腦控變色小彩燈

黃纓婷 安宏博 趙功博 王晨

1.陜西智聯腦控科技有限公司 陜西西安 710000 2.西北大學 陜西西安 710000

1 概述

腦機接口BCI 技術形成于20 世紀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系統認識的提高和計算機應用技術的發展，越來越多的科研工作者對腦電波信號頗有興致，BCI 技術的研究趨勢在明顯上升。一個典型的BCI 系統應該包括信號采集、數據處理、控制設備和結果反饋四個要素，其中數據處理包括特征檢測和意念識別兩個環節[2]。BCI 系統結構如圖1 所示。

圖1 BCI 系統結構圖

隨著各類生物電傳感器不斷涌現，BCI 技術水平也得到了極大的提升，其應用呈現出多領域、多元化發展[3]。BCI 醫療應用可以幫助重度殘疾患者獨立工作，提高生活質量，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 系統控制拼寫設備、燈光和溫度環境、假肢設備等；在神經物理調節與康復上，為治療注意缺陷、多動障礙、記憶障礙、癲癇和中風等神經障礙患者提供了一種可能?？傊?，腦-機接口BCI 技術在當今已出現多領域應用成為生物醫學工程、計算機和通信技術等領域一個新的研究熱點，對實現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 全彩燈系統設計與實現

2.1 系統整體設計

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

2.2 硬件部分

（1）單通道腦電信號采集模塊。設計采用神念科技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，不需要使用導電膠。單通道的腦電EEG 有三個干接觸點：額前腦電采集點、地線點和參考點。TGAM 模塊采集到原始腦電數據后處理并輸出三個eSense 參數：專注度、放松度和眨眼力度，利用采集到的原始腦電數據和專注度參數attention 來控制RGB 全彩燈的開關以及顏色的變換。

（2）腦電信號與PC 機藍牙傳輸模塊。將所采集到的腦電數據通過藍牙發送給PC 端，在計算機中使用藍牙串口接收并解析數據。使用藍牙4.0 無線通信不僅節約成本，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據的穩定性和可靠性。

（3）RGB 全彩燈控制模塊。本設計微控制單元MCU 所采用的是STC89C52 單片機，是一種低功耗、高性能的微控制器。負責接收串口指令以及控制下位機RGB 全彩燈的開關和變換。P30和P31 管腳連接接收RXD 和發送TXD，RGB 全彩燈的三個引腳由P00-P02 所控制，其余引腳連接至VCC 和GND 即可。

（4）RGB 全彩燈模塊設計。RGBLED 全彩燈由單片機直接進行控制，在設計全彩燈時，需要在R、G、B 三個引腳處分別串接一個限流電阻，防止單片機所提供電源過大而導致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 系統軟件實現包括兩部分：MCU 單片機編程和Python 數據接收解析。給單片機編寫程序采用的是Keil4，主要實現的是對RGB 彩燈的控制功能。使用Pycharm 軟件編程來接收藍牙串口數據并解析，然后生成計算機指令通過串口通訊發送給單片機，進而控制RGB小彩燈。

整個BCI 系統軟件實現流程如圖3.6 所示，當程序開始運行后，先進行接收藍牙串口所發送的EEG 數據然后對其進行解析得到專注度attention 參數的值，等待“開燈”或“關燈”按鈕閃爍時并眨眼，控制彩燈的開關狀態，等待R/G/B 按鈕閃爍時并調節用戶專注度，進行改變彩燈的顏色。

（2）用戶聯合腦電控制下位機的GUI 界面設計。為方便用戶選擇控制RGB 小彩燈的功能，設計了一個友好的控制界面。界面包含五個控制功能選擇模塊，并在界面中實時顯示用戶的專注度和視覺阻塞信號，設有開始和結束體驗腦控變色小彩燈兩個按鈕。當點擊“開始體驗”后，用戶可以用腦電波控制RGB 小彩燈；點擊“結束體驗”后退出程序。

3 結語

本設計所實現的腦控變色小彩燈是利用腦電視覺阻塞和attention 信號進行選擇控制功能與調節顏色變換的，實現了連續指令控制的BCI 系統。由計算機發送單指令控制彩燈的開/關，發送連續指令調節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雜且非平穩的隨機信號，信號中包含加性高斯白噪聲，因此要在用戶腦電波相對穩定時進行控制小彩燈BCI 系統，體驗效果會更佳。