集按键数据。首先，围绕协调器 建立一个无线网络，协调器检查网络中是否有新的路由器和/或手持终端节点，若有，则将 其加入到网络中，协调器直接向或经由路由器向手持终端发送命令，或接收手持终端发出 或经由路由器转发的信息；若没有，则不断检查网络中是否有新的路由器和/或手持终端 节点。对于待加入的路由器，查询周围是否有相同ID的网络，若是，则申请加入网络，并从 协调器获取自身地址，然后判断是否有相同ID的路由器和手持终端，若有，则向下面路由 器或手持终端节点分配或传输数据，若没有，则不断检查是否有相同ID的路由器和手持终 端；若否，则待加入的路由器不断查询周围是否有相同ID的网络。对于待加入的手持终端， 查询周围是否有相同ID的网络，若有，则申请加入网络启动主程序，启动按键扫描检测，若 有按键中断产生，则进入终端记录调用按键处理函数，若协调器发来读取数据指令，则向协 调器或路由器发送数据，否则，启动按键扫描检测；若没有协调器发来读书数据的指令，则 启动按键扫描检测；若按键扫描检测没有按键中断产生，则启动按键扫描检测。
[0029] 在手持端成功加入协调器组建的无线网络后，便开始采集手持端键盘信息，协调 器通过自己的PCB天线直接发送到或经由路由器转发到手持端，当手持端PCB天线接收到 协调器的读数据命令后，将命令传送到手持终端的CC2530控制器，接收端控制器将采集好 的按键信息再通过手持终端PCB天线直接传送或经由路由器转发到协调器。协调器再通过 自己的CC2530上的同步串行接口将所接收到的手持终端的信息上传到PC机上。
[0030] 本实用新型的所有具体实施例所应用的ZigBee协议是基于IEEE802. 15. 4标准的 协议，它是为无线传感网络提供所需网络的基础设施，IEEE802. 15. 4定义了物理层（Port Physical Layer，PHY)和媒体访问控制（Media Access Control，MAC)层，ZigBee 定义了 网络层（Network layer，NWK)和应用层（application layer，APL)。
[0031] 本实用新型所提供的电子答题系统，整个系统基于ZigBee协议，信号传输稳定可 靠，由协调器和多个路由器组成的ZigBee网络，网络容量大，可扩展性好，可以有效消除弱 信号和死区，对手持终端要求较低，所匹配的手持终端体积小携带方便。
[0032] 此外，本实用新型所使用的基于ZigBee协议的手持终端在无通信任务时，便可以 进入低功耗休眠状态，用户只需普通的2节5号干电池就可维持手持终端至少6个月的工 作时间，其续航能力远远大于基于Wi-Fi技术的通信设备。
[0033] 还有，本实用新型所使用的基于ZigBee协议的协调器、路由器和手持终端入网时 间非常短，只需30ms，而Wi-Fi和蓝牙技术分别需要3S和10S的时间。
[0034] 在一个具体的实施方式中，如图2所示，协调器、路由器和手持终端节点的核心控 制板所使用的控制器是CC2530芯片，采用的天线是PCB天线，该天线的工作频率为2. 4GHz， 采用的IEEE802. 15. 4标准协议进行无线通信。CC2530芯片射频输出引脚RF_P和RF_N连 接第一电容1、第二电容2、第三电容3、第四电容4、第五电容5、第六电容6、第七电容7、第 一电感8、第二电感9和第三电感10,经第七电容连接PCB天线。构成一个完整的射频收发 系统。
[0035] 如图3所示，协调器串口电平转换模块，采用的是MAX232芯片，外加三个电容构成 电压变化电路，将协调器串口的电平信号和PC机串口的电平信号进行转换，实行两个不同 电平系统能够进行通信。它的主要用途是连接PC机和协调器，使双方能够进行传输数据。
[0036] 如图4所示，电源单元，协调器供电方式有2种，可以通过USB供电，也可以通过电 池供电。如果通过USB供电需要经过AMS1117-3. 3进行电压变换，将5V电压转换成3. 3V电 压给系统供电，如果是经过电池供电则可以直接连接到系统中，不必经过AMS1117-3. 3芯 片。路由器和手持终端主要使用电池供电。
