实验题目：基于智能手环的多维度电子系统综合设计

1. 课程简要信息

课程名称: 基于智能手环的多维度电子系统综合设计
课程学时: 32 学时
适用专业: 电子信息类、电气类专业
学生年级: 大二、大三

2. 实验内容与任务（限 500 字）

基于智能手环的多维度电子系统综合设计，以Arduino硬件平台为基础，以智能手环功能的实现为样例进行电子系统的设计与实现。实验内容包括基础实验和创新实验两部分。

(1)基础实验：利用 Arduino硬件平台和功能模块实现智能手环基本功能。

任务：学生两人一组，自行进行硬件连接、软件编程、系统调试。

要求完成：

a. 利用Arduino 硬件平台、加速度传感器、蓝牙模块，制作一个智能手环；
b. 智能手环能利用加速度传感器进行运行检测并计步；
c. 智能手环能利用蓝牙模块向手机传输检测到的数据。

(2)创新实验

创新实验建立在基础实验上，进行多维度电子系统综合设计与实现。基础实验完成的智能手环具有基本的计步、数据向手机回传功能。创新实验采用进阶式设计的思维，要求对基本的智能手环进行至少一项“扩展功能”实现，扩展功能的思路可自行设定，也可以从给出的扩展方向进行思考。任务要求是给出书面设计说明并进行系统实现。

3. 实验过程及要求（限 300 字）

(1)教师介绍知识要点,学生结合自查资料学习基础实验相关知识。主要了解内容包括Arduino硬件平台及开发环境，传感器工作原理及使用方法，数据传输模块的使用方法。

(2)以 Arduino 简单编程为例学习 Arduino 的基础语言。

(3)以小组为单位利用 Arduino硬件平台、加速度传感器、蓝牙模块，制作一个智能手环。基础实验可分三部分进行，首先读取加速度传感器测试数据并利用计步算法转换成计步结果；其次实现蓝牙通信，测试能否将数据向手机成功传输；最后综合构成智能手环的电子系统，并组装测试。其中传感器计步算法由教师提供相应算法流程。

(4)创新实验部分, 以小组为单位讨论并设计系列扩展功能，形成书面设计说明文档，

包括选用的器件、功能实现技术方案。

(5)以小组为单位完成扩展功能并进行测试、实物展示。

(6)撰写并提交实验报告。

4. 相关知识及背景（限 150 字）

项目基于便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台 Arduino 进行开发，旨在以贴近生活的智能手环这一嵌入式电子系统为例，引导学生进行多维度电子系统的综合设计。项目涉及嵌入式系统、传感器技术、测量控制技术、数据通信等多方面工程实践知识，让学生在掌握基本的嵌入式开发技术的同时，更体验到系统设计的全部流程，对系统设计时所需要考虑的各要素有深切体会。

5. 教学目标与目的（限 100 字）

教学目的是在创新性电子系统设计实现过程中以一个（及以上）功能设计为主线，培养创新思维方法、引导学生创造性地思维，提高学生多项技术的综合运用能力。并让学生从系统层面了解要实现一个功能性电子系统的设计和实现流程，让学生了解并体验一个完整的电子系统作品系统设计时需要考虑的各因素。

6. 教学设计与引导

实验以多媒体课件、实践制作、项目研讨相结合的方式进行。

课程讲解内容包括技术知识点讲解和系统创新设计思路举例引导两部分。技术知识点包括 Arduino 开发板的使用、传感器使用举例、计步原理、蓝牙模块、其他电子功能模块使用等。系统创新设计思路举例这一部分讲解重在引导学生从基本功能中如何发散地去创新、扩展系统功能，如何对设计好的系统功能进行模块分解，如何以模块为单位进行实现，如何进行综合并排查解决问题。讲授内容重在强调思维创新，并帮助学生建立系统实现的逻辑思路。

实验教学设计了基础实验环节和创新实验环节。两部分采用不同的实践教学方式进行设计。第一阶段的基础实验教学环节为任务驱动式实践教学，即需利用给定实验器材完成指定实验内容，以组为单位完成智能手环基本功能实现。第二阶段的创新实验由学生自己设计完成。实验需从设计目标、器件选型、方案讨论、可行性分析、详细技术方案进行实现。

第一阶段的基础实验中，指导主要包括以下方面：

（1） 讲解所涉及的嵌入式技术、Arduino硬件、Arduino开发环境及程序编写、传感器技术、蓝牙通信技术；
（2） 指导学生查询传感器相关文献、数据说明手册；
（3） 设计样例实验，学生通过样例实验学习 Arduino 编程方法，掌握基于Arduino硬件平台的简单工程开发方法；
（4） 讲解加速度传感器与单片机的数据通信接口，指导学生掌握加速度传感

