基于短信的移动教育系统结构研究与实现.doc

1、基于短信的移动教育系统结构研究与实现 Study and Implementation of SMS-based Mobile Education Architecture 崔光佐 陈 虎 郝永胜 孙辨华 李树芳 北京大学现代教育技术中心 Tel： 8610-62761149 E-mail： 本文通过将移动因特网和现代教育相结合，深入研究了移动教育的可行性，并根据目前广泛使用的短 信服务讨论了该技术在移动教育中的应用 。 本文根据短信通信和教育活动研究并设计了基于短信中心及单机串口通信的短信移动教育系统结构，并利用 Konia5110 手机在WINDOWS2000 和 SQL SERVER7

2、。 0 平台上实现了基于单机串口的移动教育系统 (SM2ES)。大量的实验结果表明，基于短信的移动教育系统 SM2ES 是可行的，移动教育可大大改进教育的方式，具有广阔的发展前景 。 关键词： 移动因特网 短信服务 移动教育 1 引言 教育是人类社会发展过程中的永恒主题 ， 扩大规模、提高质量和加快速度是发展教育的根本任 务；多出人才，出好人才和快出人才始终是教育的主要目标 。 教育的发展与技术的进步息息相关，社会的每一次技术革新都曾不同程度地支持和促进了教育的发展。例如 ， 纸张、印刷术导致了记录并传播文化的书本出现 ； 广播电视技术导致了远距离教学 ； 录音录像技术使教育的方式更加灵活 ；

3、 计算机技术带来了教育教学信息的数字化 ； 多媒体技术使得抽象的概念更直观形象生动 ； 网络技术提供了更方便的远程交互和信息共享能力 ， 产生了网络教育。网络教育大大改进了人们从事教育活动的方式 ， 其教育规模和教育质量是以前的远程教育所无法比拟的 ， 因此已经成为国际上各大 学教育改革的重要措施 ， 纷纷建立网上虚拟大学 ， 中国政府已经批准建立了近 70 所网络教育学院进行现代远程教育试点 。 目前的网络教育主要是基于先进的因特网和多媒体技术 ， 试图实现任何人、任何时间、任何地点、任何方式的理想教育模式 。 但因特网是有线连接 ， 网络环境建立代价高 ， 扩充新的节点也不很方便 ,尤其是

4、在偏远山区难度更大 。 目前知识爆炸 ， 教育的内容日新月异 ， 终身教育已成为现代社会的需要 ， 传统课堂之外的学生人数大大增加 ， 这些人没有固定的学习地点和时间 ， 甚至工作场所也不固定（例如销售人员） 。 另外 ， 对于在校生来说 ， 其放假或者外出 也希望随时取得与学校的联系 ， 这些是利用有线连接的因特网无法实现的 。 即便目前即将采用的 IPV6协议 1， 也只能增加 IP地址的移动性 ， 不能实现移动过程中连接 。 移动通信 23是近来发展最快的通信技术 ， 其普及推广的速度惊人 。 该技术与因特网结合而产生的移动因特网技术 (mobile internet)将给人以全新的交互

5、和资源共享环境 ， 尤其是与 IPV6 协议结合后 ， 其移动连接更方便更灵活 。 这无疑给教育又一次提供了有力的改进手段 ， 很多单位已经在进行有益的探索 ， 这种基于移动因特网技术的教育革新技术被称为移动教育（ MOBILE EDUCATION） 6。 移动教育作为一种可以广泛使用的教学手段目前在国内外还不多见 。 随着无线移动设备费用的降低 ， 其普及率在迅速增加 ， 尤其在中国更是如此 。 而且 ， 移动通信和计算机技术的发展给移动设备的通信带宽和计算能力提供了广阔的发展空间 。 在这样的背景下 ， 通过将移动互连通信与教育相结合 ， 充分运用现代科技发展的新成果 ， 移动教育将发挥积

6、极的作用 。 Berkeley 在 2000 年针对一些中学生做了使用手机的教育实验 45简单讨论了在虚拟大学中的移动应用 ,而北京大学则对移动教育进行了较为系统的研究 67， 并得到了政府和企业的积极支持 。 移动教育 (Mobile Education)是指依托目前比较成熟的无线移动网络、国际互连网 1以及多媒体技术 ，学生和教师通过使用移动设备 (如手机等 )来更为方便灵活地实现交互式教学活动 ， 其基本构架参考文献 6。移动教育系统主要由四部分组成 67： 国际因特网、移动教育网、移动台和教学服务器 。 由于技术和价格的原因 ， 移动教育的功能还不能充分体现 ， 有些功能将随着移动通信

