傳感器實驗與大學生創(chuàng)新項目深度融合的開放性探索

胡章優(yōu)，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(shù)據(jù)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(huán)節(jié)中，傳統(tǒng)的傳感器實驗內(nèi)容相對單一，大多數(shù)學生對實驗的應用性并沒有得到舉一反三式的啟發(fā)，一定程度上限制住了學生的創(chuàng)造力與想象力[5-6]。在信息化高度發(fā)達的時代，實驗對學生的啟發(fā)，不應僅僅依賴實驗出現(xiàn)的物理現(xiàn)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(chuàng)新項目有機結(jié)合，進行開放性探索，進一步提升了學生的創(chuàng)新意識以及解決實際問題的能力。

1 創(chuàng)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(zhuǎn)化為電阻的變化，再通過測量電路，將電阻的變化轉(zhuǎn)化為電壓或電流信號輸出[8]。這與中醫(yī)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(shù)、形、勢”等特征，借以判斷臟腑的功能狀態(tài)，從而實現(xiàn)無創(chuàng)診斷的目的，對疾病的診斷和治療有著積極的意義。但中醫(yī)脈診具有一定的主觀性，要準確掌握和運用有著相當?shù)碾y度。因此，如何提高脈診的客觀性，早日擺脫標準不統(tǒng)一、不易推廣和學習的狀況，已成為了中醫(yī)脈診客觀化研究中倍受關注的問題?；谕瑯拥膶嶒炘恚覀儗烧哌M行有機結(jié)合，帶領學生進行基于大數(shù)據(jù)的脈象傳感器與脈率分析裝置的創(chuàng)新設計。

2 解決方案

(1) 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

整個分析系統(tǒng)的設計主要包括三大部分：硬件設計、軟件設計、數(shù)據(jù)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(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將脈象信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，最后通過藍牙模塊發(fā)送到智能手機接收端。由智能手機端的應用軟件完成數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)圖像化顯示和數(shù)據(jù)發(fā)送，利用后端大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)對脈象進行分析，并建立用戶數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)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(tǒng)，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)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(tǒng)總體結(jié)構(gòu)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(jīng)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(shù)固定的運算放大電路、濾波電路、單片機、電源轉(zhuǎn)換器、電源電平轉(zhuǎn)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(shù)模轉(zhuǎn)換，同時可控制U2阻值的單片機；

U7：進行二次數(shù)模轉(zhuǎn)換和協(xié)調(diào)電路各部分運轉(zhuǎn)的單片機；

U5：小功率極性反轉(zhuǎn)電源轉(zhuǎn)換器；

U8：為通信接口j2和j3提供+5v電源和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道的單電源電平轉(zhuǎn)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(xiàn)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(zhuǎn)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(shù)字信號進入到軟件處理環(huán)節(jié)。我們以Android 2.3版本的智能手機進行軟件程序開發(fā)，其主要具備三個功能，即數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)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(xiàn)圖像部分的編制，并通過在代碼中加入隨機數(shù)組對代碼進行了測試。圖5為利用隨機數(shù)繪制的測試圖像。

圖4 軟件設計流程圖

圖5 隨機數(shù)繪制的測試圖像

(4) 用戶數(shù)據(jù)庫及數(shù)據(jù)分析

學生跟隨指導老師學習了PHP MySQL，利用其建立用戶數(shù)據(jù)庫，并初步分析系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)，主要包括脈搏信號數(shù)據(jù)、個人基本信息以及分析結(jié)果。我們將脈搏信號數(shù)據(jù)及個人基本信息作為輸入數(shù)據(jù)，而分析結(jié)果為輸出數(shù)據(jù)。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(shù)據(jù)則來源于項目組設計的脈象傳感器裝置。信號經(jīng)傳感器、放大電路、ADC 轉(zhuǎn)換電路、藍牙模塊實現(xiàn)無線發(fā)送，客戶端根據(jù)給定的無線驅(qū)動程序，采用 TCP 協(xié)議傳輸，接收數(shù)據(jù)并向指定的數(shù)據(jù)庫發(fā)送信息。我們按照上述步驟采集了小組成員的數(shù)據(jù)，如圖6所示。

圖6 小組成員的數(shù)據(jù)采集

其中，數(shù)據(jù)分析算法我們主要采用加權(quán)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(shù)法和特征參數(shù)法相結(jié)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(yōu)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(chuàng)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(yǎng)了分析問題和解決問題的能力，促進了學生的團隊協(xié)作精神。同時，更加調(diào)動了學生的學習興趣，通過大學生創(chuàng)新項目在傳統(tǒng)的實驗上進行綜合、改進與創(chuàng)新。

我校機械與航空航天工程學院專業(yè)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(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目”，取得了優(yōu)異的成績，并做出了智能脈象手環(huán)，申請了國家專利，并在核心期刊上發(fā)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(yè)技能，為以后的研究生生活打下了堅實的基礎。

4 總結(jié)

本文以應變式傳感器試驗為例，主要討論了實驗引領并結(jié)合實際創(chuàng)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(chuàng)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(jié)合的發(fā)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(yè)基礎以及實踐經(jīng)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(fā)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(fā)展方向，以培養(yǎng)出更多具有創(chuàng)新意識的工程應用人才。