基于脑电波应用与信息处理的 意念四驱车

朱丹阳 刘靖宇 胡鹏飞 任晓旭 陈皓

摘 要：大脑健康一直是被人们忽略的重要问题，如何通过趣味十足的方式来提高注意力，放松能力，记忆力及大脑的敏锐度，以改善人们获取知识时的大脑状态，是许多科学家研究的热门方向。文中设计了一款八通道头戴仪，可准确监测头部脑电波变化，更加精确地控制意念四驱车。

关键词：意念四驱车；脑电波；信号处理

1 作品简介

大脑健康一直是被人们忽略的重要问题，如何通过趣味十足的方式来提高注意力，放松能力，记忆力及大脑的敏锐度，以改善人们获取知识时的大脑状态，是许多科学家研究的热门方向。基于现代脑机接口技术（BCI）的快速发展，人们有了更多的方式来和大脑实现“对话”。

本团队从青少年喜爱的四驱车切入，使用脑电模块TGAM检测出数值，使用干电极读取人的大脑信号，经过算法分析处理之后变为数字信号，实现了利用脑电波控制四驱车的功能，青少年可以通过集中注意力或者放松自己来控制四驱车的速度，继而方便青少年在娱乐的同时锻炼自身注意力及对自身情绪的控制能力。现在市场上的头戴仪大多是单通道或三通道，本团队自主开发出了八通道头戴仪，更加精确地监测头部脑电波的变化，使得对四驱车的控制更加灵敏。四驱车模型如图1所示。

2 工作原理

运用脑电模块TGAM检测出数值，使用干电极读取人的大脑信号，可以过滤掉周围的噪音和电器的干扰，并将检测到的大脑信号转成数字信号。我们通过分析数字信号，将其转化为手机可视的数据，主要分析的数据有注意力和放松力。之后通过将蓝牙解析出的数据传给智能小车，通过编程解析转换数据，使其可以控制小车运动，工作原理如图2所示。

实现意念四驱车主要功能的模块：脑电检测模块使用干电极收集大脑所发出的脑电波信号，通过算法过滤掉周围环境中对于信号的干扰并转换成可以实现控制的数字信号；蓝牙HC-05模块将脑电检测模块处理之后的数字信号传输到四驱车电路板上；51单片机将处理所得的数字信号变成实际的机械控制；机械传动模块实现传输信号的具体控制。意念四驱车内部电路及参数指标如图3所示。

2.1 TGAM模块基本信息

TGAM是世界上最受欢迎的脑电解决方案。它使用干电极读取人的大脑信号，可以过滤掉周围的噪音和电器的干扰，并将检测到的大脑信号转成数字信号。目前脑电技术已经广泛应用在游戏、健康、教育、玩具及研究中。

TGAM模块内含TGAT芯片，该芯片是一个高度集成的单一芯片脑电传感器，可以输出三个Neurosky的eSense参数，可以进行模数转换，检测接触不良的异常状态，过滤掉眼电噪音及50/60 Hz交流电干扰。TGAM的价格适中，已大量应用于玩具、移动设备、教育产品等。TGAM模块连接示意如图4所示。

2.2 TGAM模块产品规格

（1）能直接连接干接触点，不像传统医学用的湿传感器使用时需要上导电胶；

（2）单EEG脑电通道有3个接触点：EEG（脑电采集点）、REF（参考点）、GND（地线点）；

（3）上电后若接触点连续4 s没有采集到脑电或连续7 s收到差的脑电信号，本智慧模块会通过“信号质量强度”模块发出警告，提醒用户调整传感器；

（4）先进的噪音过滤技术，能阻挡日常生活中环境里的各种干扰；

（5）低能耗，是适合便携式消费产品的电池供电设备，

3.3 V供电下最大消耗为15 mA；

（6）原始脑电数据以512 Hz输出。

2.3 产品测量量

（1）原始脑波信号；

（2）处理和输出α，β等脑波波段数据；

（3）处理和输出Neurosky（神念科技）获得专利技术的eSense专注度和放松度指数及未来开发的其他数据；

（4）嵌入式的信号质量分析功能能警告接触不良或是完全没接触的异常状态；

（5）眨眼侦测。

2.4 产品物理参数规格

（1）规模尺寸（最大）2.79 cm×1.52 cm×0.25 cm；

（2）重量（最大）130 mg；

（3）采样率：512 Hz；

（4）频率范围：3～100 Hz；

（5）静电保护：4 kV接触放电，8 kV隔空放电；

（6）最大消耗功率：15 mA / 3.3 V；

（7）运行电压：2.97～3.63 V。

2.5 UART（串口）标准输出接口

（1）1 200，9 600，57 600波特率；

（2）8 bits；

（3）No parity；

（4）1 stop bit。

TGAM模块实物如图5所示。

2.6 蓝牙HC-05模块

HC-05是主从一体化的蓝牙串口模块，主从可指令切换，指令丰富齐全（供电电压为3.3～3.6 V）。

主机：用来搜索从设备，不能被其他设备搜索。

从机：用来被搜索的设备，不能主动搜索其他设备。

主从机连接后相当于使用一根串口线，此时不分主从，即透传模式：

（1）采用CSR主流蓝牙芯片，蓝牙V2.0协议标准。

（2）模块供电电压：3.3～3.6 V。

（3）默认参数：波特率为9 600、配对码为1234、工作模式为从机。

（4）核心模块尺寸为：27 mm×13 mm×2 mm。

（5）工作电流：不大于50 mA（以实测为准）。

（6）通讯距离：空旷条件下为10 m，正常使用环境约为8 m。

（7）用于GPS导航系统，水电煤气抄表系统，工业现场采控系统，可以与蓝牙笔记本电脑、电脑加蓝牙适配器、PDA等設备进行无缝连接。