器模块的使用方法并编写测试程序；

（5） 讲解计步原理，加速度传感器与计步结果之间的算法由教师提供算法并给出详细解释；
（6） 讲解蓝牙模块与单片机通信方式，指导学生掌握蓝牙模块与单片机连接实现蓝牙数据传输的方法并编写测试程序；
（7） 综合系统集成中，对学生遇到的问题示范如何进行问题查找定位，如何排查硬件故障和软件程序错误。
（8） 验收重点在实物功能展示、关键技术提问、系统软硬件实现的规范性、问题的排查与解决方法。

第二阶段的创新实验则采用小组合作、团队研讨、方案论证、系统实现的流程。创新实验采用进阶式设计的思维，要求对基本的智能手环进行至少一项“扩展功能”实现，扩展功能的思路可自行设定，也可以从给出的扩展方向进行设计与实现。该部分指导的重点是：

（9） 以样例进行进阶式创新引导。列举可以从向上、同层、向下多维度出发对基本的智能手环进行功能扩展，并说明如何对电子系统进行模块化的功能丰富，重在启发学生思路。
（10）多种传感器技术讲解。
（11）系统实现。针对设计样例进行分析，以丰富了的功能如何进一步实现为例展示系统级的实现思路及电子系统的原型实现过程与方法。其过程包括：功能设计、文献查询、可行性讨论、系统功能模块化分解、单一模块功能实现与验证、综合功能集成、调试、问题定位、问题解决。
（12）组织学生以小组为单位进行讲解汇报，着重注意对学生提出的方案进行合理科学引导，既强调其创新性，也强调实现的可行性；并关注学生小组在实验时遇到的问题和困难，给予解决思路和知识技术的指导。

7. 实验原理及方案

A. 基础实验原理及方案（1） 系统框图及器件列表（2） 实现方案

图 1 系统框图表 1 器件列表

1）控制器: 由于所实现的对象为智能手环，出于尺寸大小的考虑选择了DFRobot 公司的 Arduino 系列微型控制器 Beetle。Arduino 开发以 IDE 环境提供的多个示例进行硬件接口、程序编写的学习。

图 2 Beetle 控制器电路图

图3 Beetle控制器正反面示意图

板上 IO 端口丝印与 Arduino 端口对应关系：

2）加速度传感器：实验中加速度传感器选择 MPU6050，MPU6050 内部整合了 3轴陀螺仪和3轴加速度传感器，还自带了数字运动处理器（DMP）硬件加速引擎。这里利用的是它的 3 轴加速度传感器，通过 IIC 接口提供数据。SCL 和 SDA 是MPU6050连接控制器的 IIC接口，控制器可以通过这个 IIC 接口控制 MPU6050。

Arduino 与 MPU6050 之间的通信在程序实现时可利用 Wire 程序库实现。通过读取地址为： 0X3B~0X40的6个输出寄存器，就可以读到 $\mathbf { x } / \mathbf { y } / z$ 轴的加速度值。

3）计步算法的算法流程图由教师讲解并提供。其计步原理为加速度传感器可以实时获取自身的 X\Y\Z 三个轴向的加速度。当其随着运动的佩戴者手臂而做周期性摆动时，其数据也是有一定规律可循的。这样，只需要分析从加速度传感器获得的数据就能实现运动计步，这部分计步算法原理及计步算法流程图直接由教师提供并讲解。学生实验中只需要将检测到的数据依据算法流程转化成计步结果即可，计步算法流程表如下。

计步依据：无论如何穿戴计步器，总有至少一个轴具有相对较大的周期性加速度变化，利用峰值检测和三个轴上的加速度动态阈值决策算法检测步行或跑步周期，实现计步。

表 2 计步算法流程表

4）蓝牙模块：蓝牙模块采用异步传输方式，可实现短距离的无线数据传输，实验选用 HC-05 模块。手机与蓝牙模块通信时采用的是串口透传方式，因此蓝牙模块与 Arduino 板连接后程序开发利用的 USART 通信，通过 USART 发送函数可将数据实时传给手机。这里可以使用简单的蓝牙串口通信助手手机 APP 对编好的程序进行测试，测试 Arduino+蓝牙模块能否与手机之间实现蓝牙通信。

图4 HC-05蓝牙模块电路图

其引脚说明如表 3。蓝牙串口通信助手手机 APP 如图 5 所示。

表3 蓝牙模块引脚说明

图 5 蓝牙串口通信助手

B. 创新实验方案

第二部分的创新实验以对学生的创新创作进行引导为主。列举可以从向上、同层、向下多维度出发对基本的智能手环进行功能扩展，并说明如何对电子系统进行模块化的功能丰富，重在启发学生思路。在此基础上，讲解多物理量检测、同一传感器在不同场合的应用、如何思考并进行电子系统原型的实现，如何器件选型，如何进行功能验证，以及解决问题常用的方法。

