文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A
DOI: 10.19358/j.issn.2096-5133.2018.08.021
中文引用格式:陳科,,蘇魯陽,,楊筆鋒.基于ZigBee的教學(xué)應(yīng)答系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)[J].信息技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)安全,2018,37(8):91-95.
基于ZigBee的教學(xué)應(yīng)答系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
摘要:隨著我國高校教育的不斷普及,,大學(xué)生數(shù)量雖然激增,,但是課堂學(xué)習(xí)氛圍淡薄,甚至有逃課情況,。這些現(xiàn)象嚴(yán)重影響著高校教師的教學(xué)計(jì)劃以及對學(xué)生素質(zhì)的培養(yǎng),。基于ZigBee 平臺,,設(shè)計(jì)了一套師生課堂應(yīng)答系統(tǒng),,并重點(diǎn)闡述其軟件設(shè)計(jì)。采用指紋識別替代傳統(tǒng)的簽到流程,,加入副協(xié)調(diào)器以解決主協(xié)調(diào)器異常情況,,利用Z-stack協(xié)議棧解決不同教室間誤組網(wǎng)問題,并讓學(xué)生能換一種方式對教學(xué)計(jì)劃進(jìn)行反饋,。學(xué)生可利用硬件模塊上的液晶屏和按鍵無線傳遞問題答題或表決信息,,這使得師生間的交互變得更加方便與靈活。
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Abstract:
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0 引言
近些年,對于不少在校大學(xué)生而言,,度過了高考大關(guān),,似乎已經(jīng)厭倦了課堂學(xué)習(xí)和思考問題。即使是一名優(yōu)秀的高校教師也難以徹底擺脫課堂的沉悶氣氛,。如何讓更多人參與到知識探索中成為當(dāng)前高校教育面臨的一個(gè)問題,。教師的教學(xué)水平對課堂固然有一定影響,但是恰當(dāng)?shù)亩嗝襟w支持能讓課堂更具有活力,。
本文基于ZigBee以及Z-stack協(xié)議棧對協(xié)調(diào)器,、終端節(jié)點(diǎn)、路由器進(jìn)行了程序設(shè)計(jì),,設(shè)計(jì)了一套應(yīng)答系統(tǒng),。將整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器作為教師端模塊,用于建立網(wǎng)絡(luò),、引導(dǎo)其他模塊加入網(wǎng)絡(luò)以及管理學(xué)生端,,并通過串口與上位機(jī)進(jìn)行交互操作;將ZigBee網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點(diǎn)作為學(xué)生端,,無線發(fā)送來自學(xué)生的輸入信息,,無線接收來自教師端的信息;將ZigBee網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)路由器分別作為指紋識別模塊以及副協(xié)調(diào)器,,前者傳輸指紋信息,,后者接收來自主協(xié)調(diào)器的狀態(tài)信息,,當(dāng)主協(xié)調(diào)器異常時(shí),副協(xié)調(diào)器將對其進(jìn)行替換,,保證系統(tǒng)穩(wěn)定,。上位機(jī)同步來自服務(wù)器的課程信息,對各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行組網(wǎng)配置,,避免教室之間的錯(cuò)誤入網(wǎng)現(xiàn)象,。
1 系統(tǒng)整體流程
