贝尔英才学院创新杯项目报道
添加时间:2019-11-26 文章来源:青年在线

     脑电管家

两年前,我们作为南京邮电大学贝尔英才学院的几个大一新生在学院的学习导师见面会上初次了解了黄丽亚教授的脑电项目。虽然当时的我们并不是很能理解什么是脑电,但还是被它深深的吸引了。于是,我们便开始了在导师的引领下,学习,实验,设计,测试的学习生涯,一步一步的深入了解脑电信号以及其中的原理。后来我们组成一个团队,共同为设计一个脑电管理平台而努力,也给我们这个团队起了个响亮的名字:脑电管家。

起步源自大创

要说这个项目是如何诞生的,还得回溯到一年半之前,通过半年的学习,我们团队已经对脑电信号在注意力和情绪等方面有了一定的认识。借着南京邮电大学大学生创新创业训练计划的开始,我们希望把我们学到的东西应用在其中,通过调研我们发现,现在国内外的团队还没有设计过适用性广泛,具有一定便携性的脑电信号采集处理设备。于是我们分别就学习状态和驾驶状态两个领域展开研究设计。

随着我们对项目的理解日渐深入,我们开始尝试着利用论文中的理论对项目进行初步的解决。然而这不符合一个科研项目所要达成的目的,而仅是已有技术的简单拼凑。一个真正的项目需要创新性,这是科研的灵魂。

我们开始在已有理论的基础上进行创新。而创新就意味着要在别人没有走过的地方,趟出一条自己的路。我们团队开始从采集设备,检测算法,交互界面等方向,一步一步开始设计,实验,制作。

设备方面,我们找遍网上大多数的成品的脑电采集器,并没有一种能够兼顾情绪检测和注意力状态检测的便携式采集器。要么是功能单一的采集设备,要么是功能复杂但较为庞大的头套,不符合我们的要求。不过我们还是从诸多设计中找到了一些灵感,设计了自己的采集设备。我们先是改装了一个蓝牙耳机,发现我们的想法是可行的。然后,从3D建模开始,利用3D打印机,快速的把实物设计出来,在根据需要不断修改,最后加入去噪,去眼电等专业模块。最后形成了我们的入耳式耳机式脑电采集设备,并申请了专利。

对于算法,阅读大量论文我们发现,比较基本的算法应该属于傅里叶类的算法,短时傅里叶变换、小波变换等算法对于脑电信号的处理很有效,并且在注意力方面有着比较明显的成效,但是处理速度以及在情绪测算中的准确度却不尽如人意。这时时下热门的机器学习给了我启发,卷积神经网络是机器学习中处理数据的算法之一,它经过训练后的速度和准确度都很好,只是处理的对象主要是图片,也就是图片中的像素点,从中我收到了启发。我将测得的脑电数据即脑电的振幅时间波形加窗,通过每个分析每个周期的像素训练算法对情绪的认识,但是用什么来判断何时为兴奋何时为低沉,这里就用到了DEAP数据库,这是世界公认的脑电分析数据,通过视频对被试进行实验测试,得到的最终数据,通过MATLAB仿真得到了初步的算法。

项目之初,没有什么经验的我们曾经以为算法的硬件化这一步很简单,应该用不了多长时间。在项目计划的组会上,黄丽亚教授提醒我们硬件化的部分不会像我们想象的那样一番风顺。现在看来当时多留了一些时间给算法的硬件化是一个极为明智的选择。每一个平台都有自己的特点,当我们把算法设计定下来之后,需要为硬件平台做相应的优化,改变。很多硬件部分的特点需要我们将我们的算法做出相应的调整。处理平台和采集器的良好通讯也需要我们去考虑。总之,将系统调通花费了我们不少的时间。

