梁郁君

摘要：在各種知識(shí)搶答競(jìng)賽中，通常會(huì)遇到這樣的一個(gè)問題：人工搶答容易犯錯(cuò)造成爭(zhēng)議，輔助的搶答系統(tǒng)使用成本高、配置復(fù)雜、擴(kuò)展性差等。市場(chǎng)急需一種使用成本較低，簡(jiǎn)單易用的搶答系統(tǒng)。該文設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的現(xiàn)場(chǎng)搶答系統(tǒng)基于Android平臺(tái)開發(fā)，利用無(wú)線直連（Wi-Fi Direct）技術(shù)，可以把各種無(wú)線智能設(shè)備接入系統(tǒng)。由于Android的流行和Wi-Fi設(shè)備的普及，系統(tǒng)除了保證搶答的準(zhǔn)確性，易用性和通用性也優(yōu)于各種有線的搶答系統(tǒng)。本系統(tǒng)可以兼容各種主流的Android智能設(shè)備，無(wú)需專門的硬件支持，使用成本比專門的硬件搶答系統(tǒng)更低。

關(guān)鍵詞：搶答系統(tǒng)；Android；無(wú)線直連；Wi-Fi設(shè)備；Wi-Fi P2P

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）10-2253-04

Abstract： There are some usual problems on all kinds of knowledge contest： it's prone to error that determining the order of responder by manual； some Responder Systems are expensive、hard to deploy and extend。It's necessary to find some systems with low cost and easy to use. In this paper， a new Responder System is designed and implemented which based on Android operation system. It can connect all kinds of wireless smart devices with the help of Wi-Fi Direct technology. Duo to the popularity of Android and Wi-Fi the system is easier to be used and deployed than other wired Responder system in addition to ensure the accuracy of the order of responder. The system is compatible with a variety of Android start devices. It's cost less than other Responder System with dedicated hardware.

Key words：Responder System；Android；Wi-Fi Direct；Wi-Fi Devices；Wi-Fi P2P

傳統(tǒng)的搶答競(jìng)賽采用的搶答系統(tǒng)一般采用專用的硬件設(shè)備[1]或者基于網(wǎng)絡(luò)[2]，不同的競(jìng)賽有不同的比賽需求，一般需要專門定制一套搶答系統(tǒng)。不同的搶答系統(tǒng)互不兼容，可重用性不高，需要專門的維護(hù)人員安裝，配置和維護(hù)復(fù)雜，使用成本很高。導(dǎo)致現(xiàn)在很多一般性的比賽參賽者舉手搶答，主持人人工判斷結(jié)果，在競(jìng)爭(zhēng)激烈的環(huán)節(jié)容易造成爭(zhēng)議甚至影響競(jìng)賽的結(jié)果。因此急需一款容易使用、低成本的搶答系統(tǒng)，應(yīng)用到日益增多的各種搶答競(jìng)賽中。

1 技術(shù)介紹

Android系統(tǒng)是目前市場(chǎng)上占有率最大的移動(dòng)操作系統(tǒng)，幾乎所有的Android設(shè)備都配置Wi-Fi模塊。本系統(tǒng)基于Android平臺(tái)開發(fā)[3]，采用Wi-Fi Direct[4]技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的互聯(lián)，能適用于各種Android設(shè)備，提高系統(tǒng)的通用性，降低使用成本和難度。

1.1 Wi-Fi Direct技術(shù)

Wi-Fi（無(wú)線保真）是一種能夠?qū)€(gè)人電腦、移動(dòng)設(shè)備等終端以無(wú)線方式互相連接的技術(shù)，屬于目前無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）的成熟技術(shù)，設(shè)備普及率很高。當(dāng)前移動(dòng)設(shè)備間通信和傳輸一般還是采用各自先加入到同一個(gè)無(wú)線路由器接入點(diǎn)（即AP：Access Point）下的局域網(wǎng)中，獲取相應(yīng)的動(dòng)態(tài)IP 地址，然后兩者之間可像在有線局域網(wǎng)下一樣通信和傳輸數(shù)據(jù)。

Wi-Fi Direct標(biāo)準(zhǔn)在2010年首次由Wi-Fi聯(lián)盟提出，是一種Peer- to-Peer （P2P）技術(shù)[5]。Android 4.0及以上的版本集成了Wi-Fi Direct接口。使用 Wi-Fi Direct，可以將 Wi-Fi 設(shè)備繞開AP進(jìn)行直接連接。讓用戶使用一種更加簡(jiǎn)便的方式來完成設(shè)備間的通信和交互，設(shè)備不需要再接入傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)、受限于Access Point的限制。Wi-Fi Direct 設(shè)備可以使用一對(duì)一方式來連接，也可以采取一對(duì)多的方式連接。經(jīng)過Wi-Fi Direct 連接的設(shè)備，再斷開后可以根據(jù)記憶功能實(shí)現(xiàn)快速的重新連接。使用Wi-Fi Direct連接的雙方只需一方支持Wi-Fi Direct即可實(shí)現(xiàn)無(wú)線互聯(lián)，可以同時(shí)支持基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)和P2P網(wǎng)絡(luò)。另外，至少符合802.11g協(xié)議的設(shè)備才可以通過Wi-Fi Direct CERTIFIED 驗(yàn)證。

