基于穩態視覺誘發電位的電力載波傳輸控制系統研究

摘 要： 利用人體的腦電信號控制外界的設備是一種新型的人機交互方式，依此展開了基于穩態視覺誘發電位的電力載波傳輸控制系統的研究。設計了一套腦電實時控制家庭終端的新型智能家居系統。系統中融合了電力載波通信技術，不僅解決了那些行動不便的人群與外界交流的問題，也解決了傳統控制模式中射頻干擾與傳輸距離限制的問題。系統采用單片機控制LED作為視覺刺激器。腦電算法處理在LabVIEW平臺上進行，利用功率譜估計實時提取誘發電位向量，產生腦_機接口控制命令，控制命令通過電力載波模塊實現在家用電力線的傳輸，并最終在家庭終端實現動作控制。通過實驗驗證，設計的系統平均識別率在95%以上，平均單次對家電開關控制的時間在6 s左右。

關鍵詞： 腦機接口； 智能家居； 穩態視覺誘發電位； 電力載波

中圖分類號： TN911.7?34； TP274 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）13?0137?03

Abstract： It is a new man?machine interaction way to control the external devices with the human EEG. Therefore， the power line carrier transmission control system based on steady state visual evoked potential （SSVEP） is researched. A set new intelligent home system to control the home terminals with EEG in real time was designed. The power line carrier communication technology is integrated in the system to solve the communication problem between the man of limited mobility and outside world， and also solve the limitation problem between RF interference and transmission distance of the traditional control mode. The LED controlled by single chip microcomputer is taken as the visual stimulator in the system. The EEG algorithm is processed on LabVIEW platform， in which the power spectrum estimation is used to extract the evoked potential vector in real time to generate the brain?computer interface （BCI） control command. The control command can realize the household power line transmission through the power line carrier module and operation control in home terminal. The experimental results verify that the average recognition rate of the designed system can reach up to 95%， and the average control time for single household app?liance switch is about 6 seconds.

Keywords： BCI； smart home； steady state visual evoked potential； power line carrier

0 引 言

腦機接口（Brain Computer Interface，BCI）是一種不同于人腦正常傳播機理的通信方式，它運用工程技術手段建立人腦與機器之間的交互。這種無需肢體運動便可實現外界控制的交互模式，非常適用于老年人與殘障人士等不具備肢體表達能力的人群。在運動康復領域也有著十分重要的作用和研究意義。BCI技術的發展為思維正常但是有嚴重運動障礙的人與外界交流提供新的途徑[1]。視覺誘發電位（Visual Evoked Potential，VEP）是腦電誘發電位的一種，根據刺激信號的不同可以分為瞬態視覺誘發電位和穩態視覺誘發電位SSVEP（Steady State VEP）。瞬態誘發電位的刺激頻率一般不超過4 Hz，當新刺激來到之前上一個刺激響應已經結束，各次刺激形成的響應在時間上互不重疊，而穩態視覺誘發電位的刺激頻率一般超過6 Hz，并且各次刺激引起的響應在時間上發生重疊。SSVEP具有高信息傳輸率，較短訓練時間和易于提取等優點，因而SSVEP是控制系統輸入信號。

電力線通信技術（Power Line Communication，PLC）是一種利用中、低壓電力線作為通信介質，實現數據、信號、圖像、命令等綜合業務傳輸的通信技術。其具有覆蓋范圍廣、不用打破原有布線方式、一線兩用、各類用電器均可直接作為鏈接終端等優勢，因此被廣泛用在遠程抄表、智能家居等領域[2]。

傳統穩態視覺誘發電位腦電信號的控制系統中，控制命令往往通過無線通信技術進行傳輸。但是無線傳輸具有無法穿越墻體，特殊環境無線頻譜受限等缺點。因此，設計了基于穩態視覺誘發電位的電力載波傳輸控制系統，實現了SSVEP信號在以電力線為傳輸線路的基礎上對家庭終端的控制[3?4]。

1 系統構建簡介

基于穩態視覺誘發電位的電力載波傳輸控制系統包括：穩態視覺誘發電位信號誘發與采集，腦電信號處理，電力載波傳輸與控制三個環節，系統如圖1所示。所設計的系統主要包括：單片機控制的LED腦電刺激器、腦電信號采集器、LabVIEW上位機腦電信號處理平臺、電力載波模塊與外圍控制電路。

2 信號誘發與采集

視覺刺激器提供外部視覺刺激和與人體交互的外部裝置，主要功能是產生穩態視覺誘發電位信號。一般有二極管閃爍和顯示屏閃爍兩種方式。為實現最佳視覺刺激效果，提取可靠的穩態視覺誘發電位，系統選用二極管閃爍的模式。視覺刺激器以ATmega16為控制核心，控制5路分別以14 Hz，14.5 Hz，15 Hz，15.5 Hz，16 Hz，16.5 Hz，17 Hz，17.5 Hz頻率閃爍的2 cm×2 cm的LED發光塊，其中對應四種家用電器的開關狀態。對于視覺和認知能力正常的人，眼睛經過視覺刺激后會在枕區位置產生特定的電位信號，即穩態視覺誘發電位。

