基于穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位的電力載波傳輸控制系統(tǒng)研究

摘 要： 利用人體的腦電信號(hào)控制外界的設(shè)備是一種新型的人機(jī)交互方式，依此展開了基于穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位的電力載波傳輸控制系統(tǒng)的研究。設(shè)計(jì)了一套腦電實(shí)時(shí)控制家庭終端的新型智能家居系統(tǒng)。系統(tǒng)中融合了電力載波通信技術(shù)，不僅解決了那些行動(dòng)不便的人群與外界交流的問題，也解決了傳統(tǒng)控制模式中射頻干擾與傳輸距離限制的問題。系統(tǒng)采用單片機(jī)控制LED作為視覺刺激器。腦電算法處理在LabVIEW平臺(tái)上進(jìn)行，利用功率譜估計(jì)實(shí)時(shí)提取誘發(fā)電位向量，產(chǎn)生腦_機(jī)接口控制命令，控制命令通過電力載波模塊實(shí)現(xiàn)在家用電力線的傳輸，并最終在家庭終端實(shí)現(xiàn)動(dòng)作控制。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)平均識(shí)別率在95%以上，平均單次對(duì)家電開關(guān)控制的時(shí)間在6 s左右。

關(guān)鍵詞： 腦機(jī)接口； 智能家居； 穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位； 電力載波

中圖分類號(hào)： TN911.7?34； TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）13?0137?03

Abstract： It is a new man?machine interaction way to control the external devices with the human EEG. Therefore， the power line carrier transmission control system based on steady state visual evoked potential （SSVEP） is researched. A set new intelligent home system to control the home terminals with EEG in real time was designed. The power line carrier communication technology is integrated in the system to solve the communication problem between the man of limited mobility and outside world， and also solve the limitation problem between RF interference and transmission distance of the traditional control mode. The LED controlled by single chip microcomputer is taken as the visual stimulator in the system. The EEG algorithm is processed on LabVIEW platform， in which the power spectrum estimation is used to extract the evoked potential vector in real time to generate the brain?computer interface （BCI） control command. The control command can realize the household power line transmission through the power line carrier module and operation control in home terminal. The experimental results verify that the average recognition rate of the designed system can reach up to 95%， and the average control time for single household app?liance switch is about 6 seconds.

Keywords： BCI； smart home； steady state visual evoked potential； power line carrier

0 引 言

腦機(jī)接口（Brain Computer Interface，BCI）是一種不同于人腦正常傳播機(jī)理的通信方式，它運(yùn)用工程技術(shù)手段建立人腦與機(jī)器之間的交互。這種無(wú)需肢體運(yùn)動(dòng)便可實(shí)現(xiàn)外界控制的交互模式，非常適用于老年人與殘障人士等不具備肢體表達(dá)能力的人群。在運(yùn)動(dòng)康復(fù)領(lǐng)域也有著十分重要的作用和研究意義。BCI技術(shù)的發(fā)展為思維正常但是有嚴(yán)重運(yùn)動(dòng)障礙的人與外界交流提供新的途徑[1]。視覺誘發(fā)電位（Visual Evoked Potential，VEP）是腦電誘發(fā)電位的一種，根據(jù)刺激信號(hào)的不同可以分為瞬態(tài)視覺誘發(fā)電位和穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位SSVEP（Steady State VEP）。瞬態(tài)誘發(fā)電位的刺激頻率一般不超過4 Hz，當(dāng)新刺激來(lái)到之前上一個(gè)刺激響應(yīng)已經(jīng)結(jié)束，各次刺激形成的響應(yīng)在時(shí)間上互不重疊，而穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位的刺激頻率一般超過6 Hz，并且各次刺激引起的響應(yīng)在時(shí)間上發(fā)生重疊。SSVEP具有高信息傳輸率，較短訓(xùn)練時(shí)間和易于提取等優(yōu)點(diǎn)，因而SSVEP是控制系統(tǒng)輸入信號(hào)。

電力線通信技術(shù)（Power Line Communication，PLC）是一種利用中、低壓電力線作為通信介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、信號(hào)、圖像、命令等綜合業(yè)務(wù)傳輸?shù)耐ㄐ偶夹g(shù)。其具有覆蓋范圍廣、不用打破原有布線方式、一線兩用、各類用電器均可直接作為鏈接終端等優(yōu)勢(shì)，因此被廣泛用在遠(yuǎn)程抄表、智能家居等領(lǐng)域[2]。

