基于脑-机接口与Zigbee的智能家居系统及控制方法

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基于脑-机接口与Zigbee的智能家居系统及控制方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种基于脑-机接口与Zigbee的智能家居系统及控制方法。特别是涉及一种仅通过脑电信号控制家智能家居的方法，为肢体障碍的残疾人提供了一种与外界交流的方法。\n背景技术\n[0002] 近几年，脑-机接口已经由实验室阶段逐渐面向应用，特别是在控制领域里作为一项新的技术正在被广泛的开发，如利用脑电信号控制太空机器人、智能轮椅等。因其不需要肢体动作仅依靠生物电信号就可达成对指定设备的控制被广泛引入到许多特殊环境作业的领域，带来了巨大的便携，也为许多应用领域的难题提出了新的解决技术方案。\n[0003] 基于脑-机接口与Zigbee的智能家居系统及控制方法是利用视觉刺激器诱发人脑产生特定的脑电信号实现人对外界家居环境的控制与交流的方法。它仅仅依靠人的视觉和脑电信号作为传输媒介，实现人脑对外界设备的控制和交流。这种方法对残疾人的康复生活起到了很大的帮助，减少了医护人员和家属的护理工作量，帮助肢体残疾人独立的生活，提高他们的生活质量和给予他们享受生活的权利。\n[0004] 稳态视觉诱发电位作为人机交互系统的常用输入信号具有高信息传输率、较短训练时间和特征易于提取等优点，且仅需要位于枕叶皮层位置少数几个电极的信号就可提取。基于脑机接口的智能家居技术，是在传统的智能家居基础上，把脑-机接口技术引入其中，为助残和娱乐方便生活提出一种全新的解决途径。\n发明内容\n[0005] 本发明所要解决的技术问题是，提供一种脑电控制智能家居系统的方法，达到无需肢体动作仅利用稳态视觉诱发电位控制智能家居的系统。\n[0006] 本发明所采用的技术方案是，基于脑-机接口与Zigbee的智能家居系统及控制方法，包括有依次串联连接的信号采集模块、脑电处理模块、显示模块、无线传感器网络组成的智能家居控制器和家居设备，以及通过视觉刺激来使大脑产生脑电信号的视觉刺激器模块，所述的显示模块也通过视觉向受试者反馈所采集到的脑电信号。\n[0007] 所述的信号采集模块包括有与人脑部连接的头皮电极和两个耳电极，以及前置放大器、工频陷波电路、滤波电路、后置放大器和A\D转换模块。所述的信号采集模块的输出端连接脑电处理模块输入端。\n[0008] 所述的脑电处理模块搭建在LabVIEW软件上，包括如下步骤：\n[0009] i)从信号采集模块采集数据，并进行存储；\n[0010] ii)判断采样时间是否大于设定的时间，不是，继续进行数据存储；\n[0011] iii)判断采样时间大于设定的时间，读取数据；\n[0012] iv)处理存放的数据，使用通带范围为10-20Hz、阻带衰减为60dB、通带波纹1dB的带通滤波器进行滤波去噪；\n[0013] v)将滤波后的数据用功率谱估计进行特征提取。计算采集到的脑电信号的功率谱，提取出最大功率对应的频率值作为特征值，利用模板匹配的方法转将其换成控制信号；\n[0014] vi)根据处理结果找出人脑所发出的指令，并显示在显示模块上；\n[0015] Vii)利用串口通信将模板匹配后的控制信号发送给智能家居控制器；\n[0016] 所述的模板匹配法是若为13Hz的脑电信号处理完后输出开灯指令，若为13.5Hz的脑电信号处理完后输出关灯指令，依次类推，每0.5Hz为一个单位间隔，从13Hz-18.5Hz分别代表指令：台灯开、台灯关、电扇开、电扇关、收音机开、收音机调频、电视开、电视关、电视音量加、电视音量减、电视换台加、电视换台减。