系統(tǒng)整體流程如圖1所示,每間教室都有一個(gè)主協(xié)調(diào)器用于搭建網(wǎng)絡(luò)并與上位機(jī)進(jìn)行通信,,備份協(xié)調(diào)器用于異常處理[1],。當(dāng)一堂課快要開始時(shí),教師登錄上位機(jī)軟件,,學(xué)生進(jìn)入教室,,并通過指紋模塊進(jìn)行簽到。在學(xué)生簽到后,,指紋ID信息通過無線發(fā)送給協(xié)調(diào)器,。協(xié)調(diào)器接收到指紋ID后,通過串口反饋給上位機(jī)[2],。上位機(jī)軟件會顯示學(xué)生的實(shí)時(shí)簽到信息,。
簽到完成后,學(xué)生用學(xué)生端模塊,,在確保成功連入ZigBee網(wǎng)絡(luò)的情況下,,用學(xué)號進(jìn)行登錄。上位機(jī)對登錄信息進(jìn)行識別,,若發(fā)現(xiàn)輸入有誤或者這堂課上沒有該生信息,,立即反饋給學(xué)生端錯(cuò)誤信息,并不予登錄,;反之,,學(xué)生端模塊將進(jìn)入答題界面,準(zhǔn)備答題或是表決,。
當(dāng)課程結(jié)束時(shí),,上位機(jī)軟件下達(dá)下課指令,所有終端節(jié)點(diǎn)切換自身的個(gè)域網(wǎng)地址并重啟,,為下一堂課做好準(zhǔn)備,。
2 Z-stack協(xié)議棧流程
TI的Z-Stack協(xié)議棧從總體上來看主要由三部分組成:硬件抽象層(Hardware Abstraction Layer,HAL),、操作系統(tǒng)抽象層(Operating System Abstraction Layer,,OSAL)和ZigBee協(xié)議各層。
在整個(gè)Z-Stack系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),主函數(shù)主要完成兩個(gè)任務(wù),。其一,,整個(gè)系統(tǒng)的初始化,其中涉及HAL中各個(gè)硬件模塊的初始化,;其二,系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置和任務(wù)優(yōu)先級的劃分,。
圖2所示為系統(tǒng)啟動(dòng)流程,,首先屏蔽所有中斷,在經(jīng)歷底板,、IO,、硬件驅(qū)動(dòng)、非易失存儲器等硬件相關(guān)的初始化后,,通過OSAL的初始化函數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)初始化操作,,這包括存儲器、定時(shí)器等,;之后通過任務(wù)初始化函數(shù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置和任務(wù)分級,,并對系統(tǒng)任務(wù)和用戶任務(wù)進(jìn)行初始化操作[3];最后通過OSAL啟動(dòng)函數(shù)進(jìn)入輪詢狀態(tài),,不停地監(jiān)聽任務(wù)事件的觸發(fā),,并跳轉(zhuǎn)至任務(wù)執(zhí)行函數(shù)。所有用戶想觸發(fā)的事件必須要注冊登記,,以此綁定事件與用戶任務(wù),,這樣當(dāng)事件觸發(fā)時(shí),比如按鍵按下時(shí),,系統(tǒng)才能從輪詢中正常跳轉(zhuǎn)至用戶的執(zhí)行函數(shù)[4],。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
整個(gè)系統(tǒng)的軟件部分包括上位機(jī)、協(xié)調(diào)器,、路由器以及各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的程序設(shè)計(jì)[5],。本文主要在ZigBee2007版協(xié)議棧的基礎(chǔ)上對后三者的流程進(jìn)行講解,對其中涉及的液晶屏,、按鍵,、指紋傳感器等模塊只做簡略介紹,并不深究其控制代碼,。
3.1 協(xié)調(diào)器程序設(shè)計(jì)