后来我们打算为我们的平台设计一个APP,对比手机里其他的软件,我感觉如果局限于脑电波的实时监测未免太过于单调,与我们的目的“课堂状态的监测与评价”,还有一定的差距。于是在经过了组员商议之后,我们决定为软件加入新的功能:“建议系统”,“记录”,“小贴士”和“工具箱”。虽然是一些很简单的小功能,但可以为较为单调的使用方式注入一些新的血液。在明确了目标之后我便开始了正式地编写,直到真正开始做之后才发现问题之多,从软件地配置到手机连接问题再到蓝牙连接问题,各种bug层出不穷,一般花一个小时写代码,最后要花两三个小时debug。其中,实时监测功能我留到了最后,因为牵扯到了蓝牙连接,多线程等比较复杂的功能,事实证明这个决定是对的,经过了近一周的修改,实验的循环,最终终于成功。

我们还在不断前进

在完成大创训练计划后,我们又有很多有意思的想法,比如一种叫做经颅电磁刺激的技术。可以和我们的设备结合,去做一些我们之前做不到的新功能,甚至可以改善不良情绪,调节注意力等等。我们脑电管家团还在不断努力,不断学习,不断优化我们的设计。希望我们团队以后能够走得更高更远,也衷心感谢黄丽亚教授的帮助和指导,感谢贝尔英才学院让我们几个本科生拥有这么宝贵的科研经验。



今年九月至十月之间,我们在完成市场调查与研究课程作业之余,利用此次机会,对健身APP的使用情况作了研究。这次项目不仅成果显著,而且在研究过程中我们也获得了意外的收获。

我们把研究过程分为查阅文献、构建理论框架、设计问卷、数据分析与得出结论五个阶段。

首先是理论框架的搭建,这一我们记忆尤新。其实在此之前,我们也多次展开过类似的调查活动,但是我们的注意力往往集中于其它方面,比如在想要尽可能地扩充问卷的填写数量的同时却忽视了问卷乃至整个调查研究的理论框架。这一次也不例外,我们团队最开始又犯了以往一直犯的错误,那便是忽视了问卷的理论框架,在写好问卷之后便打算直接发放。

但是这次多亏市场调研课程的孙建敏老师提醒,我们才意识到问卷的题目设置要有坚实的理论依据作基础,这样问卷得出的数据才能有分析和研究的价值。所谓“工欲善其事,必先利其器”,合理的问卷设计可以使我们在样本量不变的情况下得出更加精确的结论。孙老师的点拨让我们醍醐灌顶,于是我们不再凭空想象,而是去阅读大量的优秀研究成果,并且着重分析他人在类似领域研究的理论框架。于是我们在相关的理论模型的基础上,完成了整体的问卷模块甚至各个问题选项设置,紧随其后的数据分析也由此取得了良好的效果。

其次在数据分析与得出结论的过程中,数据分析的结果与我们的预期出现了一定的偏差。例如:差异性分析的结果显示不同性别对各类动机的得分均不存在统计学意义上的差异。刚开始面对这类结果时,我们都认为是出现了数据错误从而不知所措。在排除了是抽样过程以及数据分析的错误之后,我们开始转变思路,以更加沉稳的心态正视我们得出的结果,并且将数据分析的结果与我们对健身APP相关领域的认识相结合,总结出更加有建设性的研究结论。

本次基于技术接受模型的健身类APP用户使用的研究不仅使我们养成了随时查阅文献,寻找理论依据的良好习惯,更培养了我们打破常规,实事求是、开拓创新的科研思维,帮助我们在科研道路上又前进了一大步,为提高贝尔英才学院的科研水平贡献了自己一份微薄的力量。

常言道“台上一分钟,台下十年功”,正是这不懈的努力让我们团队的“校园大咖”——新型安全智能校园卡项目,获得了第二十一届“创新杯”大学生课外学术科技作品竞赛院赛的特等奖并成功入围校赛,这也是该团队继成功申请校级stitp项目后再次获得荣誉。

