基于腦-機接口與Zigbee的智能家居系統(tǒng)及控制方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于腦-機接口與Zigbee的智能家居系統(tǒng)及控制方法。特別是 涉及一種僅通過腦電信號控制家智能家居的方法，為肢體障礙的殘疾人提供了一種與外界 交流的方法。
【背景技術】
[0002] 近幾年，腦-機接口已經(jīng)由實驗室階段逐漸面向應用，特別是在控制領域里作為 一項新的技術正在被廣泛的開發(fā)，如利用腦電信號控制太空機器人、智能輪椅等。因其不需 要肢體動作僅依靠生物電信號就可達成對指定設備的控制被廣泛引入到許多特殊環(huán)境作 業(yè)的領域，帶來了巨大的便攜，也為許多應用領域的難題提出了新的解決技術方案。
[0003] 基于腦-機接口與Zigbee的智能家居系統(tǒng)及控制方法是利用視覺刺激器誘發(fā)人 腦產(chǎn)生特定的腦電信號實現(xiàn)人對外界家居環(huán)境的控制與交流的方法。它僅僅依靠人的視覺 和腦電信號作為傳輸媒介，實現(xiàn)人腦對外界設備的控制和交流。這種方法對殘疾人的康復 生活起到了很大的幫助，減少了醫(yī)護人員和家屬的護理工作量，幫助肢體殘疾人獨立的生 活，提高他們的生活質量和給予他們享受生活的權利。
[0004] 穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位作為人機交互系統(tǒng)的常用輸入信號具有高信息傳輸率、較短訓 練時間和特征易于提取等優(yōu)點，且僅需要位于枕葉皮層位置少數(shù)幾個電極的信號就可提 取?；谀X機接口的智能家居技術，是在傳統(tǒng)的智能家居基礎上，把腦-機接口技術引入其 中，為助殘和娛樂方便生活提出一種全新的解決途徑。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005] 本發(fā)明所要解決的技術問題是，提供一種腦電控制智能家居系統(tǒng)的方法，達到無 需肢體動作僅利用穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位控制智能家居的系統(tǒng)。
[0006] 本發(fā)明所采用的技術方案是，基于腦-機接口與Zigbee的智能家居系統(tǒng)及控制方 法，包括有依次串聯(lián)連接的信號采集模塊、腦電處理模塊、顯示模塊、無線傳感器網(wǎng)絡組成 的智能家居控制器和家居設備，以及通過視覺刺激來使大腦產(chǎn)生腦電信號的視覺刺激器模 塊，所述的顯示模塊也通過視覺向受試者反饋所采集到的腦電信號。
[0007] 所述的信號采集模塊包括有與人腦部連接的頭皮電極和兩個耳電極，以及前置放 大器、工頻陷波電路、濾波電路、后置放大器和A\D轉換模塊。所述的信號采集模塊的輸出 端連接腦電處理模塊輸入端。
[0008] 所述的腦電處理模塊搭建在LabVIEW軟件上，包括如下步驟：
[0009] i)從信號采集模塊采集數(shù)據(jù)，并進行存儲；
[0010] ii)判斷采樣時間是否大于設定的時間，不是，繼續(xù)進行數(shù)據(jù)存儲；
[0011] iii)判斷采樣時間大于設定的時間，讀取數(shù)據(jù)；
[0012] iv)處理存放的數(shù)據(jù)，使用通帶范圍為10-20HZ、阻帶衰減為60dB、通帶波紋IdB的 帶通濾波器進行濾波去噪；
[0013] v)將濾波后的數(shù)據(jù)用功率譜估計進行特征提取。計算采集到的腦電信號的功 率譜，提取出最大功率對應的頻率值作為特征值，利用模板匹配的方法轉將其換成控制信 號；
[0014] vi)根據(jù)處理結果找出人腦所發(fā)出的指令，并顯示在顯示模塊上；
[0015] Vii)利用串口通信將模板匹配后的控制信號發(fā)送給智能家居控制器；
[0016] 所述的模板匹配法是若為13Hz的腦電信號處理完后輸出開燈指令，若為13. 5Hz 的腦電信號處理完后輸出關燈指令，依次類推，每〇. 5Hz為一個單位間隔，從13HZ-18. 5Hz 分別代表指令：臺燈開、臺燈關、電扇開、電扇關、收音機開、收音機調(diào)頻、電視開、電視關、電 視音量加、電視音量減、電視換臺加、電視換臺減。
[0017] 所述的視覺刺激器包括顯示12種不同頻率的12組頻率顯示模塊，每一個顯示模 塊均通過三級管（Q1-Q12)驅動LED發(fā)光模塊（D1-D12)實現(xiàn)。12個不同的LED發(fā)光快所顯 示的頻率分別代表：臺燈開、臺燈關、電扇開、電扇關、收音機開、收音機調(diào)臺（加減）、電視 開、電視關、電視頻道加、電視頻道減、電視音量加、電視音量減。
