畢業(yè)論文-腦波控制燈光系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

1、大連東軟信息學院本科畢業(yè)設計（論文）論文題目論文題目：腦波控制燈光系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)系 所： 電子工程系 專 業(yè)： 電子信息工程（嵌入式系統(tǒng)工程方向） 學生姓名： 學生學號： 指導教師： 導師職稱： 講師 完成日期： 2014年 5月 2日 大連東軟信息學院Dalian Neusoft University of Information大連東軟信息學院畢業(yè)設計（論文） 摘要- -腦波控制燈光系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)摘 要近年來，各種電子設備發(fā)展迅猛。移動終端設備，可穿戴設備，智能家居等在人們的生活中占據(jù)越來越多的部分。相對的人們與機器進行的交互也越來越多。鍵盤、觸摸屏等傳統(tǒng)人機交互方式已經(jīng)不能滿足一些特

2、殊場合的需求。腦波控制作為一種理想的控制方式走進人們的視野。腦波控制的研究工作涉及到很多不同的研究領域，如醫(yī)學、物理學、控制理論、認知學、人機工程學、心理學、計算機科學、傳感器技術等等。本文在對腦波控制的研究現(xiàn)狀進行綜述的基礎上，對腦波控制及其實現(xiàn)技術進行了研究。穿戴式設備和新興人機交互方式的開發(fā)在近幾年所占的比重越來越大。以更精確，更便捷，更實用，解放雙手為目標的新型交互方式也在飛速發(fā)展。作為人們現(xiàn)在所能想象中的終極交互方式“腦讀”，“腦寫”從人們的想象中被推進實驗室里。腦電波控制假肢，腦電波控制四軸飛行器，甚至腦電波控制非本體肢體等都有了相關消息。但是相對的完成的功能復雜所需要的設備也相對

3、復雜一些，本課題最終目標是實現(xiàn)小體積輕量化的可穿戴控制系統(tǒng)?？紤]到使用中的便攜性，采用了NeuroSky的TGAM模塊，單一干電極采集腦波，設計了基于單片機的硬件系統(tǒng)，并結合軟件編程完成腦波控制系統(tǒng)的開發(fā)，實現(xiàn)了通過腦波控制燈光的亮滅。關鍵詞：腦波控制，單片機，人機交互，大連東軟信息學院畢業(yè)設計（論文） AbstarctDesign and Implementation of Brainwave Control Lighting SystemAbstractIn recent years, the rapid development of a variety of electronic dev

4、ices . Mobile devices , wearable devices , intelligent home occupy more and more part in peoples lives. Relative machine interaction with people is also increasing . Keyboard , touch screen and other traditional human-computer interaction has been unable to meet the needs of some special occasions.

5、Brainwave control as an ideal control into the spotlight . Brainwave -controlled studies involving many different research fields , such as medicine , physics, control theory , cognitive science , ergonomics , psychology, computer science, sensor technology , and so on . Based on the current situati

6、on brainwave -controlled study conducted on the review of brainwave control technology and its implementation are studied .Wearable devices and the development of new human-computer interaction in recent years, the proportion is growing. More accurate, more convenient, more practical , hands targeti

7、ng also the rapid development of new interactive way . As people can now imagine the ultimate interactive mode brain reading , brain writing from peoples imagination is to promote the lab . Brain waves to control artificial limbs, brain wave control Four aircraft , and even brain waves to control th

8、e body limbs and so have non- related news . However, the device is relatively complex to complete the desired function is relatively complicated , the ultimate goal of this project is to achieve a small size light weight wearable control system.Taking into account the use of portability , using the

9、 NeuroSky s TGAM module , single dry electrode EEG acquisition , design microcontroller-based hardware system , combined with the completion of brainwave control software programming development system to achieve a brainwave controlled by light off .Key words: Brainwave control, MCU, Human-computer

10、interaction大連東軟信息學院畢業(yè)設計（論文） 目錄目錄 TOC o 1-3 u 摘 要 PAGEREF _Toc386462342 h IAbstract PAGEREF _Toc386462343 h II第1章緒 論 PAGEREF _Toc386462344 h 11.1 對腦機接口的研究成果 PAGEREF _Toc386462345 h 11.2 應用范圍 PAGEREF _Toc386462346 h 2第2章關鍵技術介紹 PAGEREF _Toc386462347 h 32.1 TGAM模塊 PAGEREF _Toc386462348 h 32.1.1 TGAM模塊簡介

11、 PAGEREF _Toc386462349 h 32.1.2 TGAM模塊的優(yōu)點 PAGEREF _Toc386462350 h 42.2. 藍牙技術 PAGEREF _Toc386462351 h 42.2.1 藍牙技術簡介 PAGEREF _Toc386462352 h 42.2.2 藍牙技術的應用 PAGEREF _Toc386462353 h 52.3 Arduino Leonardo 兼容板 PAGEREF _Toc386462354 h 52.3.1 Arduino簡介 PAGEREF _Toc386462355 h 52.3.1 Arduino特色 PAGEREF _Toc38

12、6462356 h 6第3章系統(tǒng)分析 PAGEREF _Toc386462357 h 73.1 系統(tǒng)設計目標 PAGEREF _Toc386462358 h 73.2 系統(tǒng)功能需求 PAGEREF _Toc386462359 h 73.2.1 采集腦波功能 PAGEREF _Toc386462360 h 73.2.2數(shù)據(jù)傳輸功能 PAGEREF _Toc386462361 h 73.3.3控制分析功能 PAGEREF _Toc386462362 h 73.3 系統(tǒng)非功能需求 PAGEREF _Toc386462363 h 73.3.1 TGAM模塊 PAGEREF _Toc386462364

