傳感器實(shí)驗(yàn)與大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)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(xué) 機(jī)械與航空航天工程學(xué)院, 長春 130022)

0 引言

傳感器實(shí)驗(yàn)一般由傳感器、數(shù)據(jù)采集器、配套軟件、電腦等組成，是機(jī)械學(xué)科與信息技術(shù)的深度融合，具有廣泛的應(yīng)用性[1-4]。在高校教學(xué)環(huán)節(jié)中，傳統(tǒng)的傳感器實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相對單一，大多數(shù)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的應(yīng)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(xué)生的創(chuàng)造力與想象力[5-6]。在信息化高度發(fā)達(dá)的時(shí)代，實(shí)驗(yàn)對學(xué)生的啟發(fā)，不應(yīng)僅僅依賴實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)的物理現(xiàn)象，更應(yīng)與實(shí)際的應(yīng)用問題緊密相連，促進(jìn)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)多學(xué)科多維度的思考，達(dá)到學(xué)以致用的教學(xué)效果[7]。因此本文基于應(yīng)變式傳感器實(shí)驗(yàn)，將其與大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目有機(jī)結(jié)合，進(jìn)行開放性探索，進(jìn)一步提升了學(xué)生的創(chuàng)新意識以及解決實(shí)際問題的能力。

1 創(chuàng)新背景

應(yīng)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(yīng)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(xué)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(shí)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(zhǔn)確掌握和運(yùn)用有著相當(dāng)?shù)碾y度。因此，如何提高脈診的客觀性，早日擺脫標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、不易推廣和學(xué)習(xí)的狀況，已成為了中醫(yī)脈診客觀化研究中倍受關(guān)注的問題。基于同樣的實(shí)驗(yàn)原理，我們將兩者進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)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(shè)計(jì)。

2 解決方案

(1) 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

整個(gè)分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括三大部分：硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、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(lán)牙模塊發(fā)送到智能手機(jī)接收端。由智能手機(jī)端的應(yīng)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(jìn)行分析，并建立用戶數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲。由此建立了脈象傳感器—智能手機(jī)—服務(wù)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(shí)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(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)中最主要的部分是電路設(shè)計(jì)。學(xué)生在老師的指導(dǎo)下進(jìn)行電路學(xué)習(xí)，重點(diǎn)掌握單片機(jī)的相關(guān)基礎(chǔ)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(dǎo)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(shí)物圖形

電路主要由若干放大倍數(shù)固定的運(yùn)算放大電路、濾波電路、單片機(jī)、電源轉(zhuǎn)換器、電源電平轉(zhuǎn)換芯片、通信接口、藍(lán)牙模塊和LED模塊組成，電路設(shè)計(jì)圖具體如圖3所示。

圖3 電路設(shè)計(jì)圖

其中，對主要的組成部分進(jìn)行說明：

U6：進(jìn)行初步數(shù)模轉(zhuǎn)換，同時(shí)可控制U2阻值的單片機(jī)；

U7：進(jìn)行二次數(shù)模轉(zhuǎn)換和協(xié)調(diào)電路各部分運(yùn)轉(zhuǎn)的單片機(jī)；

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(shí)配備了標(biāo)準(zhǔn)UART接口以及可以實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)間進(jìn)行信息交互的藍(lán)牙模塊。基于此電路，我們對獲取的脈象原始信號進(jìn)行一系列的轉(zhuǎn)化處理，并通過藍(lán)牙模塊傳輸至智能手機(jī)端。

(3) 軟件設(shè)計(jì)

由藍(lán)牙模塊接收到的數(shù)字信號進(jìn)入到軟件處理環(huán)節(jié)。我們以Android 2.3版本的智能手機(jī)進(jìn)行軟件程序開發(fā)，其主要具備三個(gè)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(shè)計(jì)流程圖如圖4所示。在軟件的設(shè)計(jì)階段，我們先讓學(xué)生通過查閱教程以及觀看視頻的方式，學(xué)習(xí)了Java語言的理論基礎(chǔ)，重點(diǎn)掌握java語言的語法，從而能夠編寫簡單的java程序代碼，實(shí)現(xiàn)圖像部分的編制，并通過在代碼中加入隨機(jī)數(shù)組對代碼進(jìn)行了測試。圖5為利用隨機(jī)數(shù)繪制的測試圖像。

圖4 軟件設(shè)計(jì)流程圖

圖5 隨機(jī)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(xué)生跟隨指導(dǎo)老師學(xué)習(xí)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(gè)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(gè)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(gè)人基本信息是由信息錄入頁面進(jìn)行輸入，而待分析的脈搏信號數(shù)據(jù)則來源于項(xiàng)目組設(shè)計(jì)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(lán)牙模塊實(shí)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(jì)算兩列脈搏波之間的相似度。該算法將相關(guān)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(jìn)行相似性度量，兼具全局匹配和局部比較的優(yōu)點(diǎn)，適用于脈搏波形相似度的分析。

3 實(shí)施效果

整個(gè)脈象傳感器設(shè)計(jì)作為應(yīng)變式傳感器實(shí)驗(yàn)課程的展開創(chuàng)新項(xiàng)目，由學(xué)生自主選擇，雖然期間老師提供了大量的幫助，但是學(xué)生也從中培養(yǎng)了分析問題和解決問題的能力，促進(jìn)了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。同時(shí)，更加調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，通過大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)上進(jìn)行綜合、改進(jìn)與創(chuàng)新。

我校機(jī)械與航空航天工程學(xué)院專業(yè)2012級學(xué)生，以此實(shí)驗(yàn)為背景，積極參加了我校舉辦的“大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)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(shí)驗(yàn)展開項(xiàng)目，他們對理論有了更深的理解，扎實(shí)了專業(yè)技能，為以后的研究生生活打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

4 總結(jié)

本文以應(yīng)變式傳感器試驗(yàn)為例，主要討論了實(shí)驗(yàn)引領(lǐng)并結(jié)合實(shí)際創(chuàng)新項(xiàng)目的重要性，并通過具體實(shí)施，取得了良好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。一方面進(jìn)一步提高了實(shí)驗(yàn)的開放性；另一方面拓展了學(xué)生的創(chuàng)新性思維，學(xué)會舉一反三，利用學(xué)到的理論知識與實(shí)驗(yàn)知識，解決實(shí)際生活中面臨的熱點(diǎn)問題，響應(yīng)我國教育對學(xué)生理論與實(shí)踐相結(jié)合的發(fā)展要求。與此同時(shí)，這對指導(dǎo)老師也提出了更高的要求，指導(dǎo)教師需要具有扎實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)以及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，通過與學(xué)生的交流，不斷改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方法與手段。開放性實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展至今，單單依賴時(shí)間與空間的開放已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，用開放性實(shí)驗(yàn)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(yīng)用人才。