脑控变色小彩灯

黄缨婷 安宏博 赵功博 王晨

1.陕西智联脑控科技有限公司 陕西西安 710000 2.西北大学 陕西西安 710000

1 概述

脑机接口BCI 技术形成于20 世纪70 年代[1]，至今已有近四十年的研究历程。近年来，随着人们对大脑神经系统认识的提高和计算机应用技术的发展，越来越多的科研工作者对脑电波信号颇有兴致，BCI 技术的研究趋势在明显上升。一个典型的BCI 系统应该包括信号采集、数据处理、控制设备和结果反馈四个要素，其中数据处理包括特征检测和意念识别两个环节[2]。BCI 系统结构如图1 所示。

图1 BCI 系统结构图

随着各类生物电传感器不断涌现，BCI 技术水平也得到了极大的提升，其应用呈现出多领域、多元化发展[3]。BCI 医疗应用可以帮助重度残疾患者独立工作，提高生活质量，利用脑电图（electroencephalo-graph，EEG）信号来鉴别肿瘤；在通信和控制方面，可以利用BCI 系统控制拼写设备、灯光和温度环境、假肢设备等；在神经物理调节与康复上，为治疗注意缺陷、多动障碍、记忆障碍、癫痫和中风等神经障碍患者提供了一种可能。总之，脑-机接口BCI 技术在当今已出现多领域应用成为生物医学工程、计算机和通信技术等领域一个新的研究热点，对实现新型智能家居和人工智能等方面有着重要意义。

2 脑电波控制RGB 全彩灯系统设计与实现

2.1 系统整体设计

脑控变色小彩灯系统框图。通过TGAM 脑波传感器来采集用户额前单通道脑电信号，然后传输给蓝牙主机并生成计算机指令，由STC89C52 单片机控制RGB 全彩灯模块。

2.2 硬件部分

（1）单通道脑电信号采集模块。设计采用神念科技Neurosky Think Gear AM（TGAM）脑电模块来获取用户额前单通道脑电信号。TGAM 脑电模块可以连接干接触点，不需要使用导电胶。单通道的脑电EEG 有三个干接触点：额前脑电采集点、地线点和参考点。TGAM 模块采集到原始脑电数据后处理并输出三个eSense 参数：专注度、放松度和眨眼力度，利用采集到的原始脑电数据和专注度参数attention 来控制RGB 全彩灯的开关以及颜色的变换。

（2）脑电信号与PC 机蓝牙传输模块。将所采集到的脑电数据通过蓝牙发送给PC 端，在计算机中使用蓝牙串口接收并解析数据。使用蓝牙4.0 无线通信不仅节约成本，降低延迟，而且可以超长有效距离连接，保证TGAM 中所采集到的脑电数据的稳定性和可靠性。

（3）RGB 全彩灯控制模块。本设计微控制单元MCU 所采用的是STC89C52 单片机，是一种低功耗、高性能的微控制器。负责接收串口指令以及控制下位机RGB 全彩灯的开关和变换。P30和P31 管脚连接接收RXD 和发送TXD，RGB 全彩灯的三个引脚由P00-P02 所控制，其余引脚连接至VCC 和GND 即可。

（4）RGB 全彩灯模块设计。RGBLED 全彩灯由单片机直接进行控制，在设计全彩灯时，需要在R、G、B 三个引脚处分别串接一个限流电阻，防止单片机所提供电源过大而导致LED 灯烧坏。

2.3 软件部分

（1）脑控RGB 全彩灯软件编程。脑控变色小彩灯BCI 系统软件实现包括两部分：MCU 单片机编程和Python 数据接收解析。给单片机编写程序采用的是Keil4，主要实现的是对RGB 彩灯的控制功能。使用Pycharm 软件编程来接收蓝牙串口数据并解析，然后生成计算机指令通过串口通讯发送给单片机，进而控制RGB小彩灯。

整个BCI 系统软件实现流程如图3.6 所示，当程序开始运行后，先进行接收蓝牙串口所发送的EEG 数据然后对其进行解析得到专注度attention 参数的值，等待“开灯”或“关灯”按钮闪烁时并眨眼，控制彩灯的开关状态，等待R/G/B 按钮闪烁时并调节用户专注度，进行改变彩灯的颜色。

（2）用户联合脑电控制下位机的GUI 界面设计。为方便用户选择控制RGB 小彩灯的功能，设计了一个友好的控制界面。界面包含五个控制功能选择模块，并在界面中实时显示用户的专注度和视觉阻塞信号，设有开始和结束体验脑控变色小彩灯两个按钮。当点击“开始体验”后，用户可以用脑电波控制RGB 小彩灯；点击“结束体验”后退出程序。

3 结语

本设计所实现的脑控变色小彩灯是利用脑电视觉阻塞和attention 信号进行选择控制功能与调节颜色变换的，实现了连续指令控制的BCI 系统。由计算机发送单指令控制彩灯的开/关，发送连续指令调节R/G/B 的值以改变彩灯的颜色。但由于脑电信号是一种极其复杂且非平稳的随机信号，信号中包含加性高斯白噪声，因此要在用户脑电波相对稳定时进行控制小彩灯BCI 系统，体验效果会更佳。