基于稳态视觉诱发电位的电力载波传输控制系统研究
中图分类号： TN911.7?34； TP274 文献标识码： A 文章编号： 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
脑机接口（Brain Computer Interface，BCI）是一种不同于人脑正常传播机理的通信方式，它运用工程技术手段建立人脑与机器之间的交互。这种无需肢体运动便可实现外界控制的交互模式，非常适用于老年人与残障人士等不具备肢体表达能力的人群。在运动康复领域也有着十分重要的作用和研究意义。BCI技术的发展为思维正常但是有严重运动障碍的人与外界交流提供新的途径[1]。视觉诱发电位（Visual Evoked Potential，VEP）是脑电诱发电位的一种，根据刺激信号的不同可以分为瞬态视觉诱发电位和稳态视觉诱发电位SSVEP（Steady State VEP）。瞬态诱发电位的刺激频率一般不超过4 Hz，当新刺激来到之前上一个刺激响应已经结束，各次刺激形成的响应在时间上互不重叠，而稳态视觉诱发电位的刺激频率一般超过6 Hz，并且各次刺激引起的响应在时间上发生重叠。SSVEP具有高信息传输率，较短训练时间和易于提取等优点，因而SSVEP是控制系统输入信号。
电力线通信技术（Power Line Communication，PLC）是一种利用中、低压电力线作为通信介质，实现数据、信号、图像、命令等综合业务传输的通信技术。其具有覆盖范围广、不用打破原有布线方式、一线两用、各类用电器均可直接作为链接终端等优势，因此被广泛用在远程抄表、智能家居等领域[2]。
传统稳态视觉诱发电位脑电信号的控制系统中，控制命令往往通过无线通信技术进行传输。但是无线传输具有无法穿越墙体，特殊环境无线频谱受限等缺点。因此，设计了基于稳态视觉诱发电位的电力载波传输控制系统，实现了SSVEP信号在以电力线为传输线路的基础上对家庭终端的控制[3?4]。 1 系统构建简介
基于稳态视觉诱发电位的电力载波传输控制系统包括：稳态视觉诱发电位信号诱发与采集，脑电信号处理，电力载波传输与控制三个环节，系统如图1所示。所设计的系统主要包括：单片机控制的LED脑电刺激器、脑电信号采集器、LabVIEW上位机脑电信号处理平台、电力载波模块与外围控制电路。
2 信号诱发与采集
视觉刺激器提供外部视觉刺激和与人体交互的外部装置，主要功能是产生稳态视觉诱发电位信号。一般有二极管闪烁和显示屏闪烁两种方式。为实现最佳视觉刺激效果，提取可靠的稳态视觉诱发电位，系统选用二极管闪烁的模式。视觉刺激器以ATmega16为控制核心，控制5路分别以14 Hz，14.5 Hz，15 Hz，15.5 Hz，16 Hz，16.5 Hz，17 Hz，17.5 Hz频率闪烁的2 cm×2 cm的LED发光块，其中对应四种家用电器的开关状态。对于视觉和认知能力正常的人，眼睛经过视觉刺激后会在枕区位置产生特定的电位信号，即稳态视觉诱发电位。
系统的采集电极采用Ag?AgCl电极。采集模块中采用北京中科新拓仪器有限公司生产的NT9200系列的数字脑电图仪，其在对人体稳态视觉诱发电位信号采集放大的同时还可以硬件滤波，可以去除人体肌电、眼电、体表静电和工频干扰等噪音信号。其在对脑电信号完成模/数转换后通过USB接口传送给上位机脑电处理平台。
3 脑电信号处理
经过NT9200系列数字脑电图仪传送给上位机的EEG是一种生物信号，其无法实现直接对电子设备的控制，必须经过特征提取，在特征提取完成后还需要进行识别分类，最终才能转为控制指令。
3.1 特征提取
功率谱定义了单位频带内信号功率随频率的分布情况，可以对随机数据进行有效分析，对差别较小的源信号进行数据压缩，提取有用信息。利用特征提取算法提取出最大功率对应的频率值作为特征值，再与设定值进行模板匹配就可以将脑电信号转化为控制信号。
具体算法为（周期图法）：将采集到的信号的个有限观测数列进行Fourier变换，然后求得功率谱密度。假设有限长随机信号为它的Fourier变换和功率谱估计公式的关系为式中，为随机信号序列的长度。在离散的频率点处可得：
3.2 脑电信号处理实现
脑电信号处理平台在LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）平台上搭建，在LabVIEW平台信号处理工具包中调用自功率谱VI实现算法。通过上位机串口模块将控制信号传给电力载波模块[5]，具体程序如图2所示。
4 电力载波传输与控制
电力载波传输与控制环节以带有调制解调功能的PL3105主控制芯片设计实现，PL3105是专门为智能信息家电，远程监控系统和自动抄表系统设计的单芯片片上系统，其以扩展通信理论为核心，可以有效抑制干扰，在电力载波通信方面具有很大优势。电力载波与家庭终端部分硬件设计框图如图3所示。其中主机串口负责接收上位机脑机接口部分传输的控制命令，经过主MCU中的程序判断，通过电力线发送给从机。从机通过控制继电器的开合实现脑电信号对终端的控制实验[6?8]。
首先主程序负责对芯片初始化，如载波模式设置，串口通信的设置以及中断的设置等，其中主机的载波模式设置为发送模式，从机的载波模式设置为接收模式。主机在接收到上位机串口发送的命令以后，转入中断模式，在中断程序中根据命令的不同将数据发往不同的地址，从机中只有地址相同的模块才允许应答。在从机的中断程序中实现对数据的同步判断以及外围电器的控制[9]。发送程序中加入同步帧是因为电力线有噪声存在，中断发送，接收中断程序如图4，图5所示。
5 系统实验
5.1 实验步骤
稳态视觉诱发电位信号是人眼对外界刺激的一种反应，因此受试者几乎不需要训练。实验环节在一个相对安静的环境下进行，选取6名15～30岁之间的受试者，其中3名女性，3名男性。实验过程如图6，图7所示，让这6名受试者进行双眼集中注意力的实验。以保证其在LED灯光刺激下能集中注意力完成实验。首先让受试者熟悉实验步骤。接着受试者带上电极，将银盘电极置于受试者脑部枕区的O2处，此处为记录脑电数据的导联； 同时安放双耳参考电极，实验开始后，保持实验环境安静，受试者专注实验。告知受试者，对相应的电器做控制，受试者按照提示注视相应的LED控制家电。记录实验结果。
5.2 实验结果与分析
家电成功操作记为成功，否则记为失败，计算成功率见表1。通过实验证明基于稳态视觉诱发电位的电力载波传输控制系统具有比较高的识别率，能够较好地完成对家庭终端的控制，实验结果表明本系统的设计具有可行性与实用性，具有比较高的应用价值。
6 结 语
本文设计探索了BCI技术与电力载波通信技术的融合，其与电力载波技术的融合可以实现在不需要另外搭设通信网络的前提下实现通信。BCI技术以其巨大的应用前景已经成为近年来最令人期待的学科。其研究已经成为脑科学、康复工程、生物医学工程等一个热点前沿。总体而言，脑机接口目前还处于发展阶段，研究面临着众多的难题，如速度低，不稳定等。但是其在诸多领域的潜在研究价值是巨大的，随着关键技术的解决和其他学科技术的发展，相信在将来，脑机接口技术将在诸多领域中起到关键作用。