[0018] 基于腦-機接口與Zigbee的智能家居系統(tǒng)及控制方法，其特征在于，包括如下階 段：
[0019] -）設置視覺刺激器的頻率，使12個不同的LED發(fā)光塊以各自頻率穩(wěn)定閃爍；
[0020] 二）將一個頭皮電極放置在人后腦的枕區(qū)，兩個耳電極放置在左右耳部，并使人 的視覺平行對視著12個頻率不同的LED發(fā)光快，通過頭皮電極采集到的腦電信號并對采集 到的腦電信號放大和A\D轉換后送入腦電處理模塊進行處理；
[0021] 三）通過顯示模塊顯示人腦觸發(fā)的智能家居系統(tǒng)的指令；
[0022] 所述的智能家居控制器負責與腦電處理模塊通信，將處理出的腦電指令發(fā)送給家 居設備。
[0023] 所述的家居設備由Zigbee無線網(wǎng)絡組成，包括臺燈模塊、電扇模塊、收音機模塊、 電視模塊。
[0024] 本發(fā)明基于腦-機接口與Zigbee的智能家居系統(tǒng)及控制方法，為智能家居控制帶 來一種新的方法，具有廣泛的實用性和適用性。本發(fā)明可以幫助具有運動障礙的殘疾人士 和有特殊需求的人群，特別是需要監(jiān)護的殘疾人實現(xiàn)日常獨立生活。對于視覺正常的普通 人在行動不便的情況下，本發(fā)明也可以提供一種有效的與外界交流的途徑。
【附圖說明】
[0025] 圖1是本發(fā)明的整體框圖
[0026] 圖2是本發(fā)明信號采集模塊原理框圖
[0027] 圖3是本發(fā)明顯示模塊指令按鈕圖
[0028] 圖4是本發(fā)明家居設備原理框圖
[0029] 圖5是本發(fā)明的整體控制流程圖
[0030] 其中：
[0031] 1:信號采集模塊 2:腦電處理裝置
[0032] 3 :顯示模塊 4 :視覺刺激器
[0033] 5 :智能家居控制器 6 :家居設備
[0034] 11:前置放大器 12:工頻陷波電路
[0035] 13:濾波電路 14:后置放大器
[0036] 61:臺燈 62:電扇
[0037] 63:收音機 64:電視
【具體實施方式】
[0038] 下面結合附圖和實驗對本發(fā)明基于腦-機接口與Zigbee的智能家居系統(tǒng)及控制 方法做出詳細說明。
[0039] 本發(fā)明基于腦-機接口與Zigbee的智能家居系統(tǒng)及控制方法是利用閃光視覺刺 激人眼產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位現(xiàn)象結合Zigbee物聯(lián)網(wǎng)智能家居技術，設計了一套利用 腦電控制家用電器的系統(tǒng)。本發(fā)明利用氯化銀電極僅采集受試者后腦枕區(qū)01位置的信號， 并結合兩個耳部參考電極就實現(xiàn)了對人腦信號的提取。
[0040] 如圖1所示，本發(fā)明基于腦-機接口與Zigbee的智能家居系統(tǒng)及控制方法，包括 有依次串聯(lián)連接的信號采集模塊（1)、腦電處理模塊（2)、顯示模塊（3)、視覺刺激器模塊 (4)、智能家居控制器（5)和家居設備（6)。其中所述的信號采集模塊（1)主要負責從氯化 銀電極采集人腦的生物電信號，并進行模數(shù)轉換，完成生物腦電信號到數(shù)字信號的轉換。所 述的腦電信號處理模塊（2)主要處理從信號采集模塊（1)收到的數(shù)字腦電信號，經(jīng)過處理 識別出特征值并轉化為控制命令控制下位機家居設備(6)。所述的顯示模塊（3)通過視覺 向受試者反饋采集到的信號和觸發(fā)的家電指令。
[0041] 如圖2所示，所述的信號采集模塊（1)包括前置放大器（11)、工頻陷波電路（12)、 濾波電路（13)、后置放大器（14)和A\D轉換模塊（15)。腦電信號進入信號采集模塊后依 次通過各個模塊。輸出端由一根USB數(shù)據(jù)線連接腦電信號處理模塊（2)的信號輸入端。
[0042] 所述的視覺刺激器（4)包括顯示12個不同頻率的12組LED發(fā)光模塊，根據(jù)穩(wěn)態(tài) 視覺誘發(fā)電位的產(chǎn)生機理，頻率分別在13HZ-18. 5Hz之間以每0. 5Hz為單位間隔分布，分別 代表指令：臺燈開、臺燈關、電扇開、電扇關、收音機開、收音機調(diào)頻、電視開、電視關、電視音 量加、電視音量減、電視換臺加、電視換臺減。其中，發(fā)光模塊采用白色LED燈。三極管采用 S8050芯片。為了避免相鄰LED之間的干擾，將發(fā)光塊封裝成邊長為2厘米的正方形，相鄰 發(fā)光塊的之間的