為了方便管理,,本系統(tǒng)對每一個(gè)設(shè)備設(shè)置了一個(gè)8位ID,協(xié)調(diào)器設(shè)置為0x00[6],。整個(gè)軟件流程如圖3所示,,協(xié)調(diào)器上電后,在完成協(xié)議棧的各項(xiàng)底層初始化操作后,開始組建網(wǎng)絡(luò)[7],。主協(xié)調(diào)器搭建起了整個(gè)網(wǎng)絡(luò),,以2.4 GHz作為此方案的通信頻段,選用16號信道,,引入節(jié)點(diǎn)和路由器,,構(gòu)建樹型網(wǎng)絡(luò)。2.4 GHz頻段下,,在一個(gè)教室內(nèi)部進(jìn)行無線通信,,其通信質(zhì)量是可以得到保證的[8]。
之后,,系統(tǒng)進(jìn)行所需模塊的初始化,,主要有以下3點(diǎn):
(1)完成液晶屏的初始化界面顯示。協(xié)調(diào)器現(xiàn)階段幾乎不會用液晶屏和按鍵,,因此對于協(xié)調(diào)器而言,,液晶屏目前僅僅為其顯示連接狀態(tài),按鍵也僅僅留出硬件接口,,以便后續(xù)功能補(bǔ)充,。
(2)進(jìn)行端點(diǎn)描述、地址類型結(jié)構(gòu)體的參數(shù)配置,。對于端點(diǎn),,一個(gè)設(shè)備上可以擁有多個(gè)端點(diǎn),它的作用主要是將不同的無線任務(wù)進(jìn)行分類,。當(dāng)某個(gè)設(shè)備在接收數(shù)據(jù)包時(shí),,首先匹配短地址,成功后再由底層解析并分發(fā)給對應(yīng)端點(diǎn),,如端點(diǎn)不匹配則直接丟棄,。在本項(xiàng)目中,所有設(shè)備的端點(diǎn)號都設(shè)為8,。
而地址類型結(jié)構(gòu)體,,即afAddrType_t,是對端點(diǎn),、目的地址,、發(fā)送模式、個(gè)域網(wǎng)地址的一種包裝,。在配置好這樣一個(gè)結(jié)構(gòu)體之后,,用戶在使用無線傳輸函數(shù)進(jìn)行無線數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí),可以很方便地調(diào)用,。為了讓整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的無線傳輸數(shù)據(jù)分類更加清楚,,本項(xiàng)目定義了三個(gè)這樣的結(jié)構(gòu)體,,對應(yīng)三種傳輸情況,協(xié)調(diào)器用到了兩種:廣播(教師端向所有學(xué)生端發(fā)送信息,,便于題目的下達(dá))和單播(教師端向單個(gè)學(xué)生端發(fā)消息,,便于單獨(dú)抽問)。
(3)進(jìn)行串口的初始化與注冊,。對于串口,,本項(xiàng)目利用協(xié)議棧中的調(diào)試層,對串口進(jìn)行簡單快捷的處理,。因?yàn)檎{(diào)試層中有許多調(diào)試接口能與各層進(jìn)行直接通信,,利用串口,聯(lián)系上位機(jī)與用戶任務(wù)顯得更加方便,。
在完成初始化之后,系統(tǒng)將進(jìn)行輪詢狀態(tài),。但本項(xiàng)目中加入了定時(shí)觸發(fā)事件,,主協(xié)調(diào)器將對副協(xié)調(diào)器定時(shí)每10 s發(fā)送一次狀態(tài)信息,當(dāng)副協(xié)調(diào)器連續(xù)3次未收到數(shù)據(jù)時(shí),,系統(tǒng)將認(rèn)為主協(xié)調(diào)器工作狀態(tài)異常,,副協(xié)調(diào)器將執(zhí)行切換操作。
如果系統(tǒng)收到無線數(shù)據(jù),,也將跳轉(zhuǎn)執(zhí)行函數(shù),,并根據(jù)預(yù)先設(shè)置好的幀標(biāo)志位,判別接收信息的類別,,然后對信息進(jìn)行加工,,并通過串口向上位機(jī)上傳;同理,,如果收到來自上位機(jī)的串口信息,,也將判別指令類型,然后再控制各個(gè)學(xué)生端進(jìn)行操作[9],。
具體而言,,上位機(jī)通過云端同步更新上課信息和指令信息。如圖3所示,,上位機(jī)目前有7種命令格式傳遞給協(xié)調(diào)器,,協(xié)調(diào)器接收3種來自其他節(jié)點(diǎn)的信息。
