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

劉 君，趙麗艷，羅曉媛，鄒 棟

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

1 引言

信息化時代背景下，目前的教育將現(xiàn)代信息技術(shù)與傳統(tǒng)教學模式融合，在學本理念下建立翻轉(zhuǎn)課堂信息化教學模式，因此翻轉(zhuǎn)課堂信息化教學平臺隨之出現(xiàn)。教學平臺中包含教務(wù)信息、教學信息、學生檔案等多樣化教學數(shù)據(jù)，因此使用教學平臺時，其數(shù)據(jù)分類效果備受重視。傳統(tǒng)方法根據(jù)文獻[1]以及文獻[2]的研究內(nèi)容，基于LINUX系統(tǒng)解析平臺串口數(shù)據(jù)流，通過設(shè)計總線控制器CRC校驗碼，對教學資源進行類別檢驗[1-2]。但通過多次實驗測試分析可知，該校驗方法雖然利用了循環(huán)冗余校驗法進行數(shù)據(jù)識別，但平臺在分類教學資源時，還是存在信息顯示錯誤提示。

因此，提出基于Zigbee的串口通信數(shù)據(jù)流循環(huán)冗余校驗方法。Zigbee是一項低復(fù)雜度、低速率、低功耗的雙向無線通訊技術(shù)，對于數(shù)據(jù)采集、識別以及分析，具有極強的輔助效果，能夠幫助循環(huán)冗余校驗法，識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)計全新的校驗方法，為翻轉(zhuǎn)課堂信息化教學平臺的智能化分類，提供更強大的校驗技術(shù)。

2 串口通信數(shù)據(jù)流循環(huán)冗余校驗方法

2.1 設(shè)計循環(huán)冗余校驗碼

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

圖1 循環(huán)冗余校驗碼基本結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖中標注可知，f(x)的m個系數(shù)，與m個信息位之間一一對應(yīng)；h(x)的n-m個系數(shù)，與n-m個校驗位之間相對應(yīng)[3]。從信道編碼角度來看，整個s位幀就是一個碼字，因此將n-m校驗位部分稱作CRC碼。其中f(x)為(m-1)次多項式，h(x)為(n-m-1)次多項式，則W(X)為(m-1)次多項式，g(x)為(n-m)次多項式。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)

此時的接收碼H(x)，可以被生成多項式g(x)整除。如果接收碼不能被整除，則說明學本理念下，翻轉(zhuǎn)課堂信息化教學平臺的串口通信數(shù)據(jù)，在傳輸過程中出現(xiàn)了誤碼[4]。此時循環(huán)冗余校驗碼的“循環(huán)”特征，表現(xiàn)在循環(huán)碼生成多項式g(x)上，校驗位的長度為n-m，是“冗余”的體現(xiàn)。因為該代碼為循環(huán)碼，因此存在

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

(3)

此時的n-m為n的因子。若n-m固定，則參數(shù)n也固定。但在實際校驗中，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，可以實現(xiàn)對串口通信數(shù)據(jù)流的校驗工作[5]。

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

在設(shè)計循環(huán)冗余校驗碼的同時，基于Zigbee規(guī)劃串口通信數(shù)據(jù)識別方式。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，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為校驗方法，提供四種不同的數(shù)據(jù)發(fā)送方式，分別為單點傳送、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64位的物理地址，該地址代碼為IEEE也可以發(fā)送待校驗數(shù)據(jù)流。因為各個節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)地址，隨著翻轉(zhuǎn)課堂教學地點的變化，同樣具有動態(tài)特征，因此點對點傳輸通信數(shù)據(jù)進行校驗時不夠穩(wěn)定，所以采用IEEE地址傳輸點對點的通信信息，令每一個節(jié)點都有一個固定的IEEE地址，通過該地址讀取每個節(jié)點的通信數(shù)據(jù)流，然后將每個節(jié)點的通信數(shù)據(jù)，存儲到管理數(shù)據(jù)庫中，并對節(jié)點進行編號，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，將校驗指令發(fā)送給對應(yīng)的節(jié)點。圖2為規(guī)劃數(shù)據(jù)識別方式時，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，定義每一個節(jié)點的協(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)傳送教學平臺中的翻轉(zhuǎn)課堂信息。然后利用設(shè)計的循環(huán)冗余校驗碼，檢測通信數(shù)據(jù)[7]。