13、h 73.3.2 藍牙模塊 PAGEREF _Toc386462365 h 83.3.3 Arduino PAGEREF _Toc386462366 h 83.4 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境 PAGEREF _Toc386462367 h 83.5 系統(tǒng)可行性分析 PAGEREF _Toc386462368 h 83.5.1 技術可行性 PAGEREF _Toc386462369 h 83.5.2 經(jīng)濟可行性 PAGEREF _Toc386462370 h 8第4章系統(tǒng)設計 PAGEREF _Toc386462371 h 94.1 系統(tǒng)設計指導原則 PAGEREF _Toc386462372 h 94.1.

14、1 先進性 PAGEREF _Toc386462373 h 94.1.2 可靠性及安全性 PAGEREF _Toc386462374 h 94.2 體系結構設計 PAGEREF _Toc386462375 h 94.3 硬件設計 PAGEREF _Toc386462376 h 104.4 軟件設計 PAGEREF _Toc386462377 h 12第5章系統(tǒng)實現(xiàn) PAGEREF _Toc386462378 h 155.1 環(huán)境配置 PAGEREF _Toc386462379 h 155.2 功能模塊實現(xiàn) PAGEREF _Toc386462380 h 155.2.1 采集模塊 PAGEREF

15、 _Toc386462381 h 155.2.2藍牙模塊 PAGEREF _Toc386462382 h 155.2.3 控制模塊 PAGEREF _Toc386462383 h 165.3 系統(tǒng)集成與調試 PAGEREF _Toc386462384 h 175.4 軟件部分核心代碼 PAGEREF _Toc386462385 h 185.4.1 Brain類介紹 PAGEREF _Toc386462386 h 185.4.2 update()方法介紹 PAGEREF _Toc386462387 h 205.4.2 parsePacket()方法介紹 PAGEREF _Toc386462388

16、 h 23第6章系統(tǒng)測試 PAGEREF _Toc386462389 h 256.1 測試概述 PAGEREF _Toc386462390 h 256.2 測試用例 PAGEREF _Toc386462391 h 25第7章結論 PAGEREF _Toc386462392 h 27參考文獻 PAGEREF _Toc386462393 h 28致 謝 PAGEREF _Toc386462394 h 29大連東軟信息學院畢業(yè)設計（論文）第1章緒 論人機交互的方式是人與電子設備交流的關鍵部分，每一次人機交互方式的創(chuàng)新都很大程度上的影響了我們的生活習慣，改變了我們生活方式，并且締造了一個又一個神話。鍵

17、盤繁榮了DOS，鼠標繁榮了Mac和Windows，體感手柄和平衡板成就了Wii，多點觸控屏創(chuàng)造了iPhone的輝煌，Kinect讓XBOX360延續(xù)了成功。都可以部分歸功于人機交互方式的創(chuàng)新。近幾年出現(xiàn)了穿戴式設備的熱潮，人們試圖將科技進一步融入我們的生活，各大廠商都推出了相應的產(chǎn)品。如Google Glass， HYPERLINK /wearabledevices/samsung/544779.html 三星Galaxy Gear， HYPERLINK /wearabledevices/smartq/553955.html 智器ZWatch， HYPERLINK /wearabledevic

18、es/sony/545433.html 索尼MN2 Smartwatch， HYPERLINK /wearabledevices/apple/541061.html 蘋果iwatch， HYPERLINK /wearabledevices/geak/549232.html 果殼GEAK Watch， HYPERLINK /wearabledevices/baidu/543479.html 百度咕咚手環(huán)，等等。但是一位一些原因，這些設備并沒有得到大范圍的推廣。這些設備上一些大多都還延續(xù)著觸摸屏的技術，谷歌眼鏡還使用了眼球控制。但這都不是我們所能想到的最終的人機交互方式。隨著科技的發(fā)展， HYPE

19、RLINK /wiki/腦電圖 腦電圖（EEG）作為有潛力的非侵入式腦機接口已得到深入研究，腦波控制作為最新一代的人機交互方式已經(jīng)出現(xiàn)在一些消費級商品中。雖然現(xiàn)階段腦波控制因為精度，對噪聲的敏感，等問題的限制沒有得到普及，但是隨著技術的提升，腦波控制的精度以及控制的方式還有很大的提升空間。相對于現(xiàn)在的觸摸屏設備、按鍵設備等，腦波控制更簡潔，解放了雙手，更適用于穿戴式設備或控制終端等便攜設備。1.1 對腦機接口的研究成果對于腦機接口的研究主要分成幾個方向，侵入式，部分侵入式，非侵入式。侵入式腦機接口通常直接植入到大腦的灰質中。主要用于恢復 HYPERLINK /wiki/癱瘓 癱瘓病人的運動功能

20、以及重建 HYPERLINK /wiki/特殊感覺 特殊感覺（如 HYPERLINK /wiki/視覺 視覺）。優(yōu)點是所獲取的神經(jīng)信號的質量相對較高。缺點是容易引發(fā) HYPERLINK /wiki/免疫反應 免疫反應和 HYPERLINK /w/index.php?title=愈傷組織&action=edit&redlink=1 愈傷組織，進而導致信號質量的衰退甚至消失。特殊感覺腦機接口方面的一位先驅是William Dobelle。他的皮層 HYPERLINK /wiki/視覺假體 視覺腦機接口主要用于后天失明的病人。1978年，Dobelle在一位盲人的 HYPERLINK /wiki/視

