黃纓婷 安宏博 趙功博 王晨

1.陜西智聯(lián)腦控科技有限公司 陜西西安 710000 2.西北大學(xué) 陜西西安 710000

1 概述

腦機(jī)接口BCI 技術(shù)形成于20 世紀(jì)70 年代[1]，至今已有近四十年的研究歷程。近年來，隨著人們對大腦神經(jīng)系統(tǒng)認(rèn)識的提高和計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，越來越多的科研工作者對腦電波信號頗有興致，BCI 技術(shù)的研究趨勢在明顯上升。一個(gè)典型的BCI 系統(tǒng)應(yīng)該包括信號采集、數(shù)據(jù)處理、控制設(shè)備和結(jié)果反饋四個(gè)要素，其中數(shù)據(jù)處理包括特征檢測和意念識別兩個(gè)環(huán)節(jié)[2]。BCI 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 BCI 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

隨著各類生物電傳感器不斷涌現(xiàn)，BCI 技術(shù)水平也得到了極大的提升，其應(yīng)用呈現(xiàn)出多領(lǐng)域、多元化發(fā)展[3]。BCI 醫(yī)療應(yīng)用可以幫助重度殘疾患者獨(dú)立工作，提高生活質(zhì)量，利用腦電圖（electroencephalo-graph，EEG）信號來鑒別腫瘤；在通信和控制方面，可以利用BCI 系統(tǒng)控制拼寫設(shè)備、燈光和溫度環(huán)境、假肢設(shè)備等；在神經(jīng)物理調(diào)節(jié)與康復(fù)上，為治療注意缺陷、多動(dòng)障礙、記憶障礙、癲癇和中風(fēng)等神經(jīng)障礙患者提供了一種可能。總之，腦-機(jī)接口BCI 技術(shù)在當(dāng)今已出現(xiàn)多領(lǐng)域應(yīng)用成為生物醫(yī)學(xué)工程、計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)等領(lǐng)域一個(gè)新的研究熱點(diǎn)，對實(shí)現(xiàn)新型智能家居和人工智能等方面有著重要意義。

2 腦電波控制RGB 全彩燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

腦控變色小彩燈系統(tǒng)框圖。通過TGAM 腦波傳感器來采集用戶額前單通道腦電信號，然后傳輸給藍(lán)牙主機(jī)并生成計(jì)算機(jī)指令，由STC89C52 單片機(jī)控制RGB 全彩燈模塊。

2.2 硬件部分

（1）單通道腦電信號采集模塊。設(shè)計(jì)采用神念科技Neurosky Think Gear AM（TGAM）腦電模塊來獲取用戶額前單通道腦電信號。TGAM 腦電模塊可以連接干接觸點(diǎn)，不需要使用導(dǎo)電膠。單通道的腦電EEG 有三個(gè)干接觸點(diǎn)：額前腦電采集點(diǎn)、地線點(diǎn)和參考點(diǎn)。TGAM 模塊采集到原始腦電數(shù)據(jù)后處理并輸出三個(gè)eSense 參數(shù)：專注度、放松度和眨眼力度，利用采集到的原始腦電數(shù)據(jù)和專注度參數(shù)attention 來控制RGB 全彩燈的開關(guān)以及顏色的變換。

（2）腦電信號與PC 機(jī)藍(lán)牙傳輸模塊。將所采集到的腦電數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙發(fā)送給PC 端，在計(jì)算機(jī)中使用藍(lán)牙串口接收并解析數(shù)據(jù)。使用藍(lán)牙4.0 無線通信不僅節(jié)約成本，降低延遲，而且可以超長有效距離連接，保證TGAM 中所采集到的腦電數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和可靠性。

（3）RGB 全彩燈控制模塊。本設(shè)計(jì)微控制單元MCU 所采用的是STC89C52 單片機(jī)，是一種低功耗、高性能的微控制器。負(fù)責(zé)接收串口指令以及控制下位機(jī)RGB 全彩燈的開關(guān)和變換。P30和P31 管腳連接接收RXD 和發(fā)送TXD，RGB 全彩燈的三個(gè)引腳由P00-P02 所控制，其余引腳連接至VCC 和GND 即可。

（4）RGB 全彩燈模塊設(shè)計(jì)。RGBLED 全彩燈由單片機(jī)直接進(jìn)行控制，在設(shè)計(jì)全彩燈時(shí)，需要在R、G、B 三個(gè)引腳處分別串接一個(gè)限流電阻，防止單片機(jī)所提供電源過大而導(dǎo)致LED 燈燒壞。

2.3 軟件部分

（1）腦控RGB 全彩燈軟件編程。腦控變色小彩燈BCI 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)包括兩部分：MCU 單片機(jī)編程和Python 數(shù)據(jù)接收解析。給單片機(jī)編寫程序采用的是Keil4，主要實(shí)現(xiàn)的是對RGB 彩燈的控制功能。使用Pycharm 軟件編程來接收藍(lán)牙串口數(shù)據(jù)并解析，然后生成計(jì)算機(jī)指令通過串口通訊發(fā)送給單片機(jī)，進(jìn)而控制RGB小彩燈。

整個(gè)BCI 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)流程如圖3.6 所示，當(dāng)程序開始運(yùn)行后，先進(jìn)行接收藍(lán)牙串口所發(fā)送的EEG 數(shù)據(jù)然后對其進(jìn)行解析得到專注度attention 參數(shù)的值，等待“開燈”或“關(guān)燈”按鈕閃爍時(shí)并眨眼，控制彩燈的開關(guān)狀態(tài)，等待R/G/B 按鈕閃爍時(shí)并調(diào)節(jié)用戶專注度，進(jìn)行改變彩燈的顏色。

（2）用戶聯(lián)合腦電控制下位機(jī)的GUI 界面設(shè)計(jì)。為方便用戶選擇控制RGB 小彩燈的功能，設(shè)計(jì)了一個(gè)友好的控制界面。界面包含五個(gè)控制功能選擇模塊，并在界面中實(shí)時(shí)顯示用戶的專注度和視覺阻塞信號，設(shè)有開始和結(jié)束體驗(yàn)?zāi)X控變色小彩燈兩個(gè)按鈕。當(dāng)點(diǎn)擊“開始體驗(yàn)”后，用戶可以用腦電波控制RGB 小彩燈；點(diǎn)擊“結(jié)束體驗(yàn)”后退出程序。

3 結(jié)語

本設(shè)計(jì)所實(shí)現(xiàn)的腦控變色小彩燈是利用腦電視覺阻塞和attention 信號進(jìn)行選擇控制功能與調(diào)節(jié)顏色變換的，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)指令控制的BCI 系統(tǒng)。由計(jì)算機(jī)發(fā)送單指令控制彩燈的開/關(guān)，發(fā)送連續(xù)指令調(diào)節(jié)R/G/B 的值以改變彩燈的顏色。但由于腦電信號是一種極其復(fù)雜且非平穩(wěn)的隨機(jī)信號，信號中包含加性高斯白噪聲，因此要在用戶腦電波相對穩(wěn)定時(shí)進(jìn)行控制小彩燈BCI 系統(tǒng)，體驗(yàn)效果會更佳。