7、技术的发展而逐步实现 。 目前移动网的运营商基本建成了 2.5G 的移动网 ， CDMA 和 GPRS 移动设备正在 广为销售 ， 但其设备费用和使用费用较高 ， 很难为教育界所接受 。 本文将基于移动通信中使用广泛的短信技术 ， 深入研究其在教育中的应用 ， 设计适合教育的实用的应用系统 。 本文的安排如下： 第二部分简单介绍移动因特网和短信服务； 第三部分研究并设计基于短信的移动教育系统； 第四部分详细描述基于诺基亚 5110 手机的单机系统实现； 第五部分给出实验结果和结论 。 2 移动因特网和短信通信服务简介 移动教育的目的是利用移动设备和移动通信网方便地访问因特网上的教育资源 689

8、， 并实现方便灵活的交互功能 ， 其中资源访问的形式 是受移动设备与移动通信网之间以及移动通信网与因特网之间的通信协议制约的 。 目前移动通信协议主要有两种形式：一种是面向短信的 ， 另一种是面向连接的 (实现实时通信 )。 本节主要介绍有关的移动因特网和短信服务 。 2.1 移动因特网简介 移动因特网是将有线因特网、移动通信网 (无线连接 ， 包括 GSM、 AD HOC 等无线网络 )集成在一起的网络 ， 如图 1 所示 10。 图 1 移动通信网基本结构 从图 1 可知 ， 移动因特网主要包括三个部分 ： 有线因特网、无线连接和灵便终端 。 有线因特网指INTERNET， 无线连接是指由

9、无线模块组成的网络 (包括集中式和非集中式控制的无线网络 )， 灵便终端指具有终端处理能力的便于携带的终端设备 ， 包括手机、 PDA 以及具有无线模块的便携式电脑等 。 在这样的网络中 ， 用户利用灵便终端通过无线连接和协议服务器 ， 就可以方便地与有线因特网交互信息 ， 形成统一的因特网 ， 称为移动因特网 。 与有线因特网相比 ， 移动因特网的一个重要优点是客户使用终端通过空中接口与有线网相连 ， 这样就可弥补有线互连不能移动的缺点 (设备移动时必须断开 )。 因此 ， 该种网络可实现移动中交互 ， 实时连接 ， 为移动教育提供了广阔的发展空 间 。 2.2 短信通信服务 （ 1）短信中

10、心服务 GSM(Global System for Mobile Communication)网络除了提供话音服务外 ， 还提供面向字符的短信服务(SMS， Short Message Service)。 SMS 占用信道的时间短、费用小 ， 可使得两个 GSM 用户方便地进行点对点通信 。 由于因特网开发的时间较长 ， 而且已经具有大量的支持软件 ， 并形成了丰富的资源 ， 因此目前众多的短信服务厂商几乎都与国际因特网相结合而形成统一的短信服务中心 。 图 2 是中国移动通信集团短信网络的结构 ， 其中的简 写短语意义如下： SMPP： Short Message Peer to Peer，

11、 短信点对点协议 。 CMPP： China Mobile Peer to Peer， 中国移动点对点协议 。 ISMG： Internet Short Message Gateway， 因特网短信网关 。 （ 2）基于串行口的单机短信通信 GSM/GPRS/CDMA 是目前商业化的移动通信网络 ， 属于 2.5G 通信产品 ， 都提供标准的短信服务 。 但由于其短信中心服务只授权给运营商 ， 科研单位要想开展基于短信的应用研究 ， 目前只能通过移动设备提供的与 PC 串行通信口来实现 。 其结构和原理如图 3 所示 。 图 3 基于串行口的短信通信 通过短信可在用户间实现有限字符的通信 ，