21、覺皮層 視覺皮層植入了68個電極陣列，并成功制造了 HYPERLINK /w/index.php?title=光幻視&action=edit&redlink=1 光幻視（Phosphene）。2002年，Dobelle的第二代皮層視覺假體植入的16位病人的臨床試驗開始。第二代皮層視覺假體的特點是能將光幻視更好地映射到視野，創(chuàng)建更穩(wěn)定均一的視覺。其光幻視點陣覆蓋的視野更大。針對“運動神經(jīng)假體”的腦機接口方面， HYPERLINK /w/index.php?title=Emory大學&action=edit&redlink=1 Emory大學的Philip Kennedy和Roy Bakay最先在

22、人體植入了可獲取足夠高質量的神經(jīng)信號來模擬運動的侵入性腦機接口。1998年，患有 HYPERLINK /wiki/腦干 腦干 HYPERLINK /wiki/中風 中風導致的 HYPERLINK /w/index.php?title=鎖閉綜合征&action=edit&redlink=1 鎖閉綜合征Johnny Ray接受了植入，并且存活了足夠長的時間來學會用該腦機接口來控制電腦光標。2005年，Cyberkinetics公司獲得美國 HYPERLINK /wiki/FDA FDA批準，九位病人進行了運動皮層腦機接口臨床試驗。這種植入被稱為BrainGate。BrainGate是包含96個電極

23、的電極陣列，它的植入電極位于腦 HYPERLINK /w/index.php?title=前中回&action=edit&redlink=1 前中回中 HYPERLINK /w/index.php?title=運動皮層&action=edit&redlink=1 運動皮層所對應的手臂和手部的控制區(qū)域。 HYPERLINK /w/index.php?title=四肢癱瘓&action=edit&redlink=1 全身癱瘓的Matt Nagle成為了第一位用侵入式腦機接口來控制機械臂的病人，他成功的通過運動意圖來完成電腦的光標控制、機械臂控制等任務。部分侵入式腦機接口一般植入到 HYPERLIN

24、K /w/index.php?title=顱腔&action=edit&redlink=1 顱腔內腦灰質外。其空間分辨率介于侵入式腦機接口和非侵入式之間。其另一優(yōu)點是引發(fā)免疫反應和愈傷組織的幾率較小。 HYPERLINK /w/index.php?title=皮層腦電圖&action=edit&redlink=1 皮層腦電圖（ECoG）的技術原理和 HYPERLINK /wiki/腦電圖 腦電圖的類似，但是其電極直接植入到大腦皮層上， HYPERLINK /w/index.php?title=硬腦膜&action=edit&redlink=1 硬腦膜下的區(qū)域。華盛頓大學（圣路易斯）的Eric

25、Leuthardt和Daniel Moran是最早在人體試驗皮層腦電圖的研究者。他們的能夠讓一位病人使用該腦機接口玩 HYPERLINK /wiki/電子游戲 電子游戲。使用基于皮層腦電圖的腦機接口很難實現(xiàn)多于一維的運動控制。非侵入式的 HYPERLINK /wiki/神經(jīng)成像術 神經(jīng)成像術同樣被用于加強肌肉植入物的功能并使參加實驗的志愿者恢復部分運動能力。有點是裝置方便佩戴于人體，沒有創(chuàng)傷。缺點是分辨率不高，無法確定放電神經(jīng)元的位置或大腦區(qū)域，顱骨對信號的衰減作用和對神經(jīng)元發(fā)出的電磁波的分散和模糊效應太大。 HYPERLINK /wiki/腦電圖 腦電圖（EEG）作為最有潛力的非侵入式腦機接

26、口在近幾年已得到深入研究。優(yōu)點是良好的時間分辨率、易用性、便攜性和相對低廉的價格。缺點是對噪聲非常敏感，并且使用腦電圖作為腦機接口的用戶在工作之前要進行大量的訓練。德國 HYPERLINK /wiki/圖賓根大學 圖賓根大學的Niels Birbaurmer于90年代進行的項目利用癱瘓病人的腦電圖信號使其能夠控制電腦光標。 經(jīng)過訓練，十位癱瘓病人都能夠成功地用腦電圖控制光標。但是其控制的效率較低，在屏幕上寫100個字符需要1個小時，并且訓練過程耗時長達幾個月。在Birbaumer的后續(xù)研究中，多個腦電圖成分可被同時測量，包括波和波。病人可以自主選擇對其最易用的成分進行對外部的控制。1.2 應用

27、范圍腦機接口主要應用于一下幾個方面：1.對 HYPERLINK /wiki/癱瘓 癱瘓病人的運動功能恢復（運動神經(jīng)假體）。2.重建 HYPERLINK /wiki/特殊感覺 特殊感覺（皮層 HYPERLINK /wiki/視覺假體 視覺腦機接口）。3.對光標，游戲，機械等的控制。第2章關鍵技術介紹2.1 TGAM模塊2.1.1 TGAM模塊簡介TGAM模塊全稱ThinkGear AM腦電模塊（如圖2.2）。NeuroSky Inc. (神念科技有限公司)是致力于把生物傳感技術帶入消費級市場的領導者。神念科技創(chuàng)立于2004年，公司總部位于美國硅谷，并且在臺北，香港，首爾，倫敦，東京，及無錫擁有分

