朱丹陽 劉靖宇 胡鵬飛 任曉旭 陳皓

摘 要：大腦健康一直是被人們忽略的重要問題，如何通過趣味十足的方式來提高注意力，放松能力，記憶力及大腦的敏銳度，以改善人們獲取知識(shí)時(shí)的大腦狀態(tài)，是許多科學(xué)家研究的熱門方向。文中設(shè)計(jì)了一款八通道頭戴儀，可準(zhǔn)確監(jiān)測頭部腦電波變化，更加精確地控制意念四驅(qū)車。

關(guān)鍵詞：意念四驅(qū)車；腦電波；信號(hào)處理

1 作品簡介

大腦健康一直是被人們忽略的重要問題，如何通過趣味十足的方式來提高注意力，放松能力，記憶力及大腦的敏銳度，以改善人們獲取知識(shí)時(shí)的大腦狀態(tài)，是許多科學(xué)家研究的熱門方向。基于現(xiàn)代腦機(jī)接口技術(shù)（BCI）的快速發(fā)展，人們有了更多的方式來和大腦實(shí)現(xiàn)“對話”。

本團(tuán)隊(duì)從青少年喜愛的四驅(qū)車切入，使用腦電模塊TGAM檢測出數(shù)值，使用干電極讀取人的大腦信號(hào)，經(jīng)過算法分析處理之后變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了利用腦電波控制四驅(qū)車的功能，青少年可以通過集中注意力或者放松自己來控制四驅(qū)車的速度，繼而方便青少年在娛樂的同時(shí)鍛煉自身注意力及對自身情緒的控制能力。現(xiàn)在市場上的頭戴儀大多是單通道或三通道，本團(tuán)隊(duì)自主開發(fā)出了八通道頭戴儀，更加精確地監(jiān)測頭部腦電波的變化，使得對四驅(qū)車的控制更加靈敏。四驅(qū)車模型如圖1所示。

2 工作原理

運(yùn)用腦電模塊TGAM檢測出數(shù)值，使用干電極讀取人的大腦信號(hào)，可以過濾掉周圍的噪音和電器的干擾，并將檢測到的大腦信號(hào)轉(zhuǎn)成數(shù)字信號(hào)。我們通過分析數(shù)字信號(hào)，將其轉(zhuǎn)化為手機(jī)可視的數(shù)據(jù)，主要分析的數(shù)據(jù)有注意力和放松力。之后通過將藍(lán)牙解析出的數(shù)據(jù)傳給智能小車，通過編程解析轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，使其可以控制小車運(yùn)動(dòng)，工作原理如圖2所示。

實(shí)現(xiàn)意念四驅(qū)車主要功能的模塊：腦電檢測模塊使用干電極收集大腦所發(fā)出的腦電波信號(hào)，通過算法過濾掉周圍環(huán)境中對于信號(hào)的干擾并轉(zhuǎn)換成可以實(shí)現(xiàn)控制的數(shù)字信號(hào)；藍(lán)牙HC-05模塊將腦電檢測模塊處理之后的數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)剿尿?qū)車電路板上；51單片機(jī)將處理所得的數(shù)字信號(hào)變成實(shí)際的機(jī)械控制；機(jī)械傳動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)傳輸信號(hào)的具體控制。意念四驅(qū)車內(nèi)部電路及參數(shù)指標(biāo)如圖3所示。

2.1 TGAM模塊基本信息

TGAM是世界上最受歡迎的腦電解決方案。它使用干電極讀取人的大腦信號(hào)，可以過濾掉周圍的噪音和電器的干擾，并將檢測到的大腦信號(hào)轉(zhuǎn)成數(shù)字信號(hào)。目前腦電技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在游戲、健康、教育、玩具及研究中。