傳統(tǒng)穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位腦電信號(hào)的控制系統(tǒng)中，控制命令往往通過無(wú)線通信技術(shù)進(jìn)行傳輸。但是無(wú)線傳輸具有無(wú)法穿越墻體，特殊環(huán)境無(wú)線頻譜受限等缺點(diǎn)。因此，設(shè)計(jì)了基于穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位的電力載波傳輸控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了SSVEP信號(hào)在以電力線為傳輸線路的基礎(chǔ)上對(duì)家庭終端的控制[3?4]。

1 系統(tǒng)構(gòu)建簡(jiǎn)介

基于穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位的電力載波傳輸控制系統(tǒng)包括：穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位信號(hào)誘發(fā)與采集，腦電信號(hào)處理，電力載波傳輸與控制三個(gè)環(huán)節(jié)，系統(tǒng)如圖1所示。所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主要包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制的LED腦電刺激器、腦電信號(hào)采集器、LabVIEW上位機(jī)腦電信號(hào)處理平臺(tái)、電力載波模塊與外圍控制電路。

2 信號(hào)誘發(fā)與采集

視覺刺激器提供外部視覺刺激和與人體交互的外部裝置，主要功能是產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位信號(hào)。一般有二極管閃爍和顯示屏閃爍兩種方式。為實(shí)現(xiàn)最佳視覺刺激效果，提取可靠的穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位，系統(tǒng)選用二極管閃爍的模式。視覺刺激器以ATmega16為控制核心，控制5路分別以14 Hz，14.5 Hz，15 Hz，15.5 Hz，16 Hz，16.5 Hz，17 Hz，17.5 Hz頻率閃爍的2 cm×2 cm的LED發(fā)光塊，其中對(duì)應(yīng)四種家用電器的開關(guān)狀態(tài)。對(duì)于視覺和認(rèn)知能力正常的人，眼睛經(jīng)過視覺刺激后會(huì)在枕區(qū)位置產(chǎn)生特定的電位信號(hào)，即穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位。

系統(tǒng)的采集電極采用Ag?AgCl電極。采集模塊中采用北京中科新拓儀器有限公司生產(chǎn)的NT9200系列的數(shù)字腦電圖儀，其在對(duì)人體穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位信號(hào)采集放大的同時(shí)還可以硬件濾波，可以去除人體肌電、眼電、體表靜電和工頻干擾等噪音信號(hào)。其在對(duì)腦電信號(hào)完成模/數(shù)轉(zhuǎn)換后通過USB接口傳送給上位機(jī)腦電處理平臺(tái)。

3 腦電信號(hào)處理

經(jīng)過NT9200系列數(shù)字腦電圖儀傳送給上位機(jī)的EEG是一種生物信號(hào)，其無(wú)法實(shí)現(xiàn)直接對(duì)電子設(shè)備的控制，必須經(jīng)過特征提取，在特征提取完成后還需要進(jìn)行識(shí)別分類，最終才能轉(zhuǎn)為控制指令。

3.1 特征提取

功率譜定義了單位頻帶內(nèi)信號(hào)功率隨頻率的分布情況，可以對(duì)隨機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效分析，對(duì)差別較小的源信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮，提取有用信息。利用特征提取算法提取出最大功率對(duì)應(yīng)的頻率值作為特征值，再與設(shè)定值進(jìn)行模板匹配就可以將腦電信號(hào)轉(zhuǎn)化為控制信號(hào)。

具體算法為（周期圖法）：將采集到的信號(hào)的個(gè)有限觀測(cè)數(shù)列進(jìn)行Fourier變換，然后求得功率譜密度。假設(shè)有限長(zhǎng)隨機(jī)信號(hào)為它的Fourier變換和功率譜估計(jì)公式的關(guān)系為式中，為隨機(jī)信號(hào)序列的長(zhǎng)度。在離散的頻率點(diǎn)處可得：

3.2 腦電信號(hào)處理實(shí)現(xiàn)

腦電信號(hào)處理平臺(tái)在LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）平臺(tái)上搭建，在LabVIEW平臺(tái)信號(hào)處理工具包中調(diào)用自功率譜VI實(shí)現(xiàn)算法。通過上位機(jī)串口模塊將控制信號(hào)傳給電力載波模塊[5]，具體程序如圖2所示。