28、公司。其高性能的生物傳感芯片可以檢測到人的腦電波信號，心電信號，以及其他生物信號，并且將模擬信號轉化成可以識別計算的數(shù)字信號，實現(xiàn)人機交互。目前公司的生物傳感技術在電腦，手機，智能可穿戴設備（智能手表，智能眼鏡），健康，教育，汽車等行業(yè)和玩具行業(yè)都有著很廣泛的應用。神念科技以60多年來的醫(yī)學方面研究為基礎，成功的將生物傳感技術轉化為消費級產(chǎn)品并開發(fā)成適用于大眾市場的應用，使其更加易用和高效。神念科技公司擁有很多項創(chuàng)新的專利，包括了噪音消減，和干傳感器（不像傳統(tǒng)生物傳感器需要使用導電膠）等。神念科技公司一直致力于通過與合作伙伴的通力合作積極創(chuàng)新，共同研制開發(fā)令人激動的創(chuàng)新產(chǎn)品，和財富榜100強企

29、業(yè)，新興的高科技公司，以及眾多名牌高等學府和專業(yè)研究機構的大型客戶建立了良好的合作關系，比如美國美泰公司（芭比娃娃設計及生產(chǎn)公司），哥倫比亞大學，耶魯大學，斯坦福大學，以及國內的宇龍酷派，海爾集團，東南大學，浙江大學，中科學院電子學研究所等?？蛻舯椴剂嗣绹皝啔W市場。TGAM模塊可以處理并輸出腦波頻率譜，腦電信號質量，原始腦電波和三個Neurosky的eSense參數(shù)：專注度，放松度和眨眼偵測。和人體的界面只需一個簡單的干接觸點，所以可以很容易的運用于玩具，視頻游戲和健康設備中，又由于能耗小，適合用在以電池供電的便攜式消費產(chǎn)品的應用上。圖2.1 TGAM模塊2.1.2 TGAM模塊的優(yōu)點能直接

30、連接干接觸點(如圖2.3)，不像傳統(tǒng)醫(yī)學用的濕傳感器使用時需要上導電膠。單EEG腦電通道有3個接觸點（如圖2.3）：EEG（腦電采集點）REF（參考點）GND（地線點）。上電后若接觸點連續(xù)四秒沒有采集到腦電或連續(xù)七秒收到差的腦電信號。本智慧模塊會通過“信號質量強度”發(fā)出信號差的警告，提醒用戶調整傳感器。先進的噪音過濾技術，能抗拒日常生活中環(huán)境里的各種干擾。低能耗，體積?。ㄈ鐖D2.2）適合便攜式消費產(chǎn)品的電池供電的設備。3.3伏供電下最大消耗為15毫安。原始腦電數(shù)據(jù)以512 Hz輸出。圖2.2 模塊與一元硬幣對比圖2.3 電極2.2. 藍牙技術2.2.1 藍牙技術簡介藍牙（Bluetooth），

31、是一種無線 HYPERLINK /wiki/個人局域網(wǎng) 個人局域網(wǎng)（ HYPERLINK /wiki/無線個人網(wǎng) Wireless PAN）。Bluetoot的來源是10世紀丹麥挪威的國王 HYPERLINK /wiki/哈拉爾一世_(丹麥) 藍牙哈拉爾（ HYPERLINK /wiki/丹麥語 丹麥語：Harald Bltand Gormsen），直譯成為“藍牙”（bl藍，tand牙）。藍牙是一種通用的射頻頻率是2.45GHZ的無線電接口，它使設備能夠在較小的范圍內進行無線通信。藍牙由 HYPERLINK /wiki/愛立信 愛立信創(chuàng)制， HYPERLINK /wiki/藍牙技術聯(lián)盟 藍牙技

32、術聯(lián)盟訂定技術標準。本系統(tǒng)使用的是藍牙2.1版本的藍牙模塊。圖2.4 藍牙模塊2.2.2 藍牙技術的應用最初藍牙應用在 HYPERLINK /wiki/移動電話 移動電話和免提設備之間的 HYPERLINK /w/index.php?title=無線通訊&action=edit&redlink=1 無線通訊。短距離 HYPERLINK /wiki/電腦 電腦間的無線 HYPERLINK /wiki/網(wǎng)絡 網(wǎng)絡。電腦與外設的無線連接，鍵鼠，控制器等。設備之間的臨時文件傳輸。傳統(tǒng)有線設備的無線化，如：手持設備，穿戴設備，麥克風等。數(shù)個 HYPERLINK /wiki/以太網(wǎng) 以太網(wǎng)之間的無線橋架。

33、家用游戲機 HYPERLINK /wiki/PS3 PS3、 HYPERLINK /wiki/Wii Wii等的手柄。2.3 Arduino Leonardo 兼容板2.3.1 Arduino簡介Arduino，是一個 HYPERLINK /wiki/開放原始碼 開放源代碼的 HYPERLINK /wiki/單晶片微電腦 單芯片微電腦，它使用了Atmel AVR單片機，采用了基于 HYPERLINK /wiki/開放原始碼 開放源代碼的軟硬件平臺，構建于開放源代碼 simple I/O 接口板，并且具有使用類似 HYPERLINK /wiki/Java Java，C 語言的Processing