在提問環(huán)節(jié)中,,上位機(jī)目前支持的操作大致為:允許答題,、禁止答題、單獨(dú)抽問,、隨機(jī)分組,、開啟答題倒計(jì)時(shí),,基本滿足課堂應(yīng)答的所需。
登錄認(rèn)證是為了對學(xué)生端的登錄信息進(jìn)行校對并及時(shí)反饋,。
下課指令不僅為了清除當(dāng)前課堂的殘留數(shù)據(jù),,也更新了學(xué)生端的內(nèi)在組網(wǎng)配置,為下一次連接做準(zhǔn)備,,避免設(shè)備錯(cuò)誤入網(wǎng),。
3.2 節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)
與協(xié)調(diào)器一樣,為了方便管理,,對每一個(gè)終端節(jié)點(diǎn)設(shè)置了一個(gè)8位ID,,從0x01開始命名,最大0xfd,。整個(gè)節(jié)點(diǎn)軟件流程如圖4所示,,節(jié)點(diǎn)上電后,在完成協(xié)議棧的各項(xiàng)底層初始化操作后,,開始根據(jù)當(dāng)前個(gè)域網(wǎng)地址值搜索網(wǎng)絡(luò)并加入,,同時(shí)初始化用戶任務(wù)函數(shù)。之后,,節(jié)點(diǎn)將進(jìn)行重連檢測,。若在之前設(shè)備未登錄,則進(jìn)行正常的登錄操作,,進(jìn)入答題界面答題并準(zhǔn)備執(zhí)行教師端所發(fā)指示,;若在之前設(shè)備異常斷電,則將跳過登錄操作,,并恢復(fù)一些數(shù)據(jù),。
節(jié)點(diǎn)上主要使用的兩個(gè)硬件模塊是液晶屏和矩陣鍵盤。液晶屏采用SPI接口接入?yún)f(xié)議棧,,將一直引導(dǎo)用戶進(jìn)行相應(yīng)的操作,。協(xié)議棧本身針對幾個(gè)獨(dú)立按鍵進(jìn)行了定義,本設(shè)計(jì)用到了其中兩個(gè)獨(dú)立按鍵,,其中一個(gè)作為整個(gè)矩陣鍵盤的掃描啟動(dòng)開關(guān),,學(xué)生在輸入前需要先按下此鍵才能正常輸入;另外一個(gè)則作為手動(dòng)復(fù)位的按鈕,,按下后,,可以清除所有信息,包括Flash中保存的內(nèi)容,。但根據(jù)項(xiàng)目的需求,,硬件上又加入了4×4矩陣鍵盤,占用P1口共8個(gè)端口,,支持16種字符的輸入,,包括:0~9十個(gè)數(shù)字,,A~D四個(gè)字母,*和#兩個(gè)功能按鍵,。
3.2.1 重連檢測
在初始化完成后,,實(shí)際上因節(jié)點(diǎn)設(shè)備入網(wǎng)狀態(tài)的變化(從未組網(wǎng)變?yōu)榻K端節(jié)點(diǎn)),系統(tǒng)將退出輪詢?nèi)ヌ幚韴?zhí)行函數(shù),。系統(tǒng)判定入網(wǎng)設(shè)備的類型,,如果是終端節(jié)點(diǎn),則會進(jìn)行重連檢測,。具體而言,,用接口函數(shù)讀取Flash中的重連標(biāo)志位。
如果其值為1,,則表示該設(shè)備之前已入網(wǎng),,需進(jìn)行界面恢復(fù)。該設(shè)備將恢復(fù)到之前答題界面,,并且讀取Flash,,然后將分組信息、倒計(jì)時(shí)信息也復(fù)原,;如果其值為0,則表示上次是正常斷電,。系統(tǒng)將進(jìn)行正常登錄操作,,等待學(xué)生信息的錄入。
3.2.2 顯示界面
主要設(shè)計(jì)的界面是登錄界面和答題界面,,當(dāng)然還有一些其他反饋界面,。
在登錄界面,本項(xiàng)目需要學(xué)生首先按下矩陣鍵盤的啟動(dòng)按鍵,,再通過矩陣鍵盤輸入自己10位學(xué)號信息,,以*鍵作為退格鍵,#鍵作為確認(rèn)鍵,。發(fā)送后,,等待協(xié)調(diào)器進(jìn)行認(rèn)證反饋。認(rèn)證成功,,則液晶屏顯示“登錄成功”,,進(jìn)入答題頁面;反之,,則液晶屏顯示“登錄失敗”,,重新進(jìn)入登錄頁面。為防止誤發(fā)送,,在軟件后臺進(jìn)行了發(fā)送限制,,當(dāng)輸入位數(shù)少于10位或包含其他字符,,#鍵將失效。
