基于Zigbee的串口通信數(shù)據(jù)流循環(huán)冗余校驗(yàn)方法

劉 君，趙麗艷，羅曉媛，鄒 棟

(1. 黑河學(xué)院理學(xué)院，黑龍江 黑河 164300；2. 哈爾濱理工大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150000)

1 引言

信息化時(shí)代背景下，目前的教育將現(xiàn)代信息技術(shù)與傳統(tǒng)教學(xué)模式融合，在學(xué)本理念下建立翻轉(zhuǎn)課堂信息化教學(xué)模式，因此翻轉(zhuǎn)課堂信息化教學(xué)平臺(tái)隨之出現(xiàn)。教學(xué)平臺(tái)中包含教務(wù)信息、教學(xué)信息、學(xué)生檔案等多樣化教學(xué)數(shù)據(jù)，因此使用教學(xué)平臺(tái)時(shí)，其數(shù)據(jù)分類效果備受重視。傳統(tǒng)方法根據(jù)文獻(xiàn)[1]以及文獻(xiàn)[2]的研究內(nèi)容，基于LINUX系統(tǒng)解析平臺(tái)串口數(shù)據(jù)流，通過設(shè)計(jì)總線控制器CRC校驗(yàn)碼，對(duì)教學(xué)資源進(jìn)行類別檢驗(yàn)[1-2]。但通過多次實(shí)驗(yàn)測試分析可知，該校驗(yàn)方法雖然利用了循環(huán)冗余校驗(yàn)法進(jìn)行數(shù)據(jù)識(shí)別，但平臺(tái)在分類教學(xué)資源時(shí)，還是存在信息顯示錯(cuò)誤提示。

因此，提出基于Zigbee的串口通信數(shù)據(jù)流循環(huán)冗余校驗(yàn)方法。Zigbee是一項(xiàng)低復(fù)雜度、低速率、低功耗的雙向無線通訊技術(shù)，對(duì)于數(shù)據(jù)采集、識(shí)別以及分析，具有極強(qiáng)的輔助效果，能夠幫助循環(huán)冗余校驗(yàn)法，識(shí)別與分析串口通信數(shù)據(jù)流。此次研究以傳統(tǒng)方法為前提，以該技術(shù)為創(chuàng)新突破口，設(shè)計(jì)全新的校驗(yàn)方法，為翻轉(zhuǎn)課堂信息化教學(xué)平臺(tái)的智能化分類，提供更強(qiáng)大的校驗(yàn)技術(shù)。

2 串口通信數(shù)據(jù)流循環(huán)冗余校驗(yàn)方法

2.1 設(shè)計(jì)循環(huán)冗余校驗(yàn)碼

循環(huán)冗余校驗(yàn)碼作為特殊線性代碼，可應(yīng)用于翻轉(zhuǎn)課堂的信息化教學(xué)管理模式中，為教學(xué)平臺(tái)的通信數(shù)據(jù)流的智能分析，提供更加精準(zhǔn)的教學(xué)數(shù)據(jù)。因此在該校驗(yàn)方法的初始階段，預(yù)先編譯循環(huán)冗余校驗(yàn)碼。循環(huán)冗余檢驗(yàn)碼簡稱為CRC，該校驗(yàn)碼有縮短型的結(jié)構(gòu)特征，利用該校驗(yàn)碼檢測串口通信數(shù)據(jù)，可以檢測出其中的錯(cuò)誤信息流。CRC碼的基本結(jié)構(gòu)，如下圖1所示。

圖1 循環(huán)冗余校驗(yàn)碼基本結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖中標(biāo)注可知，f(x)的m個(gè)系數(shù)，與m個(gè)信息位之間一一對(duì)應(yīng)；h(x)的n-m個(gè)系數(shù)，與n-m個(gè)校驗(yàn)位之間相對(duì)應(yīng)[3]。從信道編碼角度來看，整個(gè)s位幀就是一個(gè)碼字，因此將n-m校驗(yàn)位部分稱作CRC碼。其中f(x)為(m-1)次多項(xiàng)式，h(x)為(n-m-1)次多項(xiàng)式，則W(X)為(m-1)次多項(xiàng)式，g(x)為(n-m)次多項(xiàng)式。因此該循環(huán)碼在發(fā)送端，存在公式

