基于脑电波传感器的可控灯设计

引言

生物电现象是生物活动的基本特征之一,脑电波是生物电的一种。人类在进行思维活动时,在大脑产生的生物电信号主要表现为脑电波,通过将脑电波模块的电极贴片放置在额头与耳垂处,对脑电波进行测量与研究。自20世纪以来,人们对脑电波的研究逐渐深入,拓宽了对人脑的认识。未来,人类若能够对不同人的脑电波参数特性进行提取,将它应用于安保方面,其安全性会比目前的指纹、虹膜扫描等方法更高:脑电波技术还可以为残障人士服务,比如用脑电波进行运动控制的智能轮椅等,通过人脑的控制改变轮椅的运动姿态。

根据对脑电波信号的采集与分析,结合LabV1Ew虚拟仪器设计,本文研发了基于脑电波信号控制的意念可控灯,利用Mindband脑电波传感器采集脑电波信号,再通过内部的ThinkGear芯片对采集数据进行技术处理,经蓝牙模块将数据传输进上位机所在的LabV1Ew中进行数据包解析与提取,最终实现人脑对灯具开关的控制。

1意念可控灯的设计原理

意念可控灯的设计是基于神念科技的脑电波传感器Mindband的二次开发,可进行由脑电波信号控制灯具开关状态的研究。Mindband脑电波传感器采用脑机接口技术采集脑电波数据,通过内部ThinkGear芯片对采集的数据进行处理,经内置蓝牙提供数据发送。意念可控灯系统中,蓝牙模块接收到的数据包经上位机LabV1Ew解析后,再通过PC1二6221数据采集卡传送数据到nextboard,进而实现对虚拟灯具开关进行控制的预期目标。意念可控灯的系统框图如图1所示。

2脑电波信号的采集系统硬件设计

2.1TGAM模块及辅助装置

整个获取脑电波数据的系统由TGAM模块、Bluetooth模块、耳夹、干电极、电源等组件组成。由TGAM模块、Bluetooth模块、干电极、耳夹、电源构成的部分可以完成脑电波的采集和特性的提取,软件内编入对应的算法,将采集的脑电波转为可读信号,功能的实现依靠不同频率的脑电波信号,可以处理并输出脑电波频率谱、脑电波信号质量、原始脑电波数据和Neurosky的esense参数（皱眉侦测）。

2.2数据采集模块

系统采用的是N1PC1二6221数据采集卡和nextboard,整个系统从被测对象开始,将信号送至数据采集卡进行采集,然后用LabV1Ew进行处理。PC1二6221数据采集卡具有2路16位模拟输出,可溯源至N1sT的校准证书:还有70多个信号调理选项,可关联D10,是N1二DA0mx驱动软件和N1LabV1EwsignalExpressLE交互式数据记录软件。它具有5倍采样速率的高速M系列和4倍分辨率的高精度M系列可供选择。根据设计所需实现的功能,利用PC1二6221多功能数据采集卡的模拟输入端口、模拟输出端口。nextboard具有6个独立实验插槽,可支持6种不同实验联动工作,其中有4个模拟插槽和2个数字插槽。nextboard可为实验提供5个电压等级的大功率独立电源,它的面板支持自搭电路,但是需要N1M系列或x系列数据采集卡支持。本文采用的数据采集卡是PC1二6221,可作为N1数据采集卡接线端子,配合实验使用。

2.3LED灯

系统需外接一个LED灯或在程序中添加指示灯,通过皱眉控制LED灯的亮灭。

3软件设计

3.1软件开发环境一LabVIEw

LabV1Ew是一种用图标创建应用程序的图形化编程语言,采用数据流编程方式,程序框图中节点之间的数据流向决定了V1及函数的执行顺序。

通过LabV1Ew的图形化方法,可以加速开发,也可以很直观地看出参数的变化,在V1的技术支持下,用户可以任意设计自己的仪器系统,集测量仪、记录、信号分析、控制等功能于一体,通过在同一基本硬件上配置不同的软件实现。

3.2系统软件设计

3.2.1设计方法

程序设计框图如图2所示,LabV1Ew接收到数据后,先判断数据是否完整,如果接受完成则开始解析数据,解析出可利用的参数为皱眉信号。利用解析出的皱眉信号控制LED的亮灭。当参数达到一定阈值后,LED点亮:当参数连续两次达到一定的阈值时,LED熄灭。

3.2.2脑电波信号采集及分析

(1）脑电波信号采集。此研究采用民用脑波获取模块TGAM模块,将电极置于额头处,将两个电极分别夹于两个耳垂,便可以获取脑电波数据。再通过其内置的算法,将噪声过滤并采用蓝牙模块将数据传输到电脑LabVIEw中,通过设计算法分析传输过来的数据包,得到对应的数值。本项目是通过LabVIEw设计串口程序来分析所获取的数据包。

(2）脑电波信号分析。利用TGAM模块采集到的脑电波信号通常以数据包的格式展现,数据包格式以及对原始数据包的处理与校验流程如图3所示。首先,将采集好的数据包存放在数组中,并在波形图以及文本框图中显示。如图3的小包中只有rawdata为有用数据,可以说一个小包就是一个原始数据,大约每秒钟会有512个原始数据。将04后面的4个字节加起来,取反,再取低八位,如果算出来的sum和xxChecksum是相等的,则说明此包是正确的,然后再计算rawdata,否则直接忽略此包。当丢包率在10%以下时,不会对最终结果造成影响。

3.2.3灯亮灭控制

通过脑电波皱眉动作的监测,发现皱眉带来的波动幅值明显高于原始脑电波信号,如果不停地皱眉,则几乎会覆盖原始纯净脑电。所以,通过皱眉一次带来的幅值上升可用来控制LED的点亮,通过皱眉两次可用来控制LED灯的熄灭。

4结语

本文通过LabVIEw串口程序来收集皱眉信号,以通过皱眉一次和两次实现对灯具开关的控制。皱眉一次可实现LED的点亮,皱眉两次可实现LED的熄灭。目前可以通过皱眉一次和皱眉两次控制LED的亮灭,后续还会进一步优化此设计,不仅通过眨眼信号可以控制开关,甚至当我们脑海里想的是开灯时,灯就会打开,实现真正的意念可控。