12、也可实现用户与因特网服务器之间的有限字符传送 。 利用这一特点可实现用户通过无线移动网络与因特网之间的通信 ， 进而实现对教育服务器的访问 ， 并完成一定的教学活动 。 具体功能如下 ： 1 学校对教师的教学活动通知； 2 教师对学生的教学活动通知； 3 学生对教师提出问题； 4 教师对学生的问题浏览以及答疑； 5 学生对考试分数的查询。 总之 ， 通过短信可实现学生和学生之间、学生和教 师之间、学生和教学服务器之间以及教师和服务器之间的字符通信 ， 这样的教学活动不再受时间、地点和场所的限制 ， 真正做到“ everywhere， everytime”学习 。 但是 ， 要想更好地实现移动教

13、育 ， 还需要解决以下问题： 1 需要对教学服务器的软件系统增加移动接口； 2 需要专门设计并编写面向短信的服务软件； 3 需要手机方提供教学服务系统的操作菜单 。 前两者是属于服务器端的软件 ， 用户可以修改完成 ； 但对于来说 ， 涉及到手机系统的软件 ， 需要具备扩展应用程序功能的无线设备 ， 如摩托罗拉的 6288、诺基亚的 9210 等高档移 动台设备 。 对于目前通常的手机来说 ， 短信是标准的应用支持 ， 其价格最适合于教育 。 可行的基于短信的移动教育方案是教育系统自行规定一组操作 ， 用户可利用短信将操作命令发给教学服务器 ， 教学服务器再根据收到的命令执行相应的操作 。 短

14、讯 中心 防火墙 SMPP TCP/X.25 短讯 中心 防火墙 SMPP TCP/X.25 ISMG 维护管理中心 ICP WWW Server ICP WWW Server CMPP TCP/IP CMPP TCP/IP CMPP CMPP SMPP SMPP TCP/IP 图 2 中国移动通信短信服务网络 3 基于短信的移动教育系统 (SM2ES)设计 图 4 基于短信的移动教育系统结构 3.1 硬件结构设计 基于短信的移动教育服务系统 (以下简称 SM2ES)结构如图 4。 由图可知 ， SM2ES 由四部分组成 ： 国际因特网、短信通信 (移动通信 )、教学服务器和 移动台 (手机等

15、 )。 （ 1）移动教育网 ： 该网络是整个移动网络的一部分 ， 由多个基站组成 ， 用来发射或接收来自移动台以及因特网的信息 ， 并通过空中接口将移动台与因特网实现无缝连接 。 （ 2）国际因特网 ： 该网络即我们通常说的 Internet， 是教育资源的有效载体 。 目前因特网技术已经非常成熟 ， 与因特网连接的客户可方便地进行信息交换 ， 并可访问因特网上的丰富资源 。 （ 3）教学服务器 ： 该服务器与因特网相连 ， 存放丰富的教学资源以及相应的服务程序 。 （ 4）移动台 ： 移动设备 ， 如手机等 。 目前一般指 2 代或 2.5 代手机 ， 即由通信硬件与 SIM 卡组成 。通信

16、硬件完成信号的接收以及协议识别 ， SIM 卡保存用户的标志 。 对于该类设备来说 ， 其内置的操作系统基本上是封闭的 ， 很少具有扩充软件的功能 。 另外 ， 许多公司正在推出具有 PDA 功能的高档手机 ， 该设备集成了通常手机和 PDA 的功能 ， 其 PDA 部分具有一定的开放性 ， 可在一定程度上扩充软件 。 从移动教育系统 SM2ES 的构成来看 ， 其国际因特网和教学服务器是教育资源的主要载体 ； 而移动台和移动教育网则是连接用户和互连网的主要媒介 ， 正是这种媒介才使得移动教育系统独具魅力 ,提供了支持移动连接的空中接口 。 同时 ， 随着移动通信技术的迅 速发展 ， 移动教育

17、系统将给使用者提供更方便的服务 。 目前国际上不少移动厂商正在研发并推出第三代移动通信协议 ， 诺基亚、爱立信等都在试图推出第三代通信产品 。 一般认为到 2005 年左右 ， 第三代通信产品将趋于成熟 。 此时 ， 移动通信的速度将大大增强 ， 我们使用手机就可以浏览 Web 网页 ， 此时的移动教育系统也会提升到新的水平 。 3.2 软件结构设计 系统执行过程 ： SM2ES 的运行过程如图 5 所示。 internet 涉及的软件模块 ： （ 1）串行口通信 API 该模块主要完成计算机和移动台之间 的串行通信 ， 所有的移动台都应该配备该接口 ， 而且提供标准的API。 目前比较常用的