34、/Wiring開發(fā)環(huán)境。Arduino可以使用 Arduino 語言與 Macromedia Flash、Processing、Max/MSP、Pure Data和SuperCollider等軟件，結合電子元件，例如開關或傳感器或其他控制器件、LED、步進馬達或其他輸出裝置，作出互動作品。Arduino也可以獨立運作成為一個可以跟軟件溝通的接口。Arduino Leonardo是基于Atmega32u4的低成本開發(fā)板。左側板載了micro USB，方便調試連接。圖2.5 Arduino Leonardo 兼容板2.3.1 Arduino特色基于 HYPERLINK /wiki/創(chuàng)用CC 創(chuàng)用C

35、C開放源代碼的電路圖設計。免費下載，也可依需求自己修改，但需遵照姓名標示。您必須按照作者或授權人所指定的方式，表彰其姓名。依相同方式分享，若您改變或轉變著作，當散布該衍生著作時，您需采用與本著作相同或類似的授權條款。Arduino 可使用 ICSP 線上燒入器，將 HYPERLINK /wiki/啟動程式 Bootloader 燒入新的 IC 芯片?？梢罁?jù)Arduino官方網(wǎng)站，取得硬件的設計檔，加以調整電路板及元件，以符合自己實際設計的需求?？梢暂^為簡單地和傳感器等各種的電子元件相連接，比如 HYPERLINK /wiki/紅外線 紅外線傳感器、 HYPERLINK /wiki/超音波 超音

36、波傳感器、LCD顯示器 HYPERLINK /wiki/熱敏電阻 、溫度傳感器 HYPERLINK /wiki/光敏電阻 等。支援多樣的互動程式，如 Adobe Flash, Max/MSP, Pure Data, HYPERLINK /wiki/C語言 C, Processing等。使用價格相對較低的微處理控制器如( HYPERLINK /wiki/Atmel_AVR Atmel AVR) (ATMEGA 8,168,328等)。 HYPERLINK /wiki/USB USB接口，不需外接電源。另外有提供 HYPERLINK /wiki/直流 直流(DC)電源輸入。第3章系統(tǒng)分析3.1 系

37、統(tǒng)設計目標目前，絕大多數(shù)人機交互方法都采用的觸摸等操作方式，始終無法做到解放雙手的目的。本系統(tǒng)主要有下特點：解放雙手，可以適用于一些特殊場合需要；體積小，穿戴簡便，傳統(tǒng)腦波設備采樣電極陣列過于復雜，穿戴繁瑣，對環(huán)境場合要就過于苛刻，無法適應大多數(shù)場合的需要，本系統(tǒng)只需要單一干電極采樣，穿戴簡單。本系統(tǒng)的設計目標是，實現(xiàn)穿戴設備者可以通過對自己精神狀態(tài)的主動控制來控制燈光。3.2 系統(tǒng)功能需求3.2.1 采集腦波功能對腦波進行采集。通過單一干電極采集腦電波，對于腦電波測量的準確性，對環(huán)境干擾的抵抗性，對電源干擾的抵抗性，對生物肌電的分辨能力，和其它干擾事項要有一定的抵抗和分辨能力。對于采集頻率要

38、盡量高，盡快響應腦波變化，減少延遲。3.2.2數(shù)據(jù)傳輸功能對數(shù)據(jù)進行短距離傳輸。通過藍牙模塊進行短距離數(shù)據(jù)傳輸，要求速度穩(wěn)定傳輸快捷，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息穩(wěn)定可靠。對環(huán)境干擾抵抗能力強，有一定的適應性。對距離有一定的要求，要求在規(guī)定距離范圍內都可以保證信號的可靠性。3.3.3控制分析功能對于接收到的數(shù)據(jù)進行分析。接收到的腦波數(shù)據(jù)有一定的編碼，需要按照預定格式進行分析，并判斷該數(shù)據(jù)是否有效后才能得出正確的腦波各項數(shù)值。并根據(jù)數(shù)值進行控制。對于處理器的處理能力有一定要求，但是并不高，要求控制部分節(jié)能，低功耗，可以作為長期開啟的設備。3.3 系統(tǒng)非功能需求3.3.1 TGAM模塊規(guī)模尺寸（最大）2.79c

39、m x 1.52cm x 0.25cm。重量（最大）130mg。性能：采樣率：512Hz。頻率范圍：3Hz-100Hz。靜電保護：4kV接觸放電; 8kV隔空放電。最大消耗功率：15毫安 3.3伏。運行電壓：2.973.63伏。AC交流噪音濾波器的配置選項。50Hz60Hz3.3.2 藍牙模塊物理，26.7cm x 13cm。功耗：3.3V200毫安。實測傳輸距離7m。3.3.3 Arduino主控：ATmega32u4。工作電壓：5V。輸入電壓：7-12V。時鐘頻率：16MHz。閃存：32KB。SRAM：2.5KB。EEPROM：16MHz。3.4 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境 硬件環(huán)境Arduino Le

40、onardo兼容板，處理器Atmega32u4軟件環(huán)境：Windows 7系統(tǒng)，ArduinoIDE開發(fā)環(huán)境Processing語言。3.5 系統(tǒng)可行性分析3.5.1 技術可行性干電極采樣技術簡單，使用方便，價格低廉，相對于傳統(tǒng)電極能盡可能地減少采集環(huán)境的限制，從而擴大腦電應用的使用范圍。TGAM模塊作為第一款消費級腦波模塊，先進的噪音過濾技術，能抗拒日常生活中環(huán)境里的各種干擾，低能耗，適合便攜式消費產(chǎn)品的電池供電的設備。藍牙模塊，技術成熟參考資料多，使用方法簡單快捷，傳遞信號穩(wěn)定可靠。控制部分選擇了開源硬件Arduino Leonardo，體積小巧，功耗低，有足夠的性能，開發(fā)方式簡單，編程語