W(X)=xn-mf(x)+h(x)

(1)

W(X)=H(x)=xn-mf(x)+h(x)=k(x)g(x)

(2)

此時(shí)的接收碼H(x)，可以被生成多項(xiàng)式g(x)整除。如果接收碼不能被整除，則說明學(xué)本理念下，翻轉(zhuǎn)課堂信息化教學(xué)平臺(tái)的串口通信數(shù)據(jù)，在傳輸過程中出現(xiàn)了誤碼[4]。此時(shí)循環(huán)冗余校驗(yàn)碼的“循環(huán)”特征，表現(xiàn)在循環(huán)碼生成多項(xiàng)式g(x)上，校驗(yàn)位的長度為n-m，是“冗余”的體現(xiàn)。因?yàn)樵摯a為循環(huán)碼，因此存在

g(x)v(x)=x2+1

(3)

此時(shí)的n-m為n的因子。若n-m固定，則參數(shù)n也固定。但在實(shí)際校驗(yàn)中，幀長n是可以連續(xù)變化的，因此將循環(huán)碼(n0，m0)縮短任意a位，得到CRC碼為

(n0-a，m0-a)=(n，m)

(4)

縮短后的CRC碼依然存在內(nèi)在特性，通過循環(huán)碼分析和控制，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)串口通信數(shù)據(jù)流的校驗(yàn)工作[5]。

2.2 基于Zigbee規(guī)劃串口通信數(shù)據(jù)識(shí)別方式

在設(shè)計(jì)循環(huán)冗余校驗(yàn)碼的同時(shí)，基于Zigbee規(guī)劃串口通信數(shù)據(jù)識(shí)別方式。已知Zigbee基本功能，是建立在數(shù)據(jù)傳輸基礎(chǔ)上的，因此說明傳輸海量的教育資料時(shí)，離不開Zigbee獲取串口通信數(shù)據(jù)流。因此利用Zigbee協(xié)議規(guī)定通信網(wǎng)絡(luò)的四類地址模式：

typedef enum

{

afAddrNotPresent=AddrNotPresent，∥綁定

afAddr16Bit=Addrl6Bit，∥短地址

afAddrGroup=AddrGroup，∥組發(fā)

afAddrBroadcast=AddrBroadcast，∥廣播發(fā)送

}afAddrMode_t;

此次規(guī)劃要求Zigbee為校驗(yàn)方法，提供四種不同的數(shù)據(jù)發(fā)送方式，分別為單點(diǎn)傳送、間接傳送、廣播傳送以及組尋址[6]。除此之外，目前的通信網(wǎng)絡(luò)中，存在一個(gè)64位的物理地址，該地址代碼為IEEE也可以發(fā)送待校驗(yàn)數(shù)據(jù)流。因?yàn)楦鱾€(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址，隨著翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)地點(diǎn)的變化，同樣具有動(dòng)態(tài)特征，因此點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸通信數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)不夠穩(wěn)定，所以采用IEEE地址傳輸點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信信息，令每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)固定的IEEE地址，通過該地址讀取每個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信數(shù)據(jù)流，然后將每個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)到管理數(shù)據(jù)庫中，并對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)，GPRS模塊根據(jù)IEEE地址，將通信數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)發(fā)給Zigbee協(xié)調(diào)器，然后通過已知函數(shù)ZDP_NwkAddrReq，將校驗(yàn)指令發(fā)送給對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)。圖2為規(guī)劃數(shù)據(jù)識(shí)別方式時(shí)，IEEE地址基本通信流程。

圖2 基于Zigbee的數(shù)據(jù)傳輸流程

根據(jù)圖2所示的基本流程，在網(wǎng)絡(luò)中定義相應(yīng)的組，并在所有組中，定義每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的協(xié)議，最后在端口中數(shù)據(jù)加入組名為Group1的組，用AF_DataRequest函數(shù)傳送教學(xué)平臺(tái)中的翻轉(zhuǎn)課堂信息。然后利用設(shè)計(jì)的循環(huán)冗余校驗(yàn)碼，檢測通信數(shù)據(jù)[7]。