系統的采集電極采用Ag?AgCl電極。采集模塊中采用北京中科新拓儀器有限公司生產的NT9200系列的數字腦電圖儀，其在對人體穩態視覺誘發電位信號采集放大的同時還可以硬件濾波，可以去除人體肌電、眼電、體表靜電和工頻干擾等噪音信號。其在對腦電信號完成模/數轉換后通過USB接口傳送給上位機腦電處理平臺。

3 腦電信號處理

經過NT9200系列數字腦電圖儀傳送給上位機的EEG是一種生物信號，其無法實現直接對電子設備的控制，必須經過特征提取，在特征提取完成后還需要進行識別分類，最終才能轉為控制指令。

3.1 特征提取

功率譜定義了單位頻帶內信號功率隨頻率的分布情況，可以對隨機數據進行有效分析，對差別較小的源信號進行數據壓縮，提取有用信息。利用特征提取算法提取出最大功率對應的頻率值作為特征值，再與設定值進行模板匹配就可以將腦電信號轉化為控制信號。

具體算法為（周期圖法）：將采集到的信號的個有限觀測數列進行Fourier變換，然后求得功率譜密度。假設有限長隨機信號為它的Fourier變換和功率譜估計公式的關系為式中，為隨機信號序列的長度。在離散的頻率點處可得：

3.2 腦電信號處理實現

腦電信號處理平臺在LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）平臺上搭建，在LabVIEW平臺信號處理工具包中調用自功率譜VI實現算法。通過上位機串口模塊將控制信號傳給電力載波模塊[5]，具體程序如圖2所示。

4 電力載波傳輸與控制

電力載波傳輸與控制環節以帶有調制解調功能的PL3105主控制芯片設計實現，PL3105是專門為智能信息家電，遠程監控系統和自動抄表系統設計的單芯片片上系統，其以擴展通信理論為核心，可以有效抑制干擾，在電力載波通信方面具有很大優勢。電力載波與家庭終端部分硬件設計框圖如圖3所示。其中主機串口負責接收上位機腦機接口部分傳輸的控制命令，經過主MCU中的程序判斷，通過電力線發送給從機。從機通過控制繼電器的開合實現腦電信號對終端的控制實驗[6?8]。

首先主程序負責對芯片初始化，如載波模式設置，串口通信的設置以及中斷的設置等，其中主機的載波模式設置為發送模式，從機的載波模式設置為接收模式。主機在接收到上位機串口發送的命令以后，轉入中斷模式，在中斷程序中根據命令的不同將數據發往不同的地址，從機中只有地址相同的模塊才允許應答。在從機的中斷程序中實現對數據的同步判斷以及外圍電器的控制[9]。發送程序中加入同步幀是因為電力線有噪聲存在，中斷發送，接收中斷程序如圖4，圖5所示。

5 系統實驗

5.1 實驗步驟

穩態視覺誘發電位信號是人眼對外界刺激的一種反應，因此受試者幾乎不需要訓練。實驗環節在一個相對安靜的環境下進行，選取6名15～30歲之間的受試者，其中3名女性，3名男性。實驗過程如圖6，圖7所示，讓這6名受試者進行雙眼集中注意力的實驗。以保證其在LED燈光刺激下能集中注意力完成實驗。首先讓受試者熟悉實驗步驟。接著受試者帶上電極，將銀盤電極置于受試者腦部枕區的O2處，此處為記錄腦電數據的導聯； 同時安放雙耳參考電極，實驗開始后，保持實驗環境安靜，受試者專注實驗。告知受試者，對相應的電器做控制，受試者按照提示注視相應的LED控制家電。記錄實驗結果。

5.2 實驗結果與分析

家電成功操作記為成功，否則記為失敗，計算成功率見表1。通過實驗證明基于穩態視覺誘發電位的電力載波傳輸控制系統具有比較高的識別率，能夠較好地完成對家庭終端的控制，實驗結果表明本系統的設計具有可行性與實用性，具有比較高的應用價值。

6 結 語

本文設計探索了BCI技術與電力載波通信技術的融合，其與電力載波技術的融合可以實現在不需要另外搭設通信網絡的前提下實現通信。BCI技術以其巨大的應用前景已經成為近年來最令人期待的學科。其研究已經成為腦科學、康復工程、生物醫學工程等一個熱點前沿?？傮w而言，腦機接口目前還處于發展階段，研究面臨著眾多的難題，如速度低，不穩定等。但是其在諸多領域的潛在研究價值是巨大的，隨著關鍵技術的解決和其他學科技術的發展，相信在將來，腦機接口技術將在諸多領域中起到關鍵作用。

參考文獻

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