关键词：脑电；TGAM模块；蓝牙通信；VS1053模块；辅助睡眠
生物电现象是生命活动的基本特征之一，人类在进行思维活动时，大脑可以产生脑电波，而这些脑电信号可以通过传感器进行测量和研究。通过对脑电信号的研究，人们已经日趋深入地了解了大脑的结构和功能，目前的重点则是对脑机接口[1]（brain-computer interface）的研究与利用。通过脑机接口，人们可以实现用户训练、运动恢复等功能[2]。
我们基于对脑电的认识，设计研发了基于脑电信号的卧室助眠系统：利用脑电信号分析用户的睡眠状态，进而控制MP3模块播放音乐辅助睡眠。
1 系统原理
本文所述系统是基于NeuroSky的脑电传感器的二次开发，系统由脑电采集模块、无线数据传输模块、STM32F103嵌入式模块和音频输出模块构成。系统工作时，干电极采集到的原始脑电经由TGAM模块的预处理转换成脑电数据包，数据通过蓝牙模块进行传输，由STM32单片机对其进行处理，进而判断用户的睡眠状态，最后系统控制音频输出模块播放音乐，从而实现助眠目的，系统框图如图1.1 所示。
图1.1 系统框图
2 硬件模块选取
2.1脑电波采集模块
TGAM是Neurosky为大众市场应用所设计的脑电传感器模块。TGAM模块采样频率为512Hz，可将原始脑电信号转化成数字信号进行输出，其采用了先进的过滤技术，可以排除日常生活中环境噪音干扰，提高了信号的准确性。再者，此模块突破了医用常规的湿传感器使用上的不便，和人体的接触只需要一个干接触点，很好地满足本系统佩戴简捷、使用方便的要求。
TGAM脑电采集点位于前额左眼或右眼上方，接触点与皮肤接触的表面积在80平方毫米到150平方毫米之间，接地点和参考点位于两耳垂上。TGAM模块实物图如图2.1所示。
图2.1 TGAM模块实物图
2.2 无线数据传输模块
蓝牙通信技术采用分布式网络结构及跳频和短包技术，基于数据包、有着主从架构的协议，支持点对点及点对多通信。其传输距离较近、功耗低，应用方便。
本系统中通过蓝牙模块实现短距离数据的无线传输。根据对数据的收发情况，蓝牙模块又可细分为蓝牙从机发射模块和蓝牙主机接收模块两部分。蓝牙从机发射模块与TGAM模块相连接，实现脑波采集数据的发送，连接图如图2.2所示。
图2.2 蓝牙从机与TGAM模块连接图
蓝牙主机接收模块采用HC-05蓝牙模块，该模块是专为智能无线数据传输而打造，遵循V2.0+EDR蓝牙规范[3]。模块具有体积小、功耗低、收发灵敏性高等优点，适用于本系统短距离的数据无线传输设计需要。通过AT命令的设置使其与蓝牙从机配对，进而实现脑电数据的接收，并通过所接串口将数据传输给单片机。在助眠系统处于工作状态时，两者同时工作，将脑波采集模块的数据无线传输给数据处理模块，满足采集模块和处理、输出模块分离的设计要求。
2.3 STM32F103嵌入式模块
STM32F103单片机可提供最高72MHz工作频率，2个12位模数转换器，8个定时器和9个通信接口，其中包含3个USART接口和2个SPI接口，具有高性能、低功耗的优良特性[4.5]。本次设计采用STM32F103RCT6芯片，是STM32F103系列的其中一款，有64个引脚和512K字节的闪存程序存储器，该款芯片功耗低、性能优良，完全可以满足设计的需要，系统使用它作为中央数据处理控制器。
2.4 音频输出模块
本次设计中的音频输出模块选用VS1053模块，该模块是单片Ogg Vorbis/MP3/AAC/WMA/MIDI音频解码器[6]，它包含了DSP 处理器内核VS_DSP4和工作数据存储器等。其通过SPI接口控制/传输数据，接口简单，使用方便；此外，其自带一个优质的可变采样率立体声ADC和立体声DAC，使得音频播放质量得到保证。
3 脑电数据的通信及解析
3.1 数据采集
人类的大脑无时无刻不在产生脑电波，这些脑电波有一定的频率范围，根据已有的分类方法，可以将脑电波分为5个频段[7]，这些不同频段的脑波有对应不同的情绪状态。TGAM模块通过与人体直接接触的干电极获取脑电信号，然后经由其滤波、放大、数模转换等最终将脑电信号以ThinkGear数据包的格式输出。其包格式由3部分组成：a.数据包头；b.分组有效载荷；c.有效负载校验和[8]。可以根据数据包头和有效负载校验和对数据流同步和数据完整性进行校验。
3.2 数据处理