2.3 設(shè)置循環(huán)冗余校驗法管理邏輯

完成上述設(shè)計與規(guī)劃后，利用循環(huán)冗余校驗法管理通信數(shù)據(jù)，利用除法及余數(shù)的原理，識別翻轉(zhuǎn)課堂信息化教學平臺的錯誤傳輸。該方法將整個數(shù)據(jù)塊f(x)看作一個系數(shù)為0，或者系數(shù)為1的連續(xù)二進制數(shù)據(jù)多項式，發(fā)送時用g(x)除以f(x)，相除結(jié)果的余數(shù)，就是第一節(jié)設(shè)計的循環(huán)冗余校驗碼，然后將設(shè)計的校驗碼，附在Zigbee上發(fā)送[8]。用同一個生成多項式g(x)，對傳送進來的二進制數(shù)據(jù)做除法，然后接收數(shù)據(jù)，當結(jié)果為整數(shù)時，說明傳輸正確；當結(jié)果存在小數(shù)時，說明此時的信息傳輸錯誤，要求發(fā)送端口重新發(fā)送信息。循環(huán)冗余校驗法的校驗邏輯，如下圖3所示。

圖3 循環(huán)冗余校驗法校驗邏輯

此時的循環(huán)冗余校驗碼，處于一個循環(huán)計算檢測的過程，要計算f位數(shù)據(jù)塊f(x)的CRC碼時，要求多項式g(x)必須短于f(x)，同時要求多項式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)的多項式為xbf(x)。去除g(x)中對應(yīng)于xbf(x)的位串，并從xbf(x)對應(yīng)的位串中，減去總是小于等于1的數(shù)據(jù)，得到的結(jié)果就是多項式F(x)，也就是循環(huán)冗余校驗碼的數(shù)據(jù)塊[9]。通過上述方法，管理Zigbee數(shù)據(jù)傳輸中的錯誤信息，實現(xiàn)對錯誤傳輸?shù)男ｒ灩芾怼?/p>

2.4 并行控制模式實現(xiàn)循環(huán)冗余校驗

(5)

用Y(0)表示寄存器的初始運行狀態(tài)；Y′(0)表示寄存器的一般運行狀態(tài)；用⊕表示相與以后的異或運算；用?表示異或運算[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)課堂信息化教學平臺中，電路的使能控制矩陣，該矩陣的計算公式為：

(8)

將式(8)帶入式(7)中，得到使能控制矩陣的最終計算結(jié)果。對于生成多項式g(x)的固定電路，使能控制矩陣Uc固定，使能為“1”時與門導(dǎo)通；當使能為“0”時與門截止。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)冗余校驗法的檢測管理程序，為學本視角下的翻轉(zhuǎn)課堂信息化教學平臺管理，提供更加可靠的檢測技術(shù)，保證基本教學信息傳輸?shù)募皶r性、針對性以及可靠性，為翻轉(zhuǎn)課堂提供更精準的教學信息。至此在Zigbee的輔助下，完成對串口通信數(shù)據(jù)流的循環(huán)冗余校驗。

3 實驗測試與分析

為了驗證此次研究校驗方法的可靠性，提出對比測試，將基于Zigbee的校驗方法，作為實驗組測試對象；將傳統(tǒng)設(shè)計下的循環(huán)冗余校驗法，作為對照組測試對象，比較二者之間的校驗差異。為了保證學本理念下，翻轉(zhuǎn)課堂信息化教學平臺穩(wěn)定運行，將翻轉(zhuǎn)課堂信息化教學平臺作為研究對象，利用不同的方法，對其教學數(shù)據(jù)進行識別與智能分類，從兩個角度分析方法之間的差異性。因此建立一個實驗測試環(huán)境，安裝各項數(shù)據(jù)檢測軟件，試運行翻轉(zhuǎn)課堂教學平臺，在平臺應(yīng)用的過程中，對其串口通信數(shù)據(jù)流進行校驗。