在一對(duì)多的連接方式下，其中一臺(tái)Wi-Fi Direct設(shè)備會(huì)作為 “群主”（GO：Group Owner），其他設(shè)備當(dāng)作客戶端設(shè)備（Group Client）?？蛻舳嗽O(shè)備既可以是傳統(tǒng)設(shè)備也可以是支持Wi-Fi Direct的設(shè)備， Group Owner設(shè)備對(duì)于傳統(tǒng)設(shè)備而言就是一個(gè)AP，一對(duì)一可以看作是一對(duì)多的特殊形式。圖1展示了傳統(tǒng)的Wi-Fi連接、一對(duì)一和一對(duì)多的Wi-Fi Direct的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浔容^圖。

1.2 開發(fā)平臺(tái)

系統(tǒng)基于Android 4.0以上的系統(tǒng)，采用Java語(yǔ)言開發(fā)，通信協(xié)議采用TCP/IP協(xié)議。Wi-Fi Direct 設(shè)備采用 WPS（Wi-Fi Protected Setup?）方式保證通信的安全性[6]，同時(shí)也簡(jiǎn)化設(shè)備連接的過程，用戶可以選擇使用 PBC 方式或者 PIN 方式來創(chuàng)建安全的連接。

2 需求分析

系統(tǒng)的用戶包括主持人和參賽者，結(jié)合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，本系統(tǒng)分為管理模塊和客戶端模塊。其中管理模塊提供主持人所需要的所有功能，客戶端提供參賽者所需要的功能。為了簡(jiǎn)化配置，管理模塊和客戶端模塊集成在同一個(gè)Android應(yīng)用中，不同用戶在啟動(dòng)界面選擇不同的功能入口。另外，運(yùn)行管理模塊的Android設(shè)備必須支持Wi-Fi Direct，作為Group Owner管理整個(gè)群組。

2.1 管理模塊

比賽開始前，主持人需要接入一定數(shù)量的參賽者（設(shè)備），每臺(tái)參賽者設(shè)備有唯一的標(biāo)識(shí)符（可以手工輸入或者自動(dòng)生成）。主持人可以根據(jù)實(shí)際情況指定接入?yún)①愓叩臄?shù)量，一般來說系統(tǒng)可以容納的最大數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際所需要的數(shù)量。

2.2 客戶端模塊

客戶端使用者為參賽者，人工搶答的一般流程為：1. 主持人宣布搶答開始； 2. 舉手應(yīng)答；3. 主持人決定第一個(gè)搶答人；4. 回答并評(píng)定。把流程轉(zhuǎn)到搶答系統(tǒng)后，可以整理成如下步驟：1. 主持人宣布搶答開始并啟動(dòng)搶答功能；2. 參賽者點(diǎn)擊按鈕進(jìn)行搶答；3. 系統(tǒng)把搶答的順序公布顯示出來。主持人和參賽者需要的功能用例圖如圖2所示：

3 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)基本工作流程如下：

1）主持人啟動(dòng)管理模塊，啟動(dòng)Wi-Fi Direct發(fā)現(xiàn)服務(wù)，建立群組

2）參賽者啟動(dòng)搶答模塊，加入（1）所建立的群組，直到所有參賽者接入完畢

3）主持人向參賽者設(shè)備發(fā)出指令，啟動(dòng)搶答功能

4）參賽者點(diǎn)擊按鈕，向管理模塊發(fā)送搶答請(qǐng)求

5）系統(tǒng)接收到搶答請(qǐng)求后，確定當(dāng)前請(qǐng)求的順序，并發(fā)回給參賽者，同時(shí)把所有順序顯示在管理界面

搶答系統(tǒng)分為管理模塊（主持人端）和搶答模塊（參賽者端），整體系統(tǒng)部署拓?fù)鋱D如圖3所示：

3.1 系統(tǒng)初始化/用戶接入

系統(tǒng)采用Wi-Fi Direct的一對(duì)多模型，主持人作為Group Owner，其他所有參賽者作為客戶端。系統(tǒng)初始化的任務(wù)是把所有用戶都接入進(jìn)來，主要分為兩大步驟：參賽者設(shè)備（Group Client）發(fā)現(xiàn)并連接到Group Owner； Group Owner和參賽者進(jìn)行握手操作，完成系統(tǒng)初始化。發(fā)現(xiàn)并連接的流程如下[7]：（1）掃描周圍的Wi-Fi Direct設(shè)備，找到Group Owner；（2）發(fā)送P2P邀請(qǐng)，協(xié)商連接模式；設(shè)備建立連接。

