传感器实验与大学生创新项目深度融合的开放性探索

胡章优，翁小辉，刘广武，左文杰，兰华

(吉林大学 机械与航空航天工程学院, 长春 130022)

0 引言

传感器实验一般由传感器、数据采集器、配套软件、电脑等组成，是机械学科与信息技术的深度融合，具有广泛的应用性[1-4]。在高校教学环节中，传统的传感器实验内容相对单一，大多数学生对实验的应用性并没有得到举一反三式的启发，一定程度上限制住了学生的创造力与想象力[5-6]。在信息化高度发达的时代，实验对学生的启发，不应仅仅依赖实验出现的物理现象，更应与实际的应用问题紧密相连，促进学生对实验多学科多维度的思考，达到学以致用的教学效果[7]。因此本文基于应变式传感器实验，将其与大学生创新项目有机结合，进行开放性探索，进一步提升了学生的创新意识以及解决实际问题的能力。

1 创新背景

应变式传感器的工作原理是通过在弹性元件上采用特殊工艺粘贴电阻应变片，将弹性元件的变形转化为电阻的变化，再通过测量电路，将电阻的变化转化为电压或电流信号输出[8]。这与中医诊断学中的脉诊有异曲同工之妙，脉诊主要是利用手指的感觉来分析脉搏的“位、数、形、势”等特征，借以判断脏腑的功能状态，从而实现无创诊断的目的，对疾病的诊断和治疗有着积极的意义。但中医脉诊具有一定的主观性，要准确掌握和运用有着相当的难度。因此，如何提高脉诊的客观性，早日摆脱标准不统一、不易推广和学习的状况，已成为了中医脉诊客观化研究中倍受关注的问题。基于同样的实验原理，我们将两者进行有机结合，带领学生进行基于大数据的脉象传感器与脉率分析装置的创新设计。

2 解决方案

(1) 系统总体结构

整个分析系统的设计主要包括三大部分：硬件设计、软件设计、数据库建立。其基本原理为：通过放置于腕部的压力传感器获取脉象的原始信号，并通过滤波电路得到降噪的脉象信号，经模数转换电路将脉象信号转换成数字信号，最后通过蓝牙模块发送到智能手机接收端。由智能手机端的应用软件完成数据接收、数据图像化显示和数据发送，利用后端大数据分析系统对脉象进行分析，并建立用户数据库进行数据存储。由此建立了脉象传感器—智能手机—服务器三位一体的脉象采集与分析系统，系统总体结构框图如图1所示。脉象传感器的实物图形如图2所示。

图1 系统总体结构框图

(2) 硬件设计

硬件设计中最主要的部分是电路设计。学生在老师的指导下进行电路学习，重点掌握单片机的相关基础知识和使用方法，完成电路图的草图绘制。经过多次修订，在指导老师的辅助下出图，从而完成电路部分的搭建。

图2 脉象传感器实物图形

电路主要由若干放大倍数固定的运算放大电路、滤波电路、单片机、电源转换器、电源电平转换芯片、通信接口、蓝牙模块和LED模块组成，电路设计图具体如图3所示。

图3 电路设计图

其中，对主要的组成部分进行说明：

U6：进行初步数模转换，同时可控制U2阻值的单片机；

U7：进行二次数模转换和协调电路各部分运转的单片机；

U5：小功率极性反转电源转换器；

U8：为通信接口j2和j3提供+5v电源和数据转换通道的单电源电平转换芯片；

J2：通信接口j2；

J3：通信接口j3；

除此之外，同时配备了标准UART接口以及可以实现与单片机间进行信息交互的蓝牙模块。基于此电路，我们对获取的脉象原始信号进行一系列的转化处理，并通过蓝牙模块传输至智能手机端。

(3) 软件设计

由蓝牙模块接收到的数字信号进入到软件处理环节。我们以Android 2.3版本的智能手机进行软件程序开发，其主要具备三个功能，即数据接收、数据发送、数据图像化，软件设计流程图如图4所示。在软件的设计阶段，我们先让学生通过查阅教程以及观看视频的方式，学习了Java语言的理论基础，重点掌握java语言的语法，从而能够编写简单的java程序代码，实现图像部分的编制，并通过在代码中加入随机数组对代码进行了测试。图5为利用随机数绘制的测试图像。

图4 软件设计流程图

图5 随机数绘制的测试图像

(4) 用户数据库及数据分析

学生跟随指导老师学习了PHP MySQL，利用其建立用户数据库，并初步分析系统中的数据，主要包括脉搏信号数据、个人基本信息以及分析结果。我们将脉搏信号数据及个人基本信息作为输入数据，而分析结果为输出数据。其中，个人基本信息是由信息录入页面进行输入，而待分析的脉搏信号数据则来源于项目组设计的脉象传感器装置。信号经传感器、放大电路、ADC 转换电路、蓝牙模块实现无线发送，客户端根据给定的无线驱动程序，采用 TCP 协议传输，接收数据并向指定的数据库发送信息。我们按照上述步骤采集了小组成员的数据，如图6所示。

图6 小组成员的数据采集

其中，数据分析算法我们主要采用加权平均算法计算两列脉搏波之间的相似度。该算法将相关系数法和特征参数法相结合，分别从整体和局部特征对波形进行相似性度量，兼具全局匹配和局部比较的优点，适用于脉搏波形相似度的分析。

3 实施效果

整个脉象传感器设计作为应变式传感器实验课程的展开创新项目，由学生自主选择，虽然期间老师提供了大量的帮助，但是学生也从中培养了分析问题和解决问题的能力，促进了学生的团队协作精神。同时，更加调动了学生的学习兴趣，通过大学生创新项目在传统的实验上进行综合、改进与创新。

我校机械与航空航天工程学院专业2012级学生，以此实验为背景，积极参加了我校举办的“大学生创新创业训练计划项目”，取得了优异的成绩，并做出了智能脉象手环，申请了国家专利，并在核心期刊上发表了高水平论文。通过本次实验展开项目，他们对理论有了更深的理解，扎实了专业技能，为以后的研究生生活打下了坚实的基础。

4 总结

本文以应变式传感器试验为例，主要讨论了实验引领并结合实际创新项目的重要性，并通过具体实施，取得了良好的实验教学效果。一方面进一步提高了实验的开放性；另一方面拓展了学生的创新性思维，学会举一反三，利用学到的理论知识与实验知识，解决实际生活中面临的热点问题，响应我国教育对学生理论与实践相结合的发展要求。与此同时，这对指导老师也提出了更高的要求，指导教师需要具有扎实的专业基础以及实践经验，通过与学生的交流，不断改进实验教学的方法与手段。开放性实验教学发展至今，单单依赖时间与空间的开放已远远不够，用开放性实验解决开放性问题将成为未来的重要发展方向，以培养出更多具有创新意识的工程应用人才。