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用模拟蓝牙键盘的方式远程采集实验数据

范文

王国芳

《中小学综合实践活动课程指导纲要》的附件中提供了一个活动范例，名称为《用计算机做科学实验》。活动内容是借助计算机程序获取传感器实时采集的信息，并把这些信息记录在数据库中，然后对数据进行二次分析，验证假设甚至发现新的规律。通过这一活动让学生体验大数据时代的研究方法，提高探究真实问题、发现新规律的能力。

计算机采集实验数据的一般方式

科学实验的数据采集需要借助传感器，而现在绝大多数的计算机没有传感器的接口，一般的做法是利用具备模数转换器（也称A/D转换器）功能的单片机来读取传感器的数值，再通过通信技术将数值传输到计算机上。Arduino、micro：bit和掌控板等开源硬件就是中小学教学中最常用的单片机。

按照通信的方式，物联网通信技术大致分为有线传输、短距离无线传输、长距离无线传输和传统网络传输四类。在如下表所示的通信技术中，采用USB线虚拟串行通信和Wi-Fi最为常用，如Arduino和micro：bit采用的是串行通信，而掌控板不仅支持串行通信，还支持蓝牙和Wi-Fi。

不管采用的是下表中哪一种通信方式，计算机端都需要采用专业工具，或者编写程序来读取并存储数据，然后进行数据的统计和分析。对于这些技术普通的信息技术教师来说都有点陌生，更不用说科学、数学学科的教师了。其实大可不必担心，完成这类实验还有更加简单的实施方案，如采用蓝牙键盘的方式。

用蓝牙键盘方式采集实验数据的方案分析

掌控板采用的是ESP32芯片，本来就自带了蓝牙4.0，而且能够模拟为HID设备，如PPT遥控器、空中飞鼠等。那么，一个大胆的想法就产生了：既然可以将掌控板模拟为一个蓝牙键盘或者鼠标，那能不能将传感器的数据，以键盘输入的形式传送给电脑？

答案当然是肯定的。我们可以将借助于蓝牙键盘方式采集数据的方式，想象成一个工作敏捷的“输入员”一边看传感器数据，一边用蓝牙键盘将其快速输入到电脑中，工作流程如图1所示。

这样的做法虽然看起来有点“另类”，但优势却非常明显。

首先是通用性好。HID设备在不同操作系统下都是通用的，不用考虑操作系统，不用考虑硬件的兼容问题，电腦端也不需要做任何设置，只要连接上掌控板这一蓝牙设备即可。

其次是操作简单。因为数据是以键盘的形式输入，所以对数据的存储软件没有任何特殊要求。如果仅仅需要记录数据的“和”，就只需要用计算器软件即可。当然，对于科学实验中的数据，肯定需要保存下来，进行详细的统计，如平均值、最大值、最小值、众数、标准差等，还要绘制如柱状图、折线图之类的各种图形。那么普通用户只要打开Excel或者WPS软件即可完成。

模拟蓝牙键盘采集数据的代码实现

新版本的Mind+和mPython都提供了将掌控板模拟为HID设备的语句。这里强烈推荐创客铁熊为Mind+编写的“ESP32蓝牙键盘”库。笔者以Mind+为例，编写了一个很简单的程序：按下B开始采集光线数据，按下A键则停止，每隔5秒钟采集并输出一次数据，并用回车键进行换行。参考代码如图2所示。

将代码下载到掌控板上，重新启动后，电脑很快就能发现名称为“handpy”的蓝牙设备。连接方式、使用方法和其他蓝牙键盘、音箱几乎完全一致。

电脑端接收实验数据的多种方案

当蓝牙键盘不断输入数字，并且按下回车时，电脑端应该如何接收数据呢？方法当然很多了，这里提供三种方案，供大家参考。

方案1：使用Excel软件

Excel是最常见的数据统计工具，当蓝牙键盘连接上后，新建一个表格，选中“A1”单元格后按下掌控板的B键，每隔5秒钟光线传感器的数据就会自动输入到单元格中，并会自动换行，如图3所示。

方案2：用Mind+编程

因为Mind+中不能识别回车键这一动作，所以掌控板的代码中除了输出回车键外，还要输出另一种按键信息，如空格、箭头等。笔者写了一个简单的程序，能够将数据存到列表，并且能够实时统计，如图4所示。

方案3：用Python编程

用Python编程肯定是一个不错的选择，如图5所示。如果想更加直观一些，还可以利用Matplotlib库进行实时的绘图。

结语和启示

《用计算机做科学实验》是一个经典的STEM案例，涉及数据探究、传感器、开源硬件等方面的知识，甚至可以结合物联网技术做实验数据的远程采集。本文提供了一个操作简单且切实可行的解决方案，旨在降低技术门槛，让更多的老师对用传感器做科学实验产生兴趣。当然，用蓝牙键盘方式发送数据也有缺点，那就是两次发送数据的间隔时间不能太短，不能做频率特别快的实验。俗话说“尺有所短，寸有所长”。我们要根据真实的实验需求来选择合适的技术，没有必要追求高端和新奇。

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