4 電力載波傳輸與控制

電力載波傳輸與控制環(huán)節(jié)以帶有調(diào)制解調(diào)功能的PL3105主控制芯片設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，PL3105是專門為智能信息家電，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)和自動(dòng)抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì)的單芯片片上系統(tǒng)，其以擴(kuò)展通信理論為核心，可以有效抑制干擾，在電力載波通信方面具有很大優(yōu)勢(shì)。電力載波與家庭終端部分硬件設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。其中主機(jī)串口負(fù)責(zé)接收上位機(jī)腦機(jī)接口部分傳輸?shù)目刂泼睿?jīng)過主MCU中的程序判斷，通過電力線發(fā)送給從機(jī)。從機(jī)通過控制繼電器的開合實(shí)現(xiàn)腦電信號(hào)對(duì)終端的控制實(shí)驗(yàn)[6?8]。

首先主程序負(fù)責(zé)對(duì)芯片初始化，如載波模式設(shè)置，串口通信的設(shè)置以及中斷的設(shè)置等，其中主機(jī)的載波模式設(shè)置為發(fā)送模式，從機(jī)的載波模式設(shè)置為接收模式。主機(jī)在接收到上位機(jī)串口發(fā)送的命令以后，轉(zhuǎn)入中斷模式，在中斷程序中根據(jù)命令的不同將數(shù)據(jù)發(fā)往不同的地址，從機(jī)中只有地址相同的模塊才允許應(yīng)答。在從機(jī)的中斷程序中實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的同步判斷以及外圍電器的控制[9]。發(fā)送程序中加入同步幀是因?yàn)殡娏€有噪聲存在，中斷發(fā)送，接收中斷程序如圖4，圖5所示。

5 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

5.1 實(shí)驗(yàn)步驟

穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位信號(hào)是人眼對(duì)外界刺激的一種反應(yīng)，因此受試者幾乎不需要訓(xùn)練。實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)在一個(gè)相對(duì)安靜的環(huán)境下進(jìn)行，選取6名15～30歲之間的受試者，其中3名女性，3名男性。實(shí)驗(yàn)過程如圖6，圖7所示，讓這6名受試者進(jìn)行雙眼集中注意力的實(shí)驗(yàn)。以保證其在LED燈光刺激下能集中注意力完成實(shí)驗(yàn)。首先讓受試者熟悉實(shí)驗(yàn)步驟。接著受試者帶上電極，將銀盤電極置于受試者腦部枕區(qū)的O2處，此處為記錄腦電數(shù)據(jù)的導(dǎo)聯(lián)； 同時(shí)安放雙耳參考電極，實(shí)驗(yàn)開始后，保持實(shí)驗(yàn)環(huán)境安靜，受試者專注實(shí)驗(yàn)。告知受試者，對(duì)相應(yīng)的電器做控制，受試者按照提示注視相應(yīng)的LED控制家電。記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

5.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

家電成功操作記為成功，否則記為失敗，計(jì)算成功率見表1。通過實(shí)驗(yàn)證明基于穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位的電力載波傳輸控制系統(tǒng)具有比較高的識(shí)別率，能夠較好地完成對(duì)家庭終端的控制，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有可行性與實(shí)用性，具有比較高的應(yīng)用價(jià)值。

6 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)探索了BCI技術(shù)與電力載波通信技術(shù)的融合，其與電力載波技術(shù)的融合可以實(shí)現(xiàn)在不需要另外搭設(shè)通信網(wǎng)絡(luò)的前提下實(shí)現(xiàn)通信。BCI技術(shù)以其巨大的應(yīng)用前景已經(jīng)成為近年來(lái)最令人期待的學(xué)科。其研究已經(jīng)成為腦科學(xué)、康復(fù)工程、生物醫(yī)學(xué)工程等一個(gè)熱點(diǎn)前沿?？傮w而言，腦機(jī)接口目前還處于發(fā)展階段，研究面臨著眾多的難題，如速度低，不穩(wěn)定等。但是其在諸多領(lǐng)域的潛在研究?jī)r(jià)值是巨大的，隨著關(guān)鍵技術(shù)的解決和其他學(xué)科技術(shù)的發(fā)展，相信在將來(lái)，腦機(jī)接口技術(shù)將在諸多領(lǐng)域中起到關(guān)鍵作用。

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