\n[0017] 所述的视觉刺激器包括显示12种不同频率的12组频率显示模块，每一个显示模块均通过三级管(Q1-Q12)驱动LED发光模块(D1-D12)实现。12个不同的LED发光快所显示的频率分别代表：台灯开、台灯关、电扇开、电扇关、收音机开、收音机调台(加减)、电视开、电视关、电视频道加、电视频道减、电视音量加、电视音量减。\n[0018] 基于脑-机接口与Zigbee的智能家居系统及控制方法，其特征在于，包括如下阶段：\n[0019] 一)设置视觉刺激器的频率，使12个不同的LED发光块以各自频率稳定闪烁；\n[0020] 二)将一个头皮电极放置在人后脑的枕区，两个耳电极放置在左右耳部，并使人的视觉平行对视着12个频率不同的LED发光快，通过头皮电极采集到的脑电信号并对采集到的脑电信号放大和A\D转换后送入脑电处理模块进行处理；\n[0021] 三)通过显示模块显示人脑触发的智能家居系统的指令；\n[0022] 所述的智能家居控制器负责与脑电处理模块通信，将处理出的脑电指令发送给家居设备。\n[0023] 所述的家居设备由Zigbee无线网络组成，包括台灯模块、电扇模块、收音机模块、电视模块。\n[0024] 本发明基于脑-机接口与Zigbee的智能家居系统及控制方法，为智能家居控制带来一种新的方法，具有广泛的实用性和适用性。本发明可以帮助具有运动障碍的残疾人士和有特殊需求的人群，特别是需要监护的残疾人实现日常独立生活。对于视觉正常的普通人在行动不便的情况下，本发明也可以提供一种有效的与外界交流的途径。\n附图说明\n[0025] 图1是本发明的整体框图\n[0026] 图2是本发明信号采集模块原理框图\n[0027] 图3是本发明显示模块指令按钮图\n[0028] 图4是本发明家居设备原理框图\n[0029] 图5是本发明的整体控制流程图\n[0030] 其中：\n[0031] 1：信号采集模块 2：脑电处理装置\n[0032] 3：显示模块 4：视觉刺激器\n[0033] 5：智能家居控制器 6：家居设备\n[0034] 11：前置放大器 12：工频陷波电路\n[0035] 13：滤波电路 14：后置放大器\n[0036] 61：台灯 62：电扇\n[0037] 63：收音机 64：电视\n具体实施方式\n[0038] 下面结合附图和实验对本发明基于脑-机接口与Zigbee的智能家居系统及控制方法做出详细说明。\n[0039] 本发明基于脑-机接口与Zigbee的智能家居系统及控制方法是利用闪光视觉刺激人眼产生的稳态视觉诱发电位现象结合Zigbee物联网智能家居技术，设计了一套利用脑电控制家用电器的系统。本发明利用氯化银电极仅采集受试者后脑枕区O1位置的信号，并结合两个耳部参考电极就实现了对人脑信号的提取。\n[0040] 如图1所示，本发明基于脑-机接口与Zigbee的智能家居系统及控制方法，包括有依次串联连接的信号采集模块(1)、脑电处理模块(2)、显示模块(3)、视觉刺激器模块(4)、智能家居控制器(5)和家居设备(6)。其中所述的信号采集模块(1)主要负责从氯化银电极采集人脑的生物电信号，并进行模数转换，完成生物脑电信号到数字信号的转换。所述的脑电信号处理模块(2)主要处理从信号采集模块(1)收到的数字脑电信号，经过处理识别出特征值并转化为控制命令控制下位机家居设备(6)。所述的显示模块(3)通过视觉向受试者反馈采集到的信号和触发的家电指令。\n[0041] 如图2所示，所述的信号采集模块(1)包括前置放大器(11)、工频陷波电路(12)、滤波电路(13)、后置放大器(14)和A\D转换模块(15)。脑电信号进入信号采集模块后依次通过各个模块。输出端由一根USB数据线连接脑电信号处理模块(2)的信号输入端。