Group Client和Group Owner建立連接后， 接著進(jìn)行握手操作：（1）Group Owner啟動(dòng)Socket服務(wù)器，監(jiān)聽特定端口；（2）Group Client連接到Socket服務(wù)器并發(fā)送加入請(qǐng)求；（3）Group Owner根據(jù)請(qǐng)求，為Group Client分配標(biāo)識(shí)符（ID），并發(fā)送給客戶端；（4）Group Client接收ID并保存，進(jìn)入就緒狀態(tài)。

3.2 搶答環(huán)節(jié)

當(dāng)參賽者準(zhǔn)備就緒，主持人可以啟動(dòng)搶答功能。該功能實(shí)現(xiàn)思路為：管理模塊通過TCP連接向所有參賽者客戶端發(fā)送特定的加密指令；客戶端接收到指令后解密并確認(rèn)無(wú)誤后，將搶答按鈕轉(zhuǎn)為激活狀態(tài)；參賽者搶答的時(shí)候只需要點(diǎn)擊按鈕，客戶端向管理模塊發(fā)送搶答請(qǐng)求；管理模塊接收到客戶端的搶答請(qǐng)求后，同步顯示到屏幕，并把當(dāng)前順序發(fā)送給所有客戶端?？蛻舳嗽趽尨痖_始后，可以多次點(diǎn)擊搶答按鈕，管理模塊只會(huì)保留最早發(fā)送過來的請(qǐng)求結(jié)果，后續(xù)的同一客戶端同一次搶答的請(qǐng)求將會(huì)被忽略。當(dāng)一次請(qǐng)求完畢后，主持人應(yīng)該將搶答復(fù)位，所有客戶端接收到指令后恢復(fù)初始狀態(tài)。一次完整的搶答時(shí)序圖如圖5所示。

3.3 通信協(xié)議

系統(tǒng)通信底層基于TCP/IP協(xié)議，為了簡(jiǎn)化操作，應(yīng)用層的消息格式采用簡(jiǎn)單的JSON格式，具體定義為：{“type”：“消息類型”，”from”：”客戶端/管理模塊”，”id”：”客戶端標(biāo)識(shí)符”，”data”：”其他數(shù)據(jù)”}。表1是具體的消息類型：

4 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果和分析

實(shí)驗(yàn)在2臺(tái)Android 4.0.3，一臺(tái)Android 4.4的手機(jī)上進(jìn)行測(cè)試，4.4版本的手機(jī)充當(dāng)Group Owner，另外兩臺(tái)手機(jī)作為客戶端接入，測(cè)試距離在10米以上，比藍(lán)牙的傳輸距離更大[8]。測(cè)試項(xiàng)目包括功能和性能。實(shí)驗(yàn)中3臺(tái)手機(jī)接入后通信正常，圖6是參賽者和主持人端的情況截圖。性能方面，通信指令的時(shí)間延時(shí)在50毫秒以內(nèi)，人工感覺不到延遲的現(xiàn)象，沒有出現(xiàn)信息丟失的現(xiàn)象。另外在測(cè)試中需要保持手機(jī)屏幕常亮，搶答功能才能正常使用。

5 總結(jié)

Wi-Fi Direct標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)不久，很多配套的標(biāo)準(zhǔn)和服務(wù)不完善，目前的大部分應(yīng)用限于短距離分享文件，應(yīng)用普及程度落后于其競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手藍(lán)牙[9]。本系統(tǒng)利用Wi-Fi Direct構(gòu)建一個(gè)簡(jiǎn)單且易用的現(xiàn)場(chǎng)搶答系統(tǒng)，和傳統(tǒng)的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)相比，可以避免AP的限制；和傳統(tǒng)的基于電子電路的搶答器相比，無(wú)論是配置管理還是成本上有有著相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)完全能滿足各種現(xiàn)場(chǎng)搶答活動(dòng)的需求，在傳輸?shù)木嚯x和速率上比藍(lán)牙更有優(yōu)勢(shì)。另外， 隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，智能手機(jī)的進(jìn)一步普及，各種現(xiàn)場(chǎng)搶答競(jìng)賽的開展，本系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)會(huì)進(jìn)一步體現(xiàn)。

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