傳感器實驗與大學生創新項目深度融合的開放性探索

胡章優，翁小輝，劉廣武，左文杰，蘭華

(吉林大學 機械與航空航天工程學院, 長春 130022)

0 引言

傳感器實驗一般由傳感器、數據采集器、配套軟件、電腦等組成，是機械學科與信息技術的深度融合，具有廣泛的應用性[1-4]。在高校教學環節中，傳統的傳感器實驗內容相對單一，大多數學生對實驗的應用性并沒有得到舉一反三式的啟發，一定程度上限制住了學生的創造力與想象力[5-6]。在信息化高度發達的時代，實驗對學生的啟發，不應僅僅依賴實驗出現的物理現象，更應與實際的應用問題緊密相連，促進學生對實驗多學科多維度的思考，達到學以致用的教學效果[7]。因此本文基于應變式傳感器實驗，將其與大學生創新項目有機結合，進行開放性探索，進一步提升了學生的創新意識以及解決實際問題的能力。

1 創新背景

應變式傳感器的工作原理是通過在彈性元件上采用特殊工藝粘貼電阻應變片，將彈性元件的變形轉化為電阻的變化，再通過測量電路，將電阻的變化轉化為電壓或電流信號輸出[8]。這與中醫診斷學中的脈診有異曲同工之妙，脈診主要是利用手指的感覺來分析脈搏的“位、數、形、勢”等特征，借以判斷臟腑的功能狀態，從而實現無創診斷的目的，對疾病的診斷和治療有著積極的意義。但中醫脈診具有一定的主觀性，要準確掌握和運用有著相當的難度。因此，如何提高脈診的客觀性，早日擺脫標準不統一、不易推廣和學習的狀況，已成為了中醫脈診客觀化研究中倍受關注的問題。基于同樣的實驗原理，我們將兩者進行有機結合，帶領學生進行基于大數據的脈象傳感器與脈率分析裝置的創新設計。

2 解決方案

(1) 系統總體結構

整個分析系統的設計主要包括三大部分：硬件設計、軟件設計、數據庫建立。其基本原理為：通過放置于腕部的壓力傳感器獲取脈象的原始信號，并通過濾波電路得到降噪的脈象信號，經模數轉換電路將脈象信號轉換成數字信號，最后通過藍牙模塊發送到智能手機接收端。由智能手機端的應用軟件完成數據接收、數據圖像化顯示和數據發送，利用后端大數據分析系統對脈象進行分析，并建立用戶數據庫進行數據存儲。由此建立了脈象傳感器—智能手機—服務器三位一體的脈象采集與分析系統，系統總體結構框圖如圖1所示。脈象傳感器的實物圖形如圖2所示。

圖1 系統總體結構框圖

(2) 硬件設計

硬件設計中最主要的部分是電路設計。學生在老師的指導下進行電路學習，重點掌握單片機的相關基礎知識和使用方法，完成電路圖的草圖繪制。經過多次修訂，在指導老師的輔助下出圖，從而完成電路部分的搭建。

圖2 脈象傳感器實物圖形

電路主要由若干放大倍數固定的運算放大電路、濾波電路、單片機、電源轉換器、電源電平轉換芯片、通信接口、藍牙模塊和LED模塊組成，電路設計圖具體如圖3所示。

圖3 電路設計圖

其中，對主要的組成部分進行說明：

U6：進行初步數模轉換，同時可控制U2阻值的單片機；

U7：進行二次數模轉換和協調電路各部分運轉的單片機；

U5：小功率極性反轉電源轉換器；

U8：為通信接口j2和j3提供+5v電源和數據轉換通道的單電源電平轉換芯片；

J2：通信接口j2；

J3：通信接口j3；

除此之外，同時配備了標準UART接口以及可以實現與單片機間進行信息交互的藍牙模塊。基于此電路，我們對獲取的脈象原始信號進行一系列的轉化處理，并通過藍牙模塊傳輸至智能手機端。

(3) 軟件設計

由藍牙模塊接收到的數字信號進入到軟件處理環節。我們以Android 2.3版本的智能手機進行軟件程序開發，其主要具備三個功能，即數據接收、數據發送、數據圖像化，軟件設計流程圖如圖4所示。在軟件的設計階段，我們先讓學生通過查閱教程以及觀看視頻的方式，學習了Java語言的理論基礎，重點掌握java語言的語法，從而能夠編寫簡單的java程序代碼，實現圖像部分的編制，并通過在代碼中加入隨機數組對代碼進行了測試。圖5為利用隨機數繪制的測試圖像。

圖4 軟件設計流程圖

圖5 隨機數繪制的測試圖像

(4) 用戶數據庫及數據分析

學生跟隨指導老師學習了PHP MySQL，利用其建立用戶數據庫，并初步分析系統中的數據，主要包括脈搏信號數據、個人基本信息以及分析結果。我們將脈搏信號數據及個人基本信息作為輸入數據，而分析結果為輸出數據。其中，個人基本信息是由信息錄入頁面進行輸入，而待分析的脈搏信號數據則來源于項目組設計的脈象傳感器裝置。信號經傳感器、放大電路、ADC 轉換電路、藍牙模塊實現無線發送，客戶端根據給定的無線驅動程序，采用 TCP 協議傳輸，接收數據并向指定的數據庫發送信息。我們按照上述步驟采集了小組成員的數據，如圖6所示。

圖6 小組成員的數據采集

其中，數據分析算法我們主要采用加權平均算法計算兩列脈搏波之間的相似度。該算法將相關系數法和特征參數法相結合，分別從整體和局部特征對波形進行相似性度量，兼具全局匹配和局部比較的優點，適用于脈搏波形相似度的分析。

3 實施效果

整個脈象傳感器設計作為應變式傳感器實驗課程的展開創新項目，由學生自主選擇，雖然期間老師提供了大量的幫助，但是學生也從中培養了分析問題和解決問題的能力，促進了學生的團隊協作精神。同時，更加調動了學生的學習興趣，通過大學生創新項目在傳統的實驗上進行綜合、改進與創新。

我校機械與航空航天工程學院專業2012級學生，以此實驗為背景，積極參加了我校舉辦的“大學生創新創業訓練計劃項目”，取得了優異的成績，并做出了智能脈象手環，申請了國家專利，并在核心期刊上發表了高水平論文。通過本次實驗展開項目，他們對理論有了更深的理解，扎實了專業技能，為以后的研究生生活打下了堅實的基礎。

4 總結

本文以應變式傳感器試驗為例，主要討論了實驗引領并結合實際創新項目的重要性，并通過具體實施，取得了良好的實驗教學效果。一方面進一步提高了實驗的開放性；另一方面拓展了學生的創新性思維，學會舉一反三，利用學到的理論知識與實驗知識，解決實際生活中面臨的熱點問題，響應我國教育對學生理論與實踐相結合的發展要求。與此同時，這對指導老師也提出了更高的要求，指導教師需要具有扎實的專業基礎以及實踐經驗，通過與學生的交流，不斷改進實驗教學的方法與手段。開放性實驗教學發展至今，單單依賴時間與空間的開放已遠遠不夠，用開放性實驗解決開放性問題將成為未來的重要發展方向，以培養出更多具有創新意識的工程應用人才。