41、言接近C，有一定的參考資料。3.5.2 經(jīng)濟可行性整個系統(tǒng)價格控制在在550元，其中腦波模塊及配套電極等400元，藍牙以及擴展板兩塊60元，Arduino一塊40元。電池盒以及自備零件工具等50。第4章系統(tǒng)設計4.1 系統(tǒng)設計指導原則4.1.1 先進性傳統(tǒng)的手動控制，對距離有要求，一定要做到物理接觸才能實現(xiàn)，雖然后來發(fā)展到觸摸屏，虛擬按鍵，但是毅然沒有本質上的改變。而腦波控制，突破了原有手動輸入操作的桎梏，解放雙手，無需實體接觸，距離將不再是限制。4.1.2 可靠性及安全性因為設備的特點，一方面需要對應不同的頭部大小，另一方面要保證即使進行一定活動前額電極也可以和前額完全貼合不會有松動，所以選

42、擇了，耳機架加上束帶的方法，保證了在各種狀態(tài)下的牢固和貼合。藍牙傳輸穩(wěn)定可靠，可以抵擋一些常見干擾。5v電源穩(wěn)定可靠，在保證有足夠的電流電壓的同時不會對人產(chǎn)生危害。4.2 體系結構設計系統(tǒng)通過電極采集腦波，和耳機對照后濾波，通過串口傳遞到藍牙模塊，藍牙模塊從耳機端發(fā)送到控制端，控制端藍牙模塊接受數(shù)據(jù)，通過串口發(fā)送給Arduino，Arduino進行處理，后將通過發(fā)送控制信號控制燈光（如圖4.1）。圖4.1 體系結構圖4.3 硬件設計因為設備的特點，一方面需要對應不同的頭部大小，另一方面要保證即使進行一定活動前額電極也可以和前額完全貼合不會有松動，所以選擇了，耳機架加上束帶的方法，保證了在各種狀

43、態(tài)下的牢固和貼合。在最大程度上防止了因電極接觸不實導致影響腦波采集數(shù)據(jù)產(chǎn)生較大的噪聲干擾。為了保證電源質量、控制成本的同時，可以重復使用，減少拆卸的困難，降低因過度拆卸造成的不必要損壞，電源采用了手機電池盒作為供電，保證了電源質量，降低噪聲同時很好的控制了成本并且方便充電重復使用，減少了更換電池所造成的污染和對硬件的不必要的損壞。手機電池充電方便，便于重復使用。選擇藍牙模塊是因為藍牙模塊配對快，信息傳遞穩(wěn)定。Arduino 體積小功耗低，集成microusb方便燒寫調試。腦波采集功能蛀牙是是通過前額電極對系統(tǒng)的穿戴者的腦波進行采集，之后通過串口將信號傳出。作為采集部分，按照系統(tǒng)設計目標，需要有

44、體積小，穿戴便捷，對環(huán)境要求小，抗干擾能力強，采樣準確度高，等特點。整個模塊分成兩部分，通過藍牙連接，頭戴部分使用電池分別給藍牙模塊和腦波模塊供電，控制板部分由電源模塊供電（如圖4.2）。圖4.2 硬件連接圖藍牙設備需要主從連接才能發(fā)送信息。設置藍牙模塊的主從有一下兩種方法（如圖4.3）。軟件設置：PIO4置3.3v高電平，在未連接狀態(tài)下通過AT指令設置，通過串口向藍牙模塊發(fā)送AT+ROLE選擇朱從模式。硬件設置：PIO4置低或懸空，通過PIO5設置主從，PIO5置3.3v高電平為主模式，置低或懸空為從模式。圖4.3 藍牙模塊PIO以及外部電路的連接經(jīng)過設置后，藍牙主從模塊指示燈會根據(jù)主從模式

45、的不同有不同的閃爍方式（如表4.1），可以通過該指示燈的閃爍方式判斷主動模塊是否設置成功。表4.1 藍牙模塊主從模式模式LED顯示模塊狀態(tài)主模式均勻快速閃耀（150ms-on，150ms-off）搜索及連接從設備快速閃5次后熄滅2s連接之前配對過的從設備長亮建立連接從模式均勻慢速閃耀（800ms-on，800ms-off）等待配對長亮建立連接4.4 軟件設計腦電波是一種比較敏感的客觀指標，不但可以用于腦科學的基礎理論研究，更重要的意義在于腦電波在的臨床實踐方面的應用，這與人類的生命健康息息相關。腦電波是診斷癲癇的必要依據(jù)，腦電波對于各種難于檢測的顱內病變，如 HYPERLINK /view/7

46、07755.htm 腦中風、 HYPERLINK /view/125355.htm 腦炎、 HYPERLINK /view/50703.htm 腦瘤、代謝性腦病變等，都有很大的診斷幫助。腦電圖仍是目前研究睡眠最客觀的依據(jù)，藉由監(jiān)測睡眠中腦波變化，我們可以區(qū)分睡眠中不同的狀態(tài)。腦電波是是一些自發(fā)的有節(jié)律的神經(jīng)電運動，腦電波頻率變動范圍在每秒130次之間的，可劃分為四個波段，（13Hz）、（47Hz）、（813Hz）、（1430Hz）。（這幾種波的頻率邊界，在學界還沒有完全統(tǒng)一的標準。亦有學者認為 HYPERLINK /view/724716.htm 波小于4Hz， HYPERLINK /view