TGAM模塊內(nèi)含TGAT芯片，該芯片是一個(gè)高度集成的單一芯片腦電傳感器，可以輸出三個(gè)Neurosky的eSense參數(shù)，可以進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，檢測接觸不良的異常狀態(tài)，過濾掉眼電噪音及50/60 Hz交流電干擾。TGAM的價(jià)格適中，已大量應(yīng)用于玩具、移動(dòng)設(shè)備、教育產(chǎn)品等。TGAM模塊連接示意如圖4所示。

2.2 TGAM模塊產(chǎn)品規(guī)格

（1）能直接連接干接觸點(diǎn)，不像傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)用的濕傳感器使用時(shí)需要上導(dǎo)電膠；

（2）單EEG腦電通道有3個(gè)接觸點(diǎn)：EEG（腦電采集點(diǎn)）、REF（參考點(diǎn)）、GND（地線點(diǎn)）；

（3）上電后若接觸點(diǎn)連續(xù)4 s沒有采集到腦電或連續(xù)7 s收到差的腦電信號(hào)，本智慧模塊會(huì)通過“信號(hào)質(zhì)量強(qiáng)度”模塊發(fā)出警告，提醒用戶調(diào)整傳感器；

（4）先進(jìn)的噪音過濾技術(shù)，能阻擋日常生活中環(huán)境里的各種干擾；

（5）低能耗，是適合便攜式消費(fèi)產(chǎn)品的電池供電設(shè)備，

3.3 V供電下最大消耗為15 mA；

（6）原始腦電數(shù)據(jù)以512 Hz輸出。

2.3 產(chǎn)品測量量

（1）原始腦波信號(hào)；

（2）處理和輸出α，β等腦波波段數(shù)據(jù)；

（3）處理和輸出Neurosky（神念科技）獲得專利技術(shù)的eSense專注度和放松度指數(shù)及未來開發(fā)的其他數(shù)據(jù)；

（4）嵌入式的信號(hào)質(zhì)量分析功能能警告接觸不良或是完全沒接觸的異常狀態(tài)；

（5）眨眼偵測。

2.4 產(chǎn)品物理參數(shù)規(guī)格

（1）規(guī)模尺寸（最大）2.79 cm×1.52 cm×0.25 cm；

（2）重量（最大）130 mg；

（3）采樣率：512 Hz；

（4）頻率范圍：3～100 Hz；

（5）靜電保護(hù)：4 kV接觸放電，8 kV隔空放電；

（6）最大消耗功率：15 mA / 3.3 V；

（7）運(yùn)行電壓：2.97～3.63 V。

2.5 UART（串口）標(biāo)準(zhǔn)輸出接口

（1）1 200，9 600，57 600波特率；

（2）8 bits；

（3）No parity；

（4）1 stop bit。

TGAM模塊實(shí)物如圖5所示。

2.6 藍(lán)牙HC-05模塊

HC-05是主從一體化的藍(lán)牙串口模塊，主從可指令切換，指令豐富齊全（供電電壓為3.3～3.6 V）。

主機(jī)：用來搜索從設(shè)備，不能被其他設(shè)備搜索。

從機(jī)：用來被搜索的設(shè)備，不能主動(dòng)搜索其他設(shè)備。

主從機(jī)連接后相當(dāng)于使用一根串口線，此時(shí)不分主從，即透傳模式：

（1）采用CSR主流藍(lán)牙芯片，藍(lán)牙V2.0協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。

（2）模塊供電電壓：3.3～3.6 V。

（3）默認(rèn)參數(shù)：波特率為9 600、配對碼為1234、工作模式為從機(jī)。

（4）核心模塊尺寸為：27 mm×13 mm×2 mm。

（5）工作電流：不大于50 mA（以實(shí)測為準(zhǔn)）。

（6）通訊距離：空曠條件下為10 m，正常使用環(huán)境約為8 m。

（7）用于GPS導(dǎo)航系統(tǒng)，水電煤氣抄表系統(tǒng)，工業(yè)現(xiàn)場采控系統(tǒng)，可以與藍(lán)牙筆記本電腦、電腦加藍(lán)牙適配器、PDA等設(shè)備進(jìn)行無縫連接。