在答題界面,,節(jié)點(diǎn)將向協(xié)調(diào)器發(fā)送答題信息,。但首先需要接收來自協(xié)調(diào)器的答題指令,當(dāng)節(jié)點(diǎn)收到允許答題指令時(shí),,節(jié)點(diǎn)內(nèi)置的答題開關(guān)(一個(gè)布爾型的變量)將開啟,;同理,當(dāng)收到停止答題指令時(shí),,此開關(guān)將關(guān)閉,。用戶需要在這段時(shí)間內(nèi)根據(jù)投影儀或PPT所示的題目,鍵入答案并發(fā)送,。這是節(jié)點(diǎn)最主要也是最基本的輸入界面,,答案長度最大16個(gè)字符。
3.2.3 其他指令的操作
除了允許答題和關(guān)閉答題這兩個(gè)基本操作外,,系統(tǒng)還有其他指令,。
當(dāng)協(xié)調(diào)器收到上位機(jī)的隨機(jī)抽問命令,則會隨機(jī)開啟某一個(gè)節(jié)點(diǎn)答題開關(guān),,讓其答題,。當(dāng)然,這個(gè)過程會有相應(yīng)的蜂鳴器和LED閃爍進(jìn)行提醒,。
隨機(jī)分組指令讓所有在場學(xué)生平均并且隨機(jī)地分成幾個(gè)小組,,小組編號將在節(jié)點(diǎn)的答題界面上進(jìn)行顯示。
開啟倒計(jì)時(shí)是讓答題者在限定時(shí)間內(nèi)答題,,時(shí)間一到,,節(jié)點(diǎn)便會停止作答,倒計(jì)時(shí)也將顯示在節(jié)點(diǎn)的液晶屏上,。倒計(jì)時(shí)功能采用協(xié)議棧的事件定時(shí)觸發(fā)函數(shù)進(jìn)行操作,,時(shí)間參數(shù)為1 000,即1 s觸發(fā)一次,,事件每次觸發(fā)將更新液晶屏上的顯示時(shí)間,,基本實(shí)現(xiàn)了時(shí)間同步。
對于下課指令,,上位機(jī)可以向云端同步信息,,從而得知班級下一個(gè)上課地點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址。這樣上位機(jī)就可以通過協(xié)調(diào)器控制所有節(jié)點(diǎn)軟切換其網(wǎng)絡(luò)配置,,從而達(dá)到切換教室的效果,,避免教室之間可能出現(xiàn)的誤組網(wǎng)問題[10]。
其具體切換流程為:各個(gè)節(jié)點(diǎn)從協(xié)調(diào)器獲取到新的網(wǎng)絡(luò)地址,,然后調(diào)用接口函數(shù)寫入并更新自身的網(wǎng)絡(luò)地址,,再清空重連標(biāo)志位和分組信息,,避免再次鏈接時(shí)出現(xiàn)問題,最后進(jìn)行軟件重啟,。
3.3 路由器軟件設(shè)計(jì)
在本設(shè)計(jì)中,,路由器充當(dāng)兩個(gè)重要模塊,自定義的8位ID分別是0xfe和0xff,。下面分別講解這兩個(gè)模塊,。
3.3.1 副協(xié)調(diào)器軟件流程
副協(xié)調(diào)器要想替換主協(xié)調(diào)器,自動(dòng)組建和維持ZigBee網(wǎng)絡(luò),,并讓之前網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)繼續(xù)工作,,必須復(fù)制網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵參數(shù),這些參數(shù)包括個(gè)域網(wǎng)地址,、信道信息和網(wǎng)絡(luò)鄰居表,。其中個(gè)域網(wǎng)地址和信道信息相對簡單,為了讓網(wǎng)絡(luò)鄰居表也簡單一些,,此項(xiàng)目中副協(xié)調(diào)器將不引導(dǎo)其他節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò),。