本项目始于2017年的校级STITP重点项目,队员们怀着对科学研究的浓厚兴趣和对未来发展的思索而走到了一起。所谓科研既可以出人头地,也可以更接地气,在项目题材的选定方向阶段,队员们在了解到各个高校每天都有很多人丢失校园卡的事实基础上充分考虑到科学技术的实际应用价值。队员们了解到校园公益社团不仅要花费大量的时间和精力为丢失的校园卡寻找主人,还经常因为信息不符等问题与失主擦肩而过,因此,队员们将选题定位在了解决高校学生校园卡丢失及找回的问题上,并由此展开了对新型校园卡的优化设计研究项目。

余乐山同学在项目中主要负责前期的调研和作品研究报告的修改。她说:“校园一卡通”与师生在校内的日常工作和学习密切联系,具有校内身份识别和支付的功能。但由于传统校园卡自身结构设计的局限性,以及人为、外界因素的影响,导致其易丢失、易盗刷,且丢失后不易找回,并因此给师生带来了经济和精神上的损失。经过调研 我们发现,每到食堂用餐高峰期,食堂打饭窗口前都会聚集了大量人群,工作人员曾试图通过增加窗口数量来提高效率,但并没有产生很好的效果。在对生活的观察和思考中,这种新型智能校园卡出现在了我的脑海里。”

该项目的负责人包兴达如此介绍着自己的项目:“在构建物联校园的过程中,改变传统校园卡易丢、易盗刷和功能单一的缺点,打造真正的校园大“咖”我们势在必行。我们在调研的基础上针对传统校园卡存在的现实问题,综合利用蓝牙技术、RFID射频技术、数据库管理技术、软件开发技术、短信接口技术、GPS技术以及无线呼叫等技术,设计了一种安全智能校园卡及其配套系统,实现了防丢、防盗刷、丢失后易找回、提高取餐效率等功能。”

为了克服技术难题,包兴达全身心投入,在团队中勇挑重担,不但要做好技术,还要同步推进项目进度,统筹安排各项工作。他分析道:“我们团队同学的兴趣点很相近,也都有一定的知识基础,有着共同的目标,从最初的校级stitp项目到参加各项比赛,有时候任务很多,但大家都会合理安排时间,相互督促。”在其他团队成员看来,参加竞赛的本质在于“以赛促学”,在过程中提升自己,学到更多新的能力和知识。

该校园卡项目团队里还有不少全能型的“干将”,比如拥有丰富竞赛经历和获奖经历的马俊杰同学,他善于思考与探索,在项目研究过程中大胆提出自己的设想与方案,进一步对项目进行优化,并且较好地完成了项目后期视频拍摄剪辑的庞大工作。

来自电光微院并具有科学探索精神与丰富的参赛经验的郭思佳同学,她致力于项目的推进与修正,将课外所学习的软硬件相关理论知识与实验操作相结合,不断完善项目的细节工作;同样来自电光微院的张睿伦同学,他具有较强的软硬件技术开发能力与吃苦耐劳的精神品质 ,在项目研发的过程中,提供了较完备的实现方案,并不断进行优化整改,及相关测试实验。他们,都在科研的道路上奋勇前行,或许困难很多,但他们坚信科研会给大家带来更多的惊喜。

项目指导老师贝尔英才学院副院长、王海艳教授曾这样评价团队成员:“我已经跟随该项目团队走过了两个年头,团队成员越来越多。从技术研发到文案支持,每一个同学都为项目的创新延续而默默付出。作为院长,我们常把卓越人才放在嘴边,贝尔英才学院学子作为南邮优秀学生的代表,这里承载了太多的期待和梦想。我们希望竞赛带给贝院学子的不仅是荣誉,更是对未来的思考。我们希望卓越、活力、忠诚、领军这样的标签能够成为更多学子奋斗的方向。”

面对美好的未来,团队成员都不约而同地选择了继续深造,致力于在科研竞赛的道路上继续前行。


手机浏览

112

共青团南京邮电大学委员会

地址:江苏省南京市栖霞区文苑路9号

邮编:210023

邮件:tuanwei@njupt.edu.cn

Copyright © 共青团南京邮电大学委员会 All right reserved.

Powered by Qingyou Studios.