CN106066697A - 一种脑控手机拨号的控制装置及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于脑－机接口技术领域，涉及一种脑控手机拨号的控制装置及控制方法；克服现有技术存在的特殊人群使用手机设备困难的问题；控制装置包括脑电头盔和被控端；脑电头盔包括脑电电极、脑电信号处理模块、FPGA微控制器、蓝牙模块；被控端包括智能手机设备；控制方法包括以下步骤：1、控制装置初始化；2、脑电头盔与智能手机设备进行蓝牙配对；3、脑电电极接收脑电信号；4、将脑电电极接收到的脑电信号，经过脑电信号处理模块的放大、A/D转换后，发送到FPGA微控制器中；5、FPGA微控制器将脑电信号传递到智能手机设备中；6、智能手机设备接收脑电信号并且打开软件A，对脑电信号进行编写解码，将脑电信号对应功能执行在智能手机设备上。
Description
技术领域
本发明属于脑－机接口技术领域，涉及一种脑控手机拨号的控制装置及控制方法。
背景技术
脑－机接口技术作为一门新兴的多学科交叉的前沿研究，可广泛应用于医疗康复、家居娱乐和军事等领域，现有的技术可以满足正常人群使用手机的多种需要，但前提下必须要求正常人群可以对手机设备进行直接性接触，即通过使用者的双手实现对手机的操作，如果手机使用者存在肢体功能障碍的问题，那么手机使用者对手机的操作就会变得难以实现。脑控手机即利用通信、蓝牙和综合布线技术，通过FPGA与蓝牙技术将人脑通过脑电头盔的传导信号把人脑的思维意念传递到手机设备的一个系统。从控制的流程考虑，可以把智能家电分为两个子系统：一个是人脑通过脑电头盔传递信息到智能手机中，另一个是智能手机接收到信息后，通过手机中的软件A进行指令执行进而实现人脑对手机设备的非直接性接触控制。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是肢体功能障碍的人群无法使用手机的问题，克服了现有技术存在的特殊人群使用手机设备困难的问题，提供了一种脑控手机拨号的控制装置及控制方法。
为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的：
一种脑控手机拨号的控制装置，包括脑电头盔1和被控端2；
所述的脑电头盔1包括脑电电极1-1、脑电信号处理模块1-2、FPGA微控制器1-3、蓝牙模块1-4；被控端2包括智能手机设备；
脑电电极1-1与脑电信号处理模块1-2之间采用电线连接；脑电信号处理模块1-2与FPGA微控制器1-3之间采用电线连接；FPGA微控制器1-3与蓝牙模块1-4之间采用电线连接；
FPGA微控制器1-3通过蓝牙模块1-4与被控端2为无线通信方式连接。
技术方案中所述的FPGA微控制器1-3与蓝牙模块1-4之间采用电线连接是指：
所述FPGA微控制器1-3的VCCIO端与正3.3V的电源电线连接，蓝牙模块1-4的VDD端与正3.3V的电源电线连接；FPGA微控制器1-3的GND端接地，蓝牙模块1-4的GND端接地。
一种脑控手机拨号的控制装置的控制方法，包括以下步骤：
步骤1：脑控手机拨号的控制装置初始化：
所述的脑控手机拨号的控制装置初始化包括包括脑电电极1-1、脑电信号处理模块1-2与FPGA微控制器1-3的设置，启动脑电头盔1中脑电电极1-1、脑电信号处理模块1-2、FPGA微控制器1-3、蓝牙模块1-4的功能，启动被控端2智能手机设备的功能；
步骤2：脑电头盔与被控端智能手机设备进行蓝牙配对；
步骤3：脑电电极接收脑电信号：
脑电电极1-1为10-20系统电极放置法，所述的脑电电极接收脑电信号为初始化完成之后，脑电电极开始工作，脑电电极通过安置在其中的电极接收来自人脑的指令信号；
步骤4：将脑电电极接收到的脑电信号，经过脑电信号处理模块的放大、A/D转换后，发送到FPGA微控制器中；
步骤5：FPGA微控制器将脑电信号传递到被控端智能手机设备中；
步骤6：被控端智能手机设备接收脑电信号并且打开软件A，对脑电信号进行编写解码，将脑电信号对应功能执行在智能手机设备上。
步骤4中所述将脑电电极接收到的脑电信号，经过脑电信号处理模块的放大、A/D转换后，发送到FPGA微控制器中的具体步骤如下：
1)脑电电极1-1采集使用者的脑电信号数据，脑电信号处理模块1-2将脑电信号进行10倍放大处理，通过陷波电路滤除50Hz干扰，而后通过高通滤波去除直流电位，再通过低通滤波滤除高频干扰；