18、是诺基亚的 5110 和 6110 等系列 。 计算机端通过调用该模块就可以模拟移动台的操作 ， 实现发送、接收短信等移动台操作 。 （ 2） SM2ES 命令集 该命令集提供了用户利用短信使用 EM2ES 系统、共享教学服务器资源的接口 ， 用户通过在短信头上加载不同的命令就可以实现不同的系统功能 。 使用 SM2ES 系统的短信格式如图 6 所示 。 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 . . . . . . 159 图 6 SM2ES系统中短信的格式 SM2ES 系统中 ， 用户和系统中使用的短信前六个字符是命令字 ， 用于用户和系统之间的操作请求 ，其余部分属于命

19、令参数 ， 提供接受命令方所需要的数据 。 （ 3） EM2ES 功能模块 该部分是移动教育系统的功能实现 。 它接受用户的命令 ， 执行用户命令所指示的操作 ， 并将操作的结果通过短信或其他传送方式 (目前移动运营商正在开发支持更长信息的通信服务 ， 如图像短信、文件传输等 )发送给用户 。 其功能实现依赖于不同的设计 ， 不同的系统要求具有的功能也各不相同 。 本论文的 EM2ES系统提供了服务器与移动设备、网上模块 与移动设备间的接口 ， 系统具备扩充性 ， 系统设计人员可根据需要方便地增加新的模块 (扩展命令字和系统功能模块 )。 目前本系统只开发了面向短信的功能模块 ， 功能如下 ：

20、 移动教务系统 ： 利用短信实现教学教务管理工作； 移动答疑系统 ： 利用短信完成答疑的功能； 移动资源浏览 ： 用户利用短信浏览系统的资源； 移动新闻系统 ： 通过短信实现新闻系统的功能； 移动网上 BBS 系统 ： 利用短信实现简单的 BBS 操作 。 命 令字 命令参数 系统启动 装入串口通信 API 启动 SM2ES 系统 有短信收到么？ 是访问 SM2ES 系统么？ 查询短信队列 根据命令执行相应的系统操作 给用户返回命令集 N Y N Y 图 5 SM2ES的运行流程 4 基于诺基亚 5110 的 SM2ES 单机系统实现 由于短信运营权申请只面向商业单位 ， 为了方便研究 ， 我

21、们利用诺基亚手机 5110 和 PC实现了以上描述的基于单机串行口的 SM2ES 系统 。 由于篇幅的原因 ， 本文只描述移动答疑和移动新闻系统的实现 ， 其他的模块与之类似 ， 详细资料可参照 SN2ES 系统使用手册 11。 移动答疑系统的详细功能如下 ： （ 1）学生通过手机向教师提问题； （ 2）问题答案在库中时自动回答； （ 3）学生浏览问题库； （ 4）学生查询问题库； （ 5）提出问题时自动提供给教师； （ 6）教师直接回答学生； （ 7）教师答案保存于库中 。 实现时采用的软件平台如下 ： 操作系统为 Windows2000， 数据库平台为 SQL Server7.0， 编程语

22、言 Virtual Basic， 主要的功能模块如图 7 所示 。 提 取 短 信 中 有 用 的 事 件 ， 如 ：发 送 用 户 ， 发 给 的 用 户 ， 是 哪类 命 令 ， 短 信 内 容 等 。查 看 该 手 机 用 户 有 没 有 在 用 户表 中 ， 如 果 没 有 就 插 入 用 户表 ， 分 析 是 哪 类 命 令 。将 短 信 插入 数 据 库表q u e s t i o n中 ， 自 动回 复 给 手机 用 户 ，问 题 已 经收 到将 短 信插 入I n f o r ma t i o n中 ， 给用 户 确认 信息 ， 通知 已 经收 到检 索 出 用户 所 需 信息

23、 ， 发 给用 户 ， 调用a u t o s e n d模 块 中 的函 数将 短 信 插入a n s w e r中 ， 设 置问 题 库 总中 相 应 问题 的 答 案编 号 ， 并通 知 提 问人 答把 通 知 存入in fo rm a tio n中 ， 区 分是 群 发 还是 发 给 某个 用 户 ，检 索 出 用户 手 机 号码 ， 并 发送 通 知加 入 表项c o m m on 中 ，发 用 户手 册 给用 户没有任何格式群发或者单发回答问题添加通知提问检索通知或者问题图 7 移动答疑系统的内部实现 移动新闻系统与移动答疑系统的实现过程类似 ， 在功能上也具有类似的模块 ， 如资