47、/1496273.htm 波47Hz， HYPERLINK /view/1494593.htm 波812Hz， HYPERLINK /view/724715.htm 波1335Hz，并認為有大于35Hz的腦電波，并命名為波。長期處于該狀態(tài)下的人會有生命危險）。波，頻率約為每秒13次，嬰兒期或智力發(fā)育不成熟、正常成年人在極度疲勞和昏睡狀態(tài)下，可能出現(xiàn)這種波段的腦波。波，頻率為每秒47次，正常成年人在意愿受到挫折或者抑郁時以及精神病患者的腦部中這種段波的腦波極為顯著。但同時此波為少年（1017歲）的腦電圖中的主要組成部分。波，頻率為每秒813次，平均數(shù)為10次左右，這個頻率對腦波是正常人腦電波的基

48、本節(jié)律，在沒有外加的刺激的情況下，該段頻率的腦波是相對而言較為恒定的。人在清醒、安靜并閉眼等較為放松，與外界接觸較少時這種節(jié)律最為顯著，睜開眼睛或者接接受到其它刺激的時候，波即刻降低直至消失。波，頻率為每秒1430次，當精神高度緊張或者情緒極度激動或亢奮的時候會出現(xiàn)此波，還有當人從睡夢狀態(tài)中驚醒的時候，原來睡眠狀態(tài)的緩慢腦波節(jié)律可立即被這種快節(jié)律所代替。當人心情愉悅或進行冥想時，一直興奮的波、波或波慢慢減弱，波相對得到了加強。因為這種波形最接近右腦的腦電生物節(jié)律，也就是人最富有靈感和創(chuàng)造力的階段。腦波模塊對于這些數(shù)據(jù)都有統(tǒng)計，經(jīng)過分析后，會按照如表4.2的數(shù)據(jù)格式通過串口發(fā)送。表4.2 數(shù)據(jù)格

49、式數(shù)據(jù)內容數(shù)據(jù)含義AA同步AA同步20是十進制的32，即有32個字節(jié)的payload，除掉20本身+兩個AA同步+最后校驗和02代表信號值SignalC8信號的值83代表EEG Power開始了18是十進制的24，說明EEG Power是由24個字節(jié)組成的，以下每三個字節(jié)為一組18Delta 1/3D4Delta 2/3續(xù)表4.2 數(shù)據(jù)格式8BDelta 3/313Theta 1/3D1Theta 2/369Theta 3/302LowAlpha 1/358LowAlpha 2/3C1LowAlpha 3/317HighAlpha 1/33BHighAlpha 2/3DCHighAlpha 3

50、/302LowBeta 1/350LowBeta 2/300LowBeta 3/303HighBeta 1/3CBHighBeta 2/39DHighBeta 3/303LowGamma 1/36DLowGamma 2/33BLowGamma 3/303MiddleGamma 1/37EMiddleGamma 2/389MiddleGamma 3/304代表專注度Attention00Attention的值(0到100之間)05代表放松度Meditation00Meditation的值(0到100之間)D5校驗和按照數(shù)據(jù)格式進行解析，之后后按照預計流程進行分析。第5章系統(tǒng)實現(xiàn)5.1 環(huán)境配置使

51、用Windows 7旗艦版Service Pack 1 32味操作系統(tǒng)，Intel(R) Core(TM) I7 CPU 2.67GHz 3G內存 的PC機編程，使用ArduinoIDE開發(fā)環(huán)境Processing語言。5.2 功能模塊實現(xiàn)5.2.1 采集模塊通過前額電極采集數(shù)據(jù)，傳給TGAM模塊和耳夾電極對比濾波，通過串口傳出初步經(jīng)過分解的數(shù)據(jù)（如圖5.1）。圖5.1 采集模塊5.2.2藍牙模塊藍牙模塊一主一從，首次上電后主動開始尋找可配對設備，之后會主動尋找上次配對過的設備。配對成功后藍牙模塊指示燈顯示長亮表示數(shù)據(jù)傳輸可以開始。從設備接受TGAM模塊從串口傳出的數(shù)據(jù)，通過2.4GHz的無線

52、電波發(fā)送給主設備（如圖5.2）。主設備接收到從設備通過無線傳遞來的數(shù)據(jù)后通過串口將數(shù)據(jù)傳遞給控制模塊。圖5.2 藍牙模塊5.2.3 控制模塊上電后，初始化，檢測串口數(shù)據(jù)，如果沒有數(shù)據(jù)傳來說明耳夾沒有夾好，有數(shù)據(jù)傳遞過來說明開始開始使用腦波設備。先對數(shù)據(jù)進行校驗，放置傳輸?shù)鹊纫鸬臄?shù)據(jù)錯誤降低測量精度。校驗失敗的數(shù)據(jù)直接丟棄，等待新數(shù)據(jù)。對校驗成功的數(shù)據(jù)進行分析，得出控制信號，將控制信號通過IO發(fā)出（如圖5.3）。圖5.3 控制模塊5.3 系統(tǒng)集成與調試頭戴部分使用了一個耳機架作為支撐，用來固定前額電極以及支撐電源和模塊等。增加了一個束帶保證前額電極的緊貼和耳機的牢固。TGAM模塊鑲嵌在耳機盒里