2.3 設(shè)置循環(huán)冗余校驗(yàn)法管理邏輯

完成上述設(shè)計(jì)與規(guī)劃后，利用循環(huán)冗余校驗(yàn)法管理通信數(shù)據(jù)，利用除法及余數(shù)的原理，識(shí)別翻轉(zhuǎn)課堂信息化教學(xué)平臺(tái)的錯(cuò)誤傳輸。該方法將整個(gè)數(shù)據(jù)塊f(x)看作一個(gè)系數(shù)為0，或者系數(shù)為1的連續(xù)二進(jìn)制數(shù)據(jù)多項(xiàng)式，發(fā)送時(shí)用g(x)除以f(x)，相除結(jié)果的余數(shù)，就是第一節(jié)設(shè)計(jì)的循環(huán)冗余校驗(yàn)碼，然后將設(shè)計(jì)的校驗(yàn)碼，附在Zigbee上發(fā)送[8]。用同一個(gè)生成多項(xiàng)式g(x)，對(duì)傳送進(jìn)來的二進(jìn)制數(shù)據(jù)做除法，然后接收數(shù)據(jù)，當(dāng)結(jié)果為整數(shù)時(shí)，說明傳輸正確；當(dāng)結(jié)果存在小數(shù)時(shí)，說明此時(shí)的信息傳輸錯(cuò)誤，要求發(fā)送端口重新發(fā)送信息。循環(huán)冗余校驗(yàn)法的校驗(yàn)邏輯，如下圖3所示。

圖3 循環(huán)冗余校驗(yàn)法校驗(yàn)邏輯

此時(shí)的循環(huán)冗余校驗(yàn)碼，處于一個(gè)循環(huán)計(jì)算檢測的過程，要計(jì)算f位數(shù)據(jù)塊f(x)的CRC碼時(shí)，要求多項(xiàng)式g(x)必須短于f(x)，同時(shí)要求多項(xiàng)式g(x)的高位和低位，均為1。假設(shè)新的g(x)階數(shù)為b，附加b個(gè)0至數(shù)據(jù)塊f(x)尾端，則該數(shù)據(jù)塊的位數(shù)為f+b，相應(yīng)的多項(xiàng)式為xbf(x)。去除g(x)中對(duì)應(yīng)于xbf(x)的位串，并從xbf(x)對(duì)應(yīng)的位串中，減去總是小于等于1的數(shù)據(jù)，得到的結(jié)果就是多項(xiàng)式F(x)，也就是循環(huán)冗余校驗(yàn)碼的數(shù)據(jù)塊[9]。通過上述方法，管理Zigbee數(shù)據(jù)傳輸中的錯(cuò)誤信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)錯(cuò)誤傳輸?shù)男ｒ?yàn)管理。

2.4 并行控制模式實(shí)現(xiàn)循環(huán)冗余校驗(yàn)

(5)

用Y(0)表示寄存器的初始運(yùn)行狀態(tài)；Y′(0)表示寄存器的一般運(yùn)行狀態(tài)；用⊕表示相與以后的異或運(yùn)算；用?表示異或運(yùn)算[10-12]。則存在公式：

Y′(0)=U⊕Y(0)?R

(6)

遞歸得到：

Y′=Uc⊕Y?R

(7)

上述公式中：Uc表示翻轉(zhuǎn)課堂信息化教學(xué)平臺(tái)中，電路的使能控制矩陣，該矩陣的計(jì)算公式為：

(8)