24、源浏览等 。 移动新闻系统的基本功能如下 ： （ 1） 用户浏览新闻； （ 2） 用户添加新闻； （ 3） 用户订阅新闻 。 其中用户添加新闻一项功能极大方便了新闻的搜集工作 ， 任何系统人员、在任何地点、任何时候都可以利用便携移动设备通过短信给新闻系统添加新闻条目 。 把通知存入informati-onk 中，区分是群发还是发给某个用户，检索出用户手机号码，并发送通知 加入表项com mon中，发用户手册给用户 检索通知或者问题5 结论 我们利用 EM 2ES 系统对北大的部分学生和教师进行了实验 。 实验中 ， 我们直接利用手机提供的串行口协议实现了大部分的短信操作 ， 并实现了上述移动教

25、育的关键例程 。 由于该实验是基于单机的 ， 发射接收短信都是通过单台手机实现的 ， 当用户数小于 100时 ， 其速度影响不大 ， 但当用户数增多时 ， 其收发短信的速度很快下降 。 对此 ， 北京大学现代教育中心与有关移动运营商正在合作研究开发基于单机串口的大容量短信系统 ， 以解决该瓶颈问题 。 移动教育是移动通信、网络技术与现代教育有机结合的产物 ， 也是现代教育技术的前沿成果 ， 其应用和推广必将推动教育技术学的发展并不 断丰富其内容 。 通过研究和实验 ， 我们认为移动教育在当前的技术条件下是可行的 ， 利用手机可完成许多教学活动 ， 其操作不受时间、空间和地域的限制 ， 其应用前

26、景非常广阔 。 本课题下一步的目标是利用移动因特网 ， 通过 GPRS 协议使移动设备能够浏览教育服务器的信息 ， 拓宽应用的范围 ， 大大方便移动用户 ， 使移动用户无论何时何地都可以浏览自己感兴趣的内容 。 我们相信 ，随着新一代移动通信的发展 ， 移动教育会越来越实用 ， 越来越广泛 ， 越来越受欢迎 。 参考文献 1 Wolfgang Fritsche, etc.Mobile IPV6： Mobility Support for the Next Generation Internet. IABG, White Paper, 2000.8. 2 M. Rahnema, “Overvie

27、w of the GSM System and Protocol Architecture,“ IEEE Communications Magazine , (April 1993), pp. 92-100. 3 Ingo Elsen， Frank Hartung.Streaming Technology in 3G Mobile Communication Systems. September 2001 (Vol. 34， No. 9). pp. 46-52. 4 http： /bmrc.berkeley.edu/courseware/cs198/spring00/t2/index.html

28、 5 Shirabe Ogino and Masao Sakauchi.Mobile Applications on Virtual University. AIWORC00 .pp243-248. 6 崔光佐 , 李树芳等 . 移动教育 现代教育技术的一个新方向 . 现代教育技术研究与应用 (E-learning 的理论与实践 ). 西南师范大学出版社 . 2001.12. 7 崔光佐 . 移动教育 现代教育技术的一个新方向 . 中国移动教育工作会议报告 . 2002.2. 8 Subbasis Saba, Mark Jamtgaard. Bringing the Wireless Inte

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30、4n/, Stanford 课程 , Mobile and Wireless Networks and Applications，Spring 2001. 11 SN2ES 移动教育系统使用手册 . 北京大学现代教育技术中心 . 2001.12 The applications on Mobile Education (ME)， combining Mobile Internet with Modern Education，are deeply studied in this paper. Short Message Service (SMS)， which is utilized widel

31、y， is also studied and applied in ME applications. Based on SMS and education activities， the author studied and developed a SMS-based Mobile Education System in terms of SMS Center or serial Port communication. With Nokia 5110 and serial communication， SM2ES are also implemented on Windows2000 and SQL Server7.0 platforms. A lot of experiments indicate that SM2ES is acceptable and feasible， Mobile Education can improve education activity in a great degree and will possess a good foreground. Key words： Mobile Internet Short Message Service Mobile Education