53、，距離電極較近，減少傳輸距離。供電由和耳機盒捆綁在一起的電池盒提供，電池盒上有USB母頭和MicroUSB母頭，USB母頭為供電頭，通過在母頭上裝一個USB公頭引出電源線來供其它模塊使用，MicroUSB為充電頭，不能輸出供電，兩者間通過一開關選擇控制。藍牙模塊上連接3.3v電源，和TGAM模塊共地，TXD接TGAM模塊RXD，RXD接TGAM模塊TXD。控制部分由電源模塊供電，電源模塊分別供3.3v給藍牙和5v給控制模塊以及燈光模塊。藍牙模塊TXD接控制模塊RXD，藍牙模塊RXD接控制模塊TXD?？刂颇KIO口接燈光模塊。5.4 軟件部分核心代碼5.4.1 Brain類介紹軟件部分的核心代碼

54、主要是對于數(shù)據(jù)的解析處理部分，對于解析的及時性和調用的方便性有很高的要求。而且由于腦波自身的原因，以及采集過程中遇到的干擾，傳輸過程中遇到的干擾，導致了有一些數(shù)據(jù)是無效的，對數(shù)據(jù)的分析處理還有一個主要功能是從傳遞回來的數(shù)據(jù)中過濾掉無效數(shù)據(jù)，將有效數(shù)據(jù)提取出來，保證數(shù)據(jù)的精確性，可靠性。為了保證軟件的健壯性和重用性，決定將腦波解析代碼封裝成庫文件，以方便使用和再次開發(fā)。腦波庫命名為Brain.h，期中包含了一個類Brain，類圖如圖5.4所示。圖5.4 Brain類圖關于類的說明如表5.1所示表5.1 類說明類名說明Brain腦波數(shù)據(jù)的接收、處理和調用方法HardwareSerial串口數(shù)據(jù)的處

55、理方法，繼承了Stream類Stream數(shù)據(jù)流類，HardwareSerial類的基類由于數(shù)據(jù)通過串口傳輸所以Brain類要依靠HardwareSerial類來進行串口操作。而串口本身是一種流數(shù)據(jù)所以HardwareSerial類繼承自Stream類。Brain類中的brainStream是HardwareSerial中的類型。類中的方法解釋如表5.2 。表5.2 Brain類方法說明方法名方法參數(shù)說明Brain:Brain()Stream &_brainStream構造函數(shù)，將參數(shù)&_brainStream傳遞給變量brainStream，并調用函數(shù)init()進行初始化Brain:upda

56、te()無數(shù)據(jù)更新函數(shù)，從傳輸?shù)拇跀?shù)據(jù)brainStream中提取出數(shù)據(jù)包，存入數(shù)組packetData，并進行校驗Brain:getSignalQuality()無返回一個eegData數(shù)組中uint32_t類型的值Brain:getAttention()無返回一個eegData數(shù)組中uint32_t類型的值Brain:getMeditation()無返回一個eegData數(shù)組中uint32_t類型的值Brain:getDataArray()無返回一個eegData數(shù)組中uint32_t類型的值Brain:getDelta()無返回一個eegData數(shù)組中uint32_t類型的值Brain

57、:getTheta()無返回一個eegData數(shù)組中uint32_t類型的值Brain:getLowAlpha()無返回一個eegData數(shù)組中uint32_t類型的值Brain:getHighAlpha()無返回一個eegData數(shù)組中uint32_t類型的值Brain:getLowBeta()無返回一個eegData數(shù)組中uint32_t類型的值Brain:getHighBeta()無返回一個eegData數(shù)組中uint32_t類型的值Brain:getLowGamma()無返回一個eegData數(shù)組中uint32_t類型的值Brain:getMidGamma()無返回一個eegData數(shù)

58、組中uint32_t類型的值Brain:getErrors()無返回錯誤信息Brain:clearPacket()無對packetData數(shù)組清零Brain:clearEegData()無對eegData數(shù)組清零續(xù)表5.2 Brain類方法說明方法名方法參數(shù)說明Brain:parsePacket()無對數(shù)組packetData中的數(shù)據(jù)進行解析，提取出有效數(shù)據(jù)存入數(shù)組eegDataBrain:init()無初始化變量 freshPacket = false; inPacket = false; packetIndex = 0; packetLength = 0; checksum = 0; ch

59、ecksumAccumulator = 0; signalQuality = 200; attention = 0; meditation = 0;調用函數(shù)clearEegData()在Brain類方法說方法中，主要的解析代碼是parsePacket()函數(shù)，parsePacket()是私有函數(shù)，外部無法直接調用，當外部需要解析的數(shù)據(jù)的時候，可以通過調用update()函數(shù)來解析接受串口傳來的數(shù)據(jù)。5.4.2 update()方法介紹update()函數(shù)主要功能是更新數(shù)據(jù)，從傳輸?shù)拇跀?shù)據(jù)brainStream中提取出數(shù)據(jù)包，存入數(shù)組packetData，并進行校驗，同時調用解析函數(shù)parse

60、Packet()。具體實現(xiàn)代碼如下：boolean Brain:update() if(brainStream-available() latestByte = brainStream-read();if(inPacket) if(packetIndex = 0) packetLength = latestByte;if(packetLength MAX_PACKET_LENGTH) sprintf(latestError, ERROR: Packet too long ); inPacket = false;else if(packetIndex packetLength) checksum