2)脑电信号在进行一级放大并且去杂质信号后，进行100倍的二级放大，将二级放大的模拟脑电信号经过A/D转换，转换为数字脑电信号，最后将数字脑电信号传输至FPGA微控制器1-3中。
步骤5中所述的FPGA微控制器将脑电信号传递到被控端智能手机设备中的具体步骤如下；
1)FPGA微控制器1-3接收到来自脑电信号处理模块的脑电信号后，将脑电信号进行数据包提取，选择C3、C4两个电极对应的数据段，将脑电信号进行去直流分量处理，对去除直流分量后的脑电信号使用频率切片小波变换提取δ、θ、α、β四个不同的脑电信号；
2)在提取四个不同节律的脑电信号之后，FPGA微控制器1-3进行相应的算法运算，求出在每个节律下的脑电信号的1.5维谱，将C3、C4两个电极共8个节律的信号的1.5维谱组合成维数为4096维的特征向量，并使用主成分分析进行降维，保留贡献率为90％时对应的第一、第二到第N个成分，将提取出来的N个成分输入到训练好的支持向量机中进行分类，得到分类结果；
3)经过支持向量机分类的6个相应的控制指令，分别为控制命令1、控制命令2、控制命令3、控制命令4、控制命令5、控制命令6，FPGA微控制器1-3将控制命令通过蓝牙模块1-4传递到被控端2智能手机设备中。
步骤6中被控端智能手机设备接收脑电信号并且打开软件A，对脑电信号进行编写解码，将脑电信号对应功能执行在智能手机设备上，具体步骤如下：
1)被控端2进行初始化的过程中，智能手机设备中的软件A完成初始化，此时被控端2智能手机设备中的蓝牙模块与脑电头盔1中的蓝牙模块1-4完成配对，FPGA微控制器1-3开始通过蓝牙连接向被控端2智能手机设备发送控制命令；
2)被控端2智能手机设备接收到来自FPGA微控制器1-3的控制命令，软件A完成初始化后开始对来自FPGA微控制器1-3的控制命令进行编译解码，其中控制命令1经过软件A编译解码后对应智能手机设备上的功能“上”，控制命令2经过软件A编译解码后对应智能手机设备上的功能“下”，控制命令3经过软件A编译解码后对应智能手机设备上的功能“左”，控制命令4经过软件A编译解码后对应智能手机设备上的功能“右”，控制命令5经过软件A编译解码后对应智能手机设备上的功能“确定”，控制命令6为不执行任何操作，即不对被控端智能手机设备进行任何操作。被控端智能手机设备接收到这些控制命令并且开始操作，被控端智能手机设备上装有13个功能键，分为：1、2、3、4、5、6、7、8、9、0、拨号、挂断和删除，通过软件A编译解码后的控制命令，在智能手机设备上对13个功能键进行上、下、左、右和确定操作，其中“上”、“下”、“左”、“右”功能是对被控端智能手机设备上的13个功能键进行选择，“确定”功能是对被控端智能手机设备上的13个功能键进行选定进而显示在被控端智能手机设备的屏幕上，当用户处于常态下，则不对智能手机设备进行任何操作。
本发明的有益效果是，本发明通过读取使用者的脑电信号来获取其操作意图，然后根据脑机接口技术遥控智能手机设备，使用者能够在不用肢体动作的前提下达到遥控手机设备的目的，为肢体功能障碍的人士提供了方便。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明：
图1为本发明所述的一种脑控手机拨号的控制装置的示意框图；
图2为本发明所述的一种脑控手机拨号的控制装置中安置于脑电头盔中脑电电极图；
图3为本发明所述的一种脑控手机拨号的控制装置中安置于脑电头盔中蓝牙模块、安置于脑电头盔中FPGA微控制器的电原理图；
图4为本发明所述的一种脑控手机拨号的控制装置的控制方法流程图；
图5为本发明所述的一种脑控手机拨号的控制装置的控制方法的脑电信号处理模块的原理框图；
图6为本发明所述的一种脑控手机拨号的控制装置的控制方法的FPGA微控制器处理脑电信号的算法原理图；
图7为本发明所述的一种脑控手机拨号的控制装置的控制方法的被控端原理图；
图中：1.脑电头盔，2.被控端，1-1.脑电电极，1-2.脑电信号处理模块，1-3.FPGA微控制器，1-4.蓝牙模块。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细的描述：
参阅图1，本发明所述的一种脑控手机拨号的控制装置包括脑电头盔1、被控端2。
所述的被控端2安装有软件A。脑电头盔1包括1个脑电电极1-1、1个脑电信号处理模块1-2、1个FPGA微控制器1-3、1个蓝牙模块1-4；被控端2包括1个智能手机设备。