由于副協(xié)調(diào)器一開始就和主協(xié)調(diào)器在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中,因此個(gè)域網(wǎng)地址和信道與主協(xié)調(diào)器一樣,,不用處理,。主協(xié)調(diào)器定時(shí)向副協(xié)調(diào)器發(fā)送狀態(tài)信息。實(shí)際上,,這個(gè)信息就是主協(xié)調(diào)器通過系統(tǒng)接口函數(shù)獲取到的鄰居表,,經(jīng)過包裝之后得到的信息幀。副協(xié)調(diào)器將該信息存儲在Flash中,,一旦發(fā)生異常,則將Flash中存儲的設(shè)備間關(guān)系信息通過內(nèi)置函數(shù)進(jìn)行恢復(fù),,用副協(xié)調(diào)器重新啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò),。
如圖5所示,副協(xié)調(diào)器在進(jìn)行一系列初始化后進(jìn)入輪詢,。正常情況下只需要接收狀態(tài)信息,,并且計(jì)算與上一次接收的時(shí)間差。若超過30 s未收到數(shù)據(jù),,則進(jìn)行協(xié)調(diào)器的切換,。
3.3.2 指紋模塊軟件流程
本項(xiàng)目通過串口將指紋傳感器和ZigBee模塊聯(lián)系起來,組成一個(gè)指紋采集模塊[11],。
指紋錄入時(shí),,ZigBee模塊發(fā)送讀取圖像指令,然后傳感器開始讀取檢測到的指紋圖像,,一段延時(shí)之后,,再發(fā)送生成指紋特征指令,,傳感器進(jìn)而將生成指紋特征。二次錄入時(shí),,也將生成一個(gè)指紋特征,。接著ZigBee模塊發(fā)送模板特征比對指令。如果比對成功,,則生成指紋模板,,分配ID并存儲;若失敗則重新錄入,。
檢測指紋時(shí),,與指紋錄入時(shí)一樣。ZigBee模塊同樣需要發(fā)送讀取圖像指令和生成指紋特征指令,,從而獲取指紋特征,。ZigBee模塊發(fā)送搜索指紋圖像指令。若比對成功,,則向協(xié)調(diào)器發(fā)送指紋ID,;若失敗,則重新錄入,。
在上課之前,,ZigBee模塊通過云端同步學(xué)生的指紋信息,并對指紋庫進(jìn)行更新,。所以當(dāng)學(xué)生進(jìn)行簽到時(shí),,只需比對相應(yīng)信息,若比對成功,,將無線發(fā)送特征指令,。
如圖6所示,指紋模塊也需要加入到整個(gè)網(wǎng)絡(luò),,所以也要初始化協(xié)議棧,。之后,模塊等待學(xué)生的指紋錄入,,當(dāng)檢測到指紋圖像時(shí),,向傳感器獲取指紋特征。與庫信息進(jìn)行比對后,,獲得其指紋ID,,無線轉(zhuǎn)發(fā)給協(xié)調(diào)器,等待下一次的指紋簽到,。
4 結(jié)論
本文基于ZigBee設(shè)計(jì)了一套教學(xué)應(yīng)答系統(tǒng),,主要說明了其中ZigBee軟件部分,對其中多個(gè)模塊的運(yùn)作進(jìn)行了分析。目前該系統(tǒng)已有一些基本功能,,能夠基本滿足課堂需求,。在實(shí)際使用中,上位機(jī)與協(xié)調(diào)器的通信無異常,,能夠正常收發(fā)指令,。各個(gè)教室內(nèi)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信順暢,且沒有錯(cuò)誤入網(wǎng)現(xiàn)象,。對于后續(xù)的擴(kuò)展,,可以考慮從手機(jī)入手,讓手機(jī)與云端相連,,從而在課下為學(xué)生提供查漏補(bǔ)缺的機(jī)會,。
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(收稿日期:2018-03-19)
作者簡介:
陳科(1993-),,男,,碩士研究生,主要研究方向:嵌入式單片機(jī),、氣象設(shè)備儀器,。
蘇魯陽(1992-),男,,碩士研究生,,主要研究方向:圖像拼接技術(shù)研究。
楊筆鋒(1980-),,男,,碩士,副教授,,主要研究方向:氣象探測技術(shù)及應(yīng)用,、信號獲取技術(shù)及應(yīng)用。