[0037] 如图5所示，键盘模块是使用在手持终端上的。使用SN74HC32D进行消除按键抖 动和提供中断触发，中断触发后，CC2530芯片AD转换引脚启动模拟量转换功能，这个引脚 采集的是经过TLV272将按键按下时电压记录下来并传送来的。主要是用于采集用户的输 入信息，使用的是中断方式进行数据采集，确保数据不会丢失。
[0038] 如图6所示，主要用于提示用户输入的信息。当相应的按键按下后经过CC2530芯 片处理后确认已经采集到该信息后，就将对应的信号灯点亮。直到协调器将其数据通过无 线采集走后，才将其对应的灯熄灭。
[0039] 如图7所示，五角星代表协调器，四边形代表路由器，圆圈代理手持终端，它们相 互连接构成了本实用新型的基于ZigBee通信的网状网络拓扑结构，该类网络允许所有具 有路由功能的节点直接互联，由路由器中的路由表实现消息的网状路由，采用这样的拓扑 结构减小了消息延时，增强了通信的可靠性，使得整个通信网络更加健壮。此外，ZigBee支 持具有自愈功能的网状网络结构，如果一条路径连接失败，它允许节点通过网络找到新的 路径，这使得该网络更加健壮。
[0040] 图7所示的网状拓扑结构支持多跳通信，这些数据通过从一个设备到另一个设 备，使用做可靠的通信联系和最符合成本效益的路径，直到到达它的目的地。这种多跳能力 也帮助提供容错功能，如果一台设备失败或经历冲突，该网络可以使用剩下的设备重新路 由它自己。
[0041] 当网络中的设备允许加入一个新设备加入网络时，这两个设备就构成了父子关 系。新加入的设备是子设备，而第一个设备是父设备。一个子设备可以通过两种方式加入 网络：通过MAC层关联过程加入网络或由先前指定的父设备直接加入网络。只有协调器或 路由器能够允许设备加入网络，而手持终端设备则不能。
[0042] 综上所述，本实用新型所提供的电子答题系统，整个系统基于ZigBee协议，信号 传输稳定可靠，由协调器和多个路由器组成的ZigBee网络，网络容量大，可扩展性好，可以 有效消除弱信号和死区，对手持终端要求较低，所匹配的手持终端体积小携带方便。
[〇〇43] 以上结合实施例对本实用新型做了具体的描述，但不作为本实用新型的限定，一 切在本实用新型权利要求范围内的所有修改和变化，都落在受到本实用新型的保护范围之 内。
【权利要求】
1. 一种基于ZigBee协议的电子答题系统，其特征在于，其包括至少一个手持终端以及 一个协调器，如果通信距离增加或节点数量超过240个以上，还包括一个或多个路由器，其 中，路由器之间或与所述协调器连接，所述手持终端与路由器或协调器连接；所述协调器接 收并存储由所述终端发送的或由所述路由器转发的信息，并向所述手持终端发送信息，所 述手持终端接收由所述协调器发送的或由路由器转发的信息。
2. 如权利要求1所述的电子答题系统，其特征在于，所述协调器包括PCB天线和 CC2530芯片，其中，所述PCB天线接收由所述手持终端发送的或由所述路由器转发的信息， 并直接向或通过所述路由器向所述手持终端发送信息；所述CC2530的串行接口与所述电 子答题系统之外的PC机连接，将存储在所述协调器上的信息传输给所述PC机。
3. 如权利要求1或2所述的电子答题系统，其特征在于，所述手持终端包括PCB天线、 键盘和CC2530芯片，当所述手持终端接收到所述协调器发送的读数据命令后，所述手持终 端的CC2530中的控制器采集所述键盘信息，并将所采集的信息通过所述手持终端的PCB天 线经由所述路由器或直接传输给所述协调器。
4. 如权利要求1或2所述的电子答题系统，其特征在于，相互直接连接的路由器之间备 份对方的数据。
【文档编号】H04L29/08GK203894971SQ201420308106
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2014年6月9日 优先权日:2014年6月9日
【发明者】陈争光, 王雪, 孙金刚 申请人:黑龙江八一农垦大学