\n[0042] 所述的视觉刺激器(4)包括显示12个不同频率的12组LED发光模块，根据稳态视觉诱发电位的产生机理，频率分别在13Hz-18.5Hz之间以每0.5Hz为单位间隔分布，分别代表指令：台灯开、台灯关、电扇开、电扇关、收音机开、收音机调频、电视开、电视关、电视音量加、电视音量减、电视换台加、电视换台减。其中，发光模块采用白色LED灯。三极管采用S8050芯片。为了避免相邻LED之间的干扰，将发光块封装成边长为2厘米的正方形，相邻发光块的之间的距离是2厘米。受试者通过注视12个频率不同的LED发光快中的一个频率显示模块来选择相应的控制命令。\n[0043] 本发明基于脑-机接口与Zigbee的智能家居系统及控制方法，包括如下阶段：\n[0044] 一)设计刺激器的频率，使12个白色LED发光模块以每0.5Hz间隔为单位从\n13Hz-18.5Hz以不同的频率稳定闪烁。\n[0045] 二)使人的视觉平行对视12个不同的发光刺激模块。通过头皮电极采集脑电信号并对采集到的脑电信号进行放大和A/D转换后送入脑电处理模块(2)进行脑电处理；\n[0046] 三)如图3所示，通过显示模块(3)显示人脑触发的智能家居系统的指令；\n[0047] 如图5所示，所述的脑电信号的处理(2)包括如下阶段：\n[0048] i)从信号采集模块采集数据，并进行存储；\n[0049] ii)判断采样时间是否大于设定的时间，不是，继续进行数据存储；\n[0050] iii)判断采样时间大于设定的时间，读取数据；\n[0051] iv)处理存放的数据，使用通带范围为10-20Hz、阻带衰减为60dB、通带波纹1dB的带通滤波器进行滤波去噪；\n[0052] v)将滤波后的数据用功率谱估计进行特征提取。计算采集到的脑电信号的功率谱，提取出最大功率对应的频率值作为特征值，利用模板匹配的方法将其换成控制信号。所述的计算特征提取的功率谱估计算法是通过如下公式进行计算：\n[0053] \n[0054] 把信号x(n)的N个观测数据视为能量有限的序列，直接计算x(n)的离散傅立叶变换x(k)，然后再取其幅值的平方，并除以N，作为序列x(n)真实功率谱的估计。所述的模板匹配法是若为13Hz的脑电信号处理完后输出开灯指令，若为13.5Hz的脑电信号处理完后输出关灯指令，依次类推，每0.5Hz为一个单位间隔；\n[0055] vi)根据处理结果找出人脑所发出的指令，并显示在显示模块(3)上；\n[0056] Vii)利用串口通信将模板匹配后的控制信号发送给智能家居控制器(5)；\n[0057] 本发明所述的脑电处理模块均在上位机LabVIEW软件上搭建。稳态视觉诱发电位采集和处理的程序、脑电信号实时处理和实验结果反馈为一体。在完成脑电波采集时，可以完成脑电采集通道，采样频率及时间的设置。在本系统中标准设置为每2S钟进行一次脑电信号的实时处理。脑电显示区域可以同步实时显示脑电指令。如图4所示，特征提取出的脑电信号在模板匹配后由串口通信将指令传递给智能家居控制器(5)，之后利用Zigbee无线网络传递给各个家居设备(6)。台灯(61)、电扇(62)由Zigbee模块控制继电器实现，收音机(63)由Zigbee模块控制实现，电视机(64)由Zigbee模块控制红外模块实现。\n[0058] 通过实验验证，经过受试训练本发明基于脑-机接口与Zigbee的智能家居系统及控制方法正确率高达100％，受试者发送单条指令的时间平均5s以内，最远传输控制距离可达50米左右，且受试者经过训练全部都能在规定时间内完成全套设备的触发开关动作，实现了无需肢体动作仅用脑电信号实时控制家用电器的目的。本发明表明了基于脑-机接口的智能家居系统控制方法的可行性和实用性，实时性和识别率良好，准确判断人的意图，具有较好的使用价值。