將式(8)帶入式(7)中，得到使能控制矩陣的最終計(jì)算結(jié)果。對(duì)于生成多項(xiàng)式g(x)的固定電路，使能控制矩陣Uc固定，使能為“1”時(shí)與門導(dǎo)通；當(dāng)使能為“0”時(shí)與門截止。因此可通過連接和斷開操控，代替與門陣列，降低并行控制模式的操控難度。利用并行控制模式，控制循環(huán)冗余校驗(yàn)法的檢測管理程序，為學(xué)本視角下的翻轉(zhuǎn)課堂信息化教學(xué)平臺(tái)管理，提供更加可靠的檢測技術(shù)，保證基本教學(xué)信息傳輸?shù)募皶r(shí)性、針對(duì)性以及可靠性，為翻轉(zhuǎn)課堂提供更精準(zhǔn)的教學(xué)信息。至此在Zigbee的輔助下，完成對(duì)串口通信數(shù)據(jù)流的循環(huán)冗余校驗(yàn)。

3 實(shí)驗(yàn)測試與分析

為了驗(yàn)證此次研究校驗(yàn)方法的可靠性，提出對(duì)比測試，將基于Zigbee的校驗(yàn)方法，作為實(shí)驗(yàn)組測試對(duì)象；將傳統(tǒng)設(shè)計(jì)下的循環(huán)冗余校驗(yàn)法，作為對(duì)照組測試對(duì)象，比較二者之間的校驗(yàn)差異。為了保證學(xué)本理念下，翻轉(zhuǎn)課堂信息化教學(xué)平臺(tái)穩(wěn)定運(yùn)行，將翻轉(zhuǎn)課堂信息化教學(xué)平臺(tái)作為研究對(duì)象，利用不同的方法，對(duì)其教學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別與智能分類，從兩個(gè)角度分析方法之間的差異性。因此建立一個(gè)實(shí)驗(yàn)測試環(huán)境，安裝各項(xiàng)數(shù)據(jù)檢測軟件，試運(yùn)行翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)平臺(tái)，在平臺(tái)應(yīng)用的過程中，對(duì)其串口通信數(shù)據(jù)流進(jìn)行校驗(yàn)。

3.1 通信數(shù)據(jù)流信號(hào)識(shí)別效果

依據(jù)搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，兩個(gè)測試組在校驗(yàn)開始之前，分別利用不同的技術(shù)，識(shí)別翻轉(zhuǎn)課堂信息化教學(xué)平臺(tái)中，多樣化的通信數(shù)據(jù)流信號(hào)，結(jié)果如下圖4所示。

圖4 通信數(shù)據(jù)流信號(hào)識(shí)別效果對(duì)比測試

同樣利用此次實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備的MATLAB工具，對(duì)上圖中的兩組識(shí)別結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到如圖4所示的測試結(jié)果。根據(jù)相似度評(píng)估函數(shù)，對(duì)兩個(gè)測試組的數(shù)據(jù)識(shí)別效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。已知教學(xué)平臺(tái)中的數(shù)據(jù)類型各不相同，因此平臺(tái)串口的通信數(shù)據(jù)信號(hào)，經(jīng)過處理后會(huì)形成不規(guī)則波形。同時(shí)測試環(huán)境本身也會(huì)給實(shí)驗(yàn)結(jié)果帶來干擾，且識(shí)別波形往往存在時(shí)序上的差別，因此根據(jù)相關(guān)性，判別兩個(gè)測試組的信號(hào)波形，與真實(shí)信號(hào)之間的相似度。實(shí)驗(yàn)假設(shè)真實(shí)信號(hào)與識(shí)別信號(hào)，分別為x(t)和y(t)，利用誤差能量度量波形之間的相似度，該誤差能量的表示為

(9)

式中：γ表示令γ·y(t)接近x(t)的倍數(shù)值。同時(shí)要求選擇參數(shù)γ時(shí)，要保證能使能量的誤差最小，因此對(duì)上述公式進(jìn)行求導(dǎo)，得出

(10)

當(dāng)滿足上述條件時(shí)，可知誤差能量為最小值。因此將真實(shí)信號(hào)與識(shí)別信號(hào)之間的相關(guān)系數(shù)，定義為θxy，由此可以得到相關(guān)系數(shù)的值為

(11)