3.1 通信數(shù)據(jù)流信號識別效果

依據(jù)搭建的實驗平臺，兩個測試組在校驗開始之前，分別利用不同的技術(shù)，識別翻轉(zhuǎn)課堂信息化教學平臺中，多樣化的通信數(shù)據(jù)流信號，結(jié)果如下圖4所示。

圖4 通信數(shù)據(jù)流信號識別效果對比測試

同樣利用此次實驗準備的MATLAB工具，對上圖中的兩組識別結(jié)果進行數(shù)據(jù)處理，得到如圖4所示的測試結(jié)果。根據(jù)相似度評估函數(shù)，對兩個測試組的數(shù)據(jù)識別效果進行評價。已知教學平臺中的數(shù)據(jù)類型各不相同，因此平臺串口的通信數(shù)據(jù)信號，經(jīng)過處理后會形成不規(guī)則波形。同時測試環(huán)境本身也會給實驗結(jié)果帶來干擾，且識別波形往往存在時序上的差別，因此根據(jù)相關(guān)性，判別兩個測試組的信號波形，與真實信號之間的相似度。實驗假設(shè)真實信號與識別信號，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。同時要求選擇參數(shù)γ時，要保證能使能量的誤差最小，因此對上述公式進行求導(dǎo)，得出

(10)

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

(11)

計算結(jié)果θxy，就可以用來描述真實信號與識別信號之間的波形相似度。而實驗測試過程中，真實信號與識別信號之間會產(chǎn)生一個時間差ΔT，因此通過相乘和積分得到ΔT時間內(nèi)，兩個信號的相關(guān)系數(shù)，該系數(shù)的模小于1。當相似系數(shù)為0時，說明校驗方法在識別數(shù)據(jù)的過程中，得到的結(jié)果最差；當相似系數(shù)為1時，則說明誤差能量為0，此時說明校驗方法對教學數(shù)據(jù)的識別效果最好。下表1中的數(shù)據(jù)，就是10次測試下，兩個測試組的教學平臺信號識別效果。

表1 信號波形相似性測試結(jié)果

根據(jù)表1可知，不同組別的信號波形相似性不同。對于第2組實驗來說，實驗組信號波形的相關(guān)系數(shù)為0.9346，對照組信號波形的相關(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，此次研究方法在識別教學數(shù)據(jù)時，其信號波形與真實信號波形之間，有更高的相似系數(shù)，其相似系數(shù)值更接近1。可見與對照組相比，有更好的數(shù)據(jù)識別效果。

3.2 翻轉(zhuǎn)課堂信息化教學平臺分類效果仿真測試

實驗的第二測試階段，將兩組校驗方法，分別載入到相同的翻轉(zhuǎn)課堂信息化教學平臺之中，比較不同循環(huán)冗余校驗方法應(yīng)用下，教學平臺對教學信息的分類效果。仿真測試結(jié)果如下圖5所示。

圖5 平臺分類效果對比測試

根據(jù)圖5中的測試結(jié)果可知，實驗組利用Zigbee的校驗方法，將兩類內(nèi)容近似的教學信息完全分離。而對照組同樣利用了循環(huán)冗余校驗方法，但由于缺少Zigbee技術(shù)的輔助，部分A類教學信息與B類教學信息沒能完全分離，導(dǎo)致其分類效果達不到預(yù)期。最終可能影響翻轉(zhuǎn)課堂的信息化教學模式。可見Zigbee技術(shù)對于循環(huán)冗余校驗方法，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)冗余校驗方法的基礎(chǔ)上，融合Zigbee技術(shù)，加強對海量教學信息的精準識別，為平臺分類不同類型的教學資源，提供更加智能化的分類手段。通過實驗得出以下結(jié)論：

1)設(shè)計方法的信號波形的相關(guān)系數(shù)為0.9349，相似系數(shù)更接近1，說明設(shè)計方法的誤差更小，識別準確率高。

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

但此次研究受個人經(jīng)驗影響，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)冗余校驗的工作流程，進一步提高方法的校驗效率，為各項平臺的串口通信數(shù)據(jù)流分類，提供更加完善的技術(shù)支持。