基于STM32控制的NRF24L01無線通信師生交互式教學(xué)平臺設(shè)計

蔣鵬

摘要：本項目教師端和學(xué)生端能夠?qū)崿F(xiàn)一對一或一對多的無線通信，具備了學(xué)生端自動簽到，教師端提問、答疑提示以及無線搶答器功能。并且結(jié)構(gòu)簡單、成本較低、攜帶便利。

關(guān)鍵詞：STM32；師生互動；NRF24L01

中圖分類號：TP368 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）09-0009-01

基于對單片機的興趣，加上平時上課的觀察。我們認(rèn)為現(xiàn)在學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性不高，課堂上的師生互動較少，因此我們計劃設(shè)計一套師生互動平臺，應(yīng)用于課堂教學(xué)中，輔助教師授課，活躍課堂氣氛。該平臺能夠?qū)崿F(xiàn)學(xué)生端自動簽到、學(xué)生端提問提醒、教師端答疑提示、搶答等功能。我們認(rèn)為該平臺能夠有效的幫助老師課堂授課并且能夠提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和教學(xué)過程中的參與度。

1 項目功能描述

該項目是圍繞著輔助課堂教學(xué)進行設(shè)計的，因此項目具備以下基本功能：（1）識別學(xué)生是否在線，判斷學(xué)生是否在教室上課。（2）能夠通過教師端指定學(xué)生回答問題，學(xué)生端會出現(xiàn)相關(guān)提示。（3）能夠?qū)崿F(xiàn)搶答器功能。（4）在答疑過程中，有疑問的學(xué)生按下學(xué)生端相應(yīng)的按鍵，該學(xué)生對應(yīng)的信息就會出現(xiàn)在教師端平臺上。

2 硬件選擇

該項目的難點在于通信方式，如果采用有線方式，系統(tǒng)的組網(wǎng)會很困難，而且整個系統(tǒng)將會受到線路的限制，教師端也很難同時連接多個學(xué)生端。因此本項目采用NRF24L01模塊進行無線通信，該模塊具有通信距離遠(yuǎn)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)一對一、一對多的通信模式，完全符合項目需求。NRF24L01是由NORDIC生產(chǎn)的單片無線收發(fā)器芯片，NFR24L01具有較高的通信速度，較遠(yuǎn)的通信距離。在項目中教師端的NRF24L01可以與多個學(xué)生端的NRF24L01進行通信，因為NRF24L01具有6個通道，在同一通信頻率下一個主機可以和六個從機進行通信，也就意味著一個教師端可以與六個學(xué)生端進行通信。當(dāng)需要更多的學(xué)生端時，可以通過增加一個教師端的NFR24L01，并且更改通信頻率來實現(xiàn)，這樣不同頻率的NRF24L01組之間的通信就不會相互干擾。NRF24L01還能夠開啟自動應(yīng)答功能，教師機挨個給學(xué)生機發(fā)送詢問信息，開啟了自動應(yīng)答后學(xué)生機在收到教師機的詢問信息后會自動應(yīng)答，利用自動應(yīng)答功能就能夠?qū)崿F(xiàn)互動平臺的學(xué)生端在線簽到功能。

該項目教師端需要顯示較多的信息，如學(xué)生簽到情況、答疑情況等，數(shù)碼管和普通的液晶屏滿足不了設(shè)計需求。因此本項目采用了TFTLCD3.5寸彩屏，該屏幕色彩豐富，亮度高，支持中英文顯示并且可自定義字體及大小，非常適合應(yīng)用于教師端。學(xué)生端則不需要配備顯示器，只需要發(fā)光二極管及蜂鳴器即可，即可滿足項目需求也能大大降低項目成本。

由于項目中采用了TFTLCD3.5寸彩屏，主控模塊就需要有更快的運行速度來滿足顯示器的顯示及信息刷新，并且還需要兼顧和NRF24L01的無線信息交換，這就要求主控模塊還需要有更高的可靠性，因此該項目主控模塊選擇了STM32F103C8單片機，STM32系列單片機具有72MHZ的時鐘頻率，運行速度快、可靠性高，并且型號眾多，用戶可以根據(jù)需求選擇最合適的型號，在同類產(chǎn)品中有較大的優(yōu)勢和較高的性價比。

3 硬件設(shè)計

該項目硬件分為教師端和學(xué)生端兩個部分，教師端由：STM32F103C8、NRF24L01、TFTLCD3.5寸彩屏、按鍵構(gòu)成，實現(xiàn)學(xué)生簽到情況顯示，學(xué)生搶答提示及指定學(xué)生回答問題功能。學(xué)生端由：STM32F103C8、NRF24L01、按鍵及蜂鳴器構(gòu)成，實現(xiàn)簽到、搶答及教師提問提示功能。

4 TFTLCD3.5接口電路設(shè)計

TFTLCD的數(shù)據(jù)口A0～A7與STM32F103C8單片機的PA0～PA7相連，進行數(shù)據(jù)交換。片選信號CS與PB0連接；復(fù)位信號RST與PB1連接；命令/數(shù)據(jù)選擇位RS與PB2連接，由PB2決定發(fā)送信息的為命令還是數(shù)據(jù)；寫信號WR與PB3連接，當(dāng)該位有效時，單片機能夠?qū)⒚睢?shù)據(jù)發(fā)送至顯示器中；讀信號RD與PB4連接，當(dāng)該位有效時單片機能夠讀取顯示器中的信息，接口電路如圖1所示。

5 NRF24L01接口電路設(shè)計

NRF24L01的CE、CSN、IRQ、SCK、MISO、MOSI分別與STM32F103C8單片機的PB10～PB15相連，CE用于控制NRF24L01的狀態(tài)，CSN為片選信號，IRQ是中斷信號，SCK、MISO、MOSI用于高速數(shù)據(jù)傳送。接口電路如圖2所示。

6 軟件設(shè)計

系統(tǒng)初始化流程圖如圖3所示，教師端和學(xué)生端的系統(tǒng)初始化流程基本相同。在初始化中分別對TFTLCD、NRF24L01、中斷系統(tǒng)及延時程序和獨立看門狗進行初始化，在學(xué)生端不需要TFTLCD初始化，因為本項目具有多個學(xué)生端，考慮成本問題在學(xué)生端中并沒有配備TFTLCD屏。

教師端流程圖如圖4所示，教師端首先檢測本身的NRF24L01是否正常，并且在顯示屏顯示NRF24L01狀態(tài)。當(dāng)NRF24L01在線時，教師端逐個檢測學(xué)生端的NRF24L01是否應(yīng)答，通過應(yīng)答與否來判斷學(xué)生是否在教室，實現(xiàn)在線簽到功能，并且將結(jié)果顯示在顯示屏上。同時，教師端還要檢測按鍵狀態(tài)，當(dāng)相應(yīng)按鍵按下時執(zhí)行對應(yīng)的程序，如指定學(xué)生回答問題或者實現(xiàn)搶答器功能等。

7 結(jié)語

本項目經(jīng)過軟硬件調(diào)試，系統(tǒng)運行正常，已達(dá)到項目預(yù)期目標(biāo)。教師端與學(xué)生端無線通信狀態(tài)良好、數(shù)據(jù)傳送穩(wěn)定，基本功能使用正常，本項目具有一定的實用價值。

參考文獻

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