計(jì)算結(jié)果θxy，就可以用來描述真實(shí)信號(hào)與識(shí)別信號(hào)之間的波形相似度。而實(shí)驗(yàn)測試過程中，真實(shí)信號(hào)與識(shí)別信號(hào)之間會(huì)產(chǎn)生一個(gè)時(shí)間差ΔT，因此通過相乘和積分得到ΔT時(shí)間內(nèi)，兩個(gè)信號(hào)的相關(guān)系數(shù)，該系數(shù)的模小于1。當(dāng)相似系數(shù)為0時(shí)，說明校驗(yàn)方法在識(shí)別數(shù)據(jù)的過程中，得到的結(jié)果最差；當(dāng)相似系數(shù)為1時(shí)，則說明誤差能量為0，此時(shí)說明校驗(yàn)方法對(duì)教學(xué)數(shù)據(jù)的識(shí)別效果最好。下表1中的數(shù)據(jù)，就是10次測試下，兩個(gè)測試組的教學(xué)平臺(tái)信號(hào)識(shí)別效果。

表1 信號(hào)波形相似性測試結(jié)果

根據(jù)表1可知，不同組別的信號(hào)波形相似性不同。對(duì)于第2組實(shí)驗(yàn)來說，實(shí)驗(yàn)組信號(hào)波形的相關(guān)系數(shù)為0.9346，對(duì)照組信號(hào)波形的相關(guān)系數(shù)為0.8585，其相似性差異為0.0761。綜合表1中的10次測試結(jié)果可知，此次研究方法在識(shí)別教學(xué)數(shù)據(jù)時(shí)，其信號(hào)波形與真實(shí)信號(hào)波形之間，有更高的相似系數(shù)，其相似系數(shù)值更接近1?？梢娕c對(duì)照組相比，有更好的數(shù)據(jù)識(shí)別效果。

3.2 翻轉(zhuǎn)課堂信息化教學(xué)平臺(tái)分類效果仿真測試

實(shí)驗(yàn)的第二測試階段，將兩組校驗(yàn)方法，分別載入到相同的翻轉(zhuǎn)課堂信息化教學(xué)平臺(tái)之中，比較不同循環(huán)冗余校驗(yàn)方法應(yīng)用下，教學(xué)平臺(tái)對(duì)教學(xué)信息的分類效果。仿真測試結(jié)果如下圖5所示。

圖5 平臺(tái)分類效果對(duì)比測試

根據(jù)圖5中的測試結(jié)果可知，實(shí)驗(yàn)組利用Zigbee的校驗(yàn)方法，將兩類內(nèi)容近似的教學(xué)信息完全分離。而對(duì)照組同樣利用了循環(huán)冗余校驗(yàn)方法，但由于缺少Zigbee技術(shù)的輔助，部分A類教學(xué)信息與B類教學(xué)信息沒能完全分離，導(dǎo)致其分類效果達(dá)不到預(yù)期。最終可能影響翻轉(zhuǎn)課堂的信息化教學(xué)模式。可見Zigbee技術(shù)對(duì)于循環(huán)冗余校驗(yàn)方法，有更好的優(yōu)化效果。

4 結(jié)束語

此次研究在傳統(tǒng)循環(huán)冗余校驗(yàn)方法的基礎(chǔ)上，融合Zigbee技術(shù)，加強(qiáng)對(duì)海量教學(xué)信息的精準(zhǔn)識(shí)別，為平臺(tái)分類不同類型的教學(xué)資源，提供更加智能化的分類手段。通過實(shí)驗(yàn)得出以下結(jié)論：

1)設(shè)計(jì)方法的信號(hào)波形的相關(guān)系數(shù)為0.9349，相似系數(shù)更接近1，說明設(shè)計(jì)方法的誤差更小，識(shí)別準(zhǔn)確率高。

2)設(shè)計(jì)方法能夠?qū)深悆?nèi)容近似的教學(xué)信息完全分離，平臺(tái)分類效果較好。

但此次研究受個(gè)人經(jīng)驗(yàn)影響，還存在一些不足之處，今后的研究與分析工作中，可以設(shè)置一套并行控制算法，直接控制循環(huán)冗余校驗(yàn)的工作流程，進(jìn)一步提高方法的校驗(yàn)效率，為各項(xiàng)平臺(tái)的串口通信數(shù)據(jù)流分類，提供更加完善的技術(shù)支持。