（1） 进阶式创新引导。以原有的计步功能为出发点，引导学生向上递进、平层扩展、向下延伸，进行多维度的创新思维与制作实现。

图6进阶式创新引导示意图

（2） 知识引导

1） 实验知识：多种物理量的检测方法

为了实现设计的功能，学生小组在创新实验中可能会用到一种或一种以上的传感器进行物理量检测。这里讲解并给出多种物理量的检测方法及用到的器件。包括：温度传感器、湿度传感器、光强传感器、角速度传感器、模拟声音传感器 、震动传感器 、压力传感器、火焰传感器 、红外传感器 、超声传感器等多种传感器的使用方法和原理。

2） 实验知识：同一传感器在不同场合的应用方法及技术实现

同一传感器可以有多种应用场合，这里举例进行知识讲解，如电容式传感器用于声音、压力、液位的测量。如MPU6050 的陀螺仪/加速度计用于姿态检测、运动检测、导航等的方法。

（3） 系统实现引导

1）器件选型方法。实现某一功能时通常会有多个器件可供选择，其选定因素包括性能指标、接口方式、尺寸、使用难度、成本等。

2）文献查询手段、系统实现过程中遇到问题时常用的软件、硬件排查方法。

3） 模块化地分解系统功能，逐模块实现并验证后，再进行系统综合集成与测试。

8. 教学实施进程

教学设计了基础实验和创新实验，其目的在于从电子系统技术实践和创新思维两个方向提升学生能力。学生在基础实验环节中主要完成具有计步、蓝牙通信功能的基本智能手环功能，重点掌握嵌入式系统的开发方法；教师主要进行硬件连接、编程语言、系统调试的指导，重点关注学生对程序语言、器件使用的掌握，并注意学生编程、连线的规范性。创新实验学生主要完成方案设计及阐述、系统实现，教师重点关注其方案的创新性与合理性，对从方案到系统实现进行过程引导。

9. 实验报告要求

实验结束后需要提交实物作品和实验报告。实验报告需反映以下工作：基础实验部分

（1） 具有基本功能的智能手环这一电子系统的总体设计思路；
（2） 硬件连接框图、程序设计框图；
（3） 系统整合调试中的问题、故障排除方法和解决办法。

创新实验部分

（4） 设计的扩展功能及实现方案；
（5） 小组方案论证过程、讨论思路；
（6） 器件选型过程及决定依据；
（7） 功能实现过程说明及关键技术阐述；
（8） 数据测试结果、作品结果展示、创新点展示；
（9） 实验心得体会。

10.考核要求与方法（限 300 字）

第一阶段：基础实验的考核以实物验收为主

(1)基本的智能手环硬件连接是否正确；
(2)是否达到预定的智能手环计步、通信功能，控制方法是否合理；
(3)实物测试效果是否符合实验任务要求；
(4)关键技术点询问。
第二阶段：创新实验以方案阐述和实物验收相结合的方式进行。
(5)以小组为单位进行讲解汇报： 阐述所设计的扩展功能，其电路、程序实现方案及创新点。所有同学都可就其阐述内容进行提问，并对其方案的创新性、系统扩展的科学性、器件选择的合理性进行打分。
(6)方案阐述重点考核其构思的新颖性和合理性，系统实现的可行性。考察是否能够由点及面地进行创新性思维，设计时是否兼具了实用性，是否考虑了成本问题。(7) 实物展示重点考核该小组所完成的电子系统是否在原有的蓝牙计步功能基础上实现了新的扩展功能及其实现效果。
(8)实验报告是否全面、规范地阐明了系统的设计方案及实现过程。

11.项目特色或创新（可空缺，限 150 字）

（1） 项目选择了智能手环的计步和蓝牙通信功能作为基本实验任务，十分贴近生活，在满足基本能力训练需求的同时有利于激发学生的实践热情。
（2） 与单一的任务驱动型实验不同，在基础实验上设计的多维度电子系统创新实验，旨在以智能手环这一嵌入式电子系统为例让学生进行自主扩展，没有预

设的标准答案，实现方式不限，重在引导和考察学生的创新性和独立实践性，培养学生创新思维。

（3） 实验采用分层次教学方式，基础实验重在培养嵌入式电子系统开发实践技能，创新实验针对创新能力较强的同学进行创新创作引导。

（4） 采用小组合作、集体方案讨论的形式，既可以利用团队的力量来进一步完善方案设计，更重要地是着重培养工科学生的团队合作能力，及阐述项目作品时的逻辑性、展示力、沟通力。

实验案例信息表