3.2.1 eSense 参数说明
eSense 是NeuroSky以数字化参数方式对人的当前精神状态进行度量的脑电算法。通过此算法对脑电信号进行分析，可以得到eSense “专注度”指数、eSense “放松度”指数、熟悉度、用脑量等一系列数字化参数[8]。TGAM模块每秒输出513个数据包，其中前512个为小包，第513为大包，系统所需要的“关注度”和“放松度”两个eSense参数就在这第513个大包中。
3.2.2 数据通信
TGAM模块连接的蓝牙2.0模块遵照蓝牙串口通信协议，其工作在2．4 GHz 频带下[9]。可以通过它将采集到的脑电数据包发送到与STM32单片机串口相连接的蓝牙接收模块上。蓝牙模块在接收到数据包后，通过串口将数据传送到单片机的接收缓冲区内，从而进行下面一系列的数据处理。
3.2.3 数据处理
数据的处理主要通过STM32单片机完成，这里采用STM32F103作为主控制器，其提供很高的代码效率，具有很良好性能。
在此基础上，我们对脑波数据进行以下处理：
（1）数据包的接收。脑电模块通过蓝牙模块把脑电数据传送给单片机，单片机通过USART异步串行通信接口接收数据。在接收前先根据大包的数据包格式对数据进行校验，通过校验则对数据进行保存，完成接收。
（2）有效数据的提取。接收完成的大包数据中包括几种典型脑波的数据、专注度eSense 值、放松度eSense值和眨眼强度等。本系统只需要专注度和放松度两值，我们根据大包数据包格式对以上两个有效数据进行提取，提取过程如图3.1所示：
图3.1 数据提取流程图
4 系统实现
通过对系统的分析与设计，助眠系统控制流程可以分为以下五个基本过程：
（1）系统的整体初始化：包括初始化一维数组、串口的初始化以及GPIO复用功能配置等；
（2）脑电数据包的采集与通信：脑电采集模块采集的脑电数据通过蓝牙传输给单片机，程序通过判断数据包头和有效负载校验和来确定数据包是否正确、完整并进行保存，否则将丢掉该数据包；
（3）有效数据的提取：判断数据包标志位及指定位的数据是否为指定值，即提取大包数据的第33位专注度数值、第35位放松度数值两个有效数据；
（4）睡眠状态的确定：对上述专注度数值和放松度数值范围确定睡眠状态；
（5）控制MP3模块播放音乐：清醒状态时播放指定音乐辅助睡眠，睡着时停止音乐的播放；。
系统控制的实现可以用以下程序流程图4.1表示。在对系统各个模块进行分析设计的基础上，我们得到了整个系统模型，并制作出了实物。
图4.1 系统控制流程图
5结语
本次系统设计在研究Neurosky的eSense参数的基础上，对数据包进行解析，从中得到了我们需要的专注度指数和放松度指数，并据此进行用户睡眠状态判断。系统根据所得状态控制音乐的播放，从而实现助眠目的，具有很好的现实意义。
参考文献：
[1]任岩，安涛，领荣.脑机接口技术教育应用：现状、趋势与挑战[J].现代远距离教育，2019（02）：71-78
[2]陈小刚，王毅军，张丹. 2018年脑机接口研发热点回眸[J].科技导报，2019，173-179
[3]KAMMER D，MCNUTT G，SENESE B，等.蓝牙应用开发指南［M］．李静，奉继辉，王婷，等译.北京：科学出版社，2003
[4]翟羽佳，刘雨佟，汪凡.基于STM32F103单片机的汽车前照灯智能控制系统的设计与实现[J].科技与创新，2019（07）：54-55
[5]张鹏儒. 基于STM32微控制器智能军营环境参数检测系统[D].西安电子科技大学，2015
[6]张丽梅，甘伯青，易施光. 基于STM32的多功能MP3设计[J]. 电子技术与软件工程，2019，（06）：72-74
[7]柳长源，李文强，毕晓君.基于脑电信号的情绪特征提取与分类[J].传感技术学报，2019，32（01）：82-88
[8]NeuroSky，MindSet Communications Protocol，2010.6.18：1-19
[9]朱翠翠，王勇.基于蓝牙技术的车载无线电通讯技术应用[J].计算机产品与流通，2018（11）：98
论文作者:刘美丽,陈大志,李耀威,刘元森,戴启军
论文发表刊物:《防护工程》2019年8期
论文发表时间:2019/7/29
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