基于腦電波應用與信息處理的 意念四驅(qū)車

朱丹陽 劉靖宇 胡鵬飛 任曉旭 陳皓

摘 要：大腦健康一直是被人們忽略的重要問題，如何通過趣味十足的方式來提高注意力，放松能力，記憶力及大腦的敏銳度，以改善人們獲取知識時的大腦狀態(tài)，是許多科學家研究的熱門方向。文中設(shè)計了一款八通道頭戴儀，可準確監(jiān)測頭部腦電波變化，更加精確地控制意念四驅(qū)車。

關(guān)鍵詞：意念四驅(qū)車；腦電波；信號處理

1 作品簡介

大腦健康一直是被人們忽略的重要問題，如何通過趣味十足的方式來提高注意力，放松能力，記憶力及大腦的敏銳度，以改善人們獲取知識時的大腦狀態(tài)，是許多科學家研究的熱門方向?；诂F(xiàn)代腦機接口技術(shù)（BCI）的快速發(fā)展，人們有了更多的方式來和大腦實現(xiàn)“對話”。

本團隊從青少年喜愛的四驅(qū)車切入，使用腦電模塊TGAM檢測出數(shù)值，使用干電極讀取人的大腦信號，經(jīng)過算法分析處理之后變?yōu)閿?shù)字信號，實現(xiàn)了利用腦電波控制四驅(qū)車的功能，青少年可以通過集中注意力或者放松自己來控制四驅(qū)車的速度，繼而方便青少年在娛樂的同時鍛煉自身注意力及對自身情緒的控制能力?，F(xiàn)在市場上的頭戴儀大多是單通道或三通道，本團隊自主開發(fā)出了八通道頭戴儀，更加精確地監(jiān)測頭部腦電波的變化，使得對四驅(qū)車的控制更加靈敏。四驅(qū)車模型如圖1所示。

2 工作原理

運用腦電模塊TGAM檢測出數(shù)值，使用干電極讀取人的大腦信號，可以過濾掉周圍的噪音和電器的干擾，并將檢測到的大腦信號轉(zhuǎn)成數(shù)字信號。我們通過分析數(shù)字信號，將其轉(zhuǎn)化為手機可視的數(shù)據(jù)，主要分析的數(shù)據(jù)有注意力和放松力。之后通過將藍牙解析出的數(shù)據(jù)傳給智能小車，通過編程解析轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，使其可以控制小車運動，工作原理如圖2所示。

實現(xiàn)意念四驅(qū)車主要功能的模塊：腦電檢測模塊使用干電極收集大腦所發(fā)出的腦電波信號，通過算法過濾掉周圍環(huán)境中對于信號的干擾并轉(zhuǎn)換成可以實現(xiàn)控制的數(shù)字信號；藍牙HC-05模塊將腦電檢測模塊處理之后的數(shù)字信號傳輸?shù)剿尿?qū)車電路板上；51單片機將處理所得的數(shù)字信號變成實際的機械控制；機械傳動模塊實現(xiàn)傳輸信號的具體控制。意念四驅(qū)車內(nèi)部電路及參數(shù)指標如圖3所示。

2.1 TGAM模塊基本信息

TGAM是世界上最受歡迎的腦電解決方案。它使用干電極讀取人的大腦信號，可以過濾掉周圍的噪音和電器的干擾，并將檢測到的大腦信號轉(zhuǎn)成數(shù)字信號。目前腦電技術(shù)已經(jīng)廣泛應用在游戲、健康、教育、玩具及研究中。

TGAM模塊內(nèi)含TGAT芯片，該芯片是一個高度集成的單一芯片腦電傳感器，可以輸出三個Neurosky的eSense參數(shù)，可以進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，檢測接觸不良的異常狀態(tài)，過濾掉眼電噪音及50/60 Hz交流電干擾。TGAM的價格適中，已大量應用于玩具、移動設(shè)備、教育產(chǎn)品等。TGAM模塊連接示意如圖4所示。

2.2 TGAM模塊產(chǎn)品規(guī)格

（1）能直接連接干接觸點，不像傳統(tǒng)醫(yī)學用的濕傳感器使用時需要上導電膠；

（2）單EEG腦電通道有3個接觸點：EEG（腦電采集點）、REF（參考點）、GND（地線點）；

（3）上電后若接觸點連續(xù)4 s沒有采集到腦電或連續(xù)7 s收到差的腦電信號，本智慧模塊會通過“信號質(zhì)量強度”模塊發(fā)出警告，提醒用戶調(diào)整傳感器；

（4）先進的噪音過濾技術(shù)，能阻擋日常生活中環(huán)境里的各種干擾；

（5）低能耗，是適合便攜式消費產(chǎn)品的電池供電設(shè)備，

3.3 V供電下最大消耗為15 mA；

（6）原始腦電數(shù)據(jù)以512 Hz輸出。

2.3 產(chǎn)品測量量

（1）原始腦波信號；

（2）處理和輸出α，β等腦波波段數(shù)據(jù)；

（3）處理和輸出Neurosky（神念科技）獲得專利技術(shù)的eSense專注度和放松度指數(shù)及未來開發(fā)的其他數(shù)據(jù)；

（4）嵌入式的信號質(zhì)量分析功能能警告接觸不良或是完全沒接觸的異常狀態(tài)；

（5）眨眼偵測。

2.4 產(chǎn)品物理參數(shù)規(guī)格

（1）規(guī)模尺寸（最大）2.79 cm×1.52 cm×0.25 cm；

（2）重量（最大）130 mg；

（3）采樣率：512 Hz；

（4）頻率范圍：3～100 Hz；

（5）靜電保護：4 kV接觸放電，8 kV隔空放電；

（6）最大消耗功率：15 mA / 3.3 V；

（7）運行電壓：2.97～3.63 V。

2.5 UART（串口）標準輸出接口

（1）1 200，9 600，57 600波特率；

（2）8 bits；

（3）No parity；

（4）1 stop bit。

TGAM模塊實物如圖5所示。

2.6 藍牙HC-05模塊

HC-05是主從一體化的藍牙串口模塊，主從可指令切換，指令豐富齊全（供電電壓為3.3～3.6 V）。

主機：用來搜索從設(shè)備，不能被其他設(shè)備搜索。

從機：用來被搜索的設(shè)備，不能主動搜索其他設(shè)備。

主從機連接后相當于使用一根串口線，此時不分主從，即透傳模式：

（1）采用CSR主流藍牙芯片，藍牙V2.0協(xié)議標準。

（2）模塊供電電壓：3.3～3.6 V。

（3）默認參數(shù)：波特率為9 600、配對碼為1234、工作模式為從機。

（4）核心模塊尺寸為：27 mm×13 mm×2 mm。

（5）工作電流：不大于50 mA（以實測為準）。

（6）通訊距離：空曠條件下為10 m，正常使用環(huán)境約為8 m。

（7）用于GPS導航系統(tǒng)，水電煤氣抄表系統(tǒng)，工業(yè)現(xiàn)場采控系統(tǒng)，可以與藍牙筆記本電腦、電腦加藍牙適配器、PDA等設(shè)備進行無縫連接。