脑电电极1-1与脑电信号处理模块1-2之间采用电线连接，脑电信号处理1-2模块与FPGA微控制器1-3之间采用电线连接，FPGA微控制器1-3与蓝牙模块1-4之间采用电线连接。
FPGA微控制器1-3通过蓝牙模块1-4与被控端2为无线通信方式连接。
脑控手机拨号的控制装置在初始化期间，脑电头盔1中蓝牙模块1-4与被控端2中智能手机设备需要完成蓝牙配对。
脑电头盔1完成与被控端2的数据接收与命令发送；被控端2通过蓝牙接收脑电头盔1所发指令，经过软件A对指令进行编译解码处理，根据处理后的指令在智能手机设备上执行相应的动作。
参阅图2，本发明所述的一种脑控手机拨号的控制装置中脑电电极1-1为10-20系统电极放置法，10-20系统电极放置法即国际脑电图学会规定的标准电极放置法。脑电电极1-1中，左半球为奇数，右半球为偶数。A1和A2代表左右耳垂,放置在A1和A2上的电极为参考电极。脑电电极1-1中包括前后矢状线、横位线、侧位线。其中前后矢状线为从鼻根至枕外粗隆处取一连线，在此线上，由前至后标出5个点，依次命名为：额极中点(Fpz)、额中点(Fz)、中央点(Cz)、顶点(Pz)、枕点(Oz)，额极中点至鼻根的距离和枕点至枕外粗隆的距离各占此连线全长的10％，其余各点均以此连线全长的20％相隔；横位线为从左耳前点(耳屏前颧弓根凹陷处)通过中央点至右耳前点取一连线，在此连线的左右两侧对称标出左颞中(T3)、右颞中(T4)、左中央(C3)、右中央(C4)。T3、T4点与耳前点的距离各占此线全长的10％，其余各点(包括Cz点)均以此连线全长的20％相隔；侧位线为从Fpz点向后通过T3、T4点至枕点分别取左右侧连线，在左右侧连线上由前至后对称地标出左额极(Fp1)、右额极(Fp2)、左前颞(F7)、右前颞(F8)、左后颞(T5)、右后颞(T6)、左枕(O1)、右枕(O2)各点。Fp1、Fp2点至额极中点(Fpz)的距离与O1、O2点至Oz点的距离各占此连线全长的10％，其余各点(包括T3、T4)均以此连线全长的20％相隔；其余的左额(F3)、右额(F4)点分别位于Fp1、Fp2与C3、C4点的中间；左顶(P3)、右顶(P4)点分别位于C3、C4与O1、O2点的中间。
参阅图3，本发明所述的一种脑控手机拨号的控制装置中电原理图包括1个FPGA微控制器1-3、1个蓝牙模块1-4。
所述的FPGA微控制器1-3采用Altera公司生产的型号为EP2C5Q208的FPGA微控制器；脑电头盔中蓝牙模块1-4采用型号为HC05的蓝牙模块。FPGA微控制器1-3与通过蓝牙模块1-4与被控端2以无线通信方式进行通信。
FPGA微控制器1-3与蓝牙模块1-4之间采用电线连接，更确切地说，型号为EP2C5Q208的FPGA微控制器1-3的引脚RXD1与型号为HC05的蓝牙模块1-4的TXD引脚电线连接，型号为EP2C5Q208的FPGA微控制器1-3的TXD1引脚与型号为HC05的蓝牙模块1-4的RXD引脚电线连接，型号为EP2C5Q208的FPGA微控制器1-3的VCCIO端与正3.3V的电源电线连接；型号为HC05的蓝牙模块1-4的VDD端与正3.3V的电源电线连接；型号为EP2C5Q208的FPGA微控制器1-3的GND端接地；型号为HC05的控制端蓝牙模块1-4的GND端接地。
参阅图4，本发明所述的一种脑控手机拨号的控制装置的控制方法的流程如下：
1.脑控手机拨号的控制装置初始化：
所述的脑控手机拨号的控制装置初始化包括脑电电极1-1初始化、FPGA微控制器1-3的初始化和被控端2智能手机设备的初始化，初始化为脑控手机拨号的控制装置正式开始工作前需要完成的准备工作，包括脑电电极1-1、脑电信号处理模块1-2与FPGA微控制器1-3的设置，启动脑电头盔1中脑电电极1-1、脑电信号处理模块1-2、FPGA微控制器1-3、蓝牙模块1-4的功能，启动被控端2智能手机设备的功能。
2.脑电头盔与被控端智能手机设备进行蓝牙配对：
所述的脑电头盔与智能手机设备进行蓝牙配对是指在初始化之后，脑电头盔中的蓝牙和被控端智能手机设备中的蓝牙进行无线连接。
3.脑电电极接收脑电信号：
脑电电极1-1为10-20系统电极放置法，所述的脑电电极接收脑电信号为初始化完成之后，脑电电极开始工作，脑电电极通过安置在其中的电极接收来自人脑的指令信号。
4.将脑电电极接收到的脑电信号，经过脑电信号处理模块的放大、A/D转换后，发送到FPGA微控制器中：
1)参阅图5，脑电电极1-1首先采集使用者的脑电信号数据，脑电信号处理模块1-2将脑电信号进行10倍放大处理，通过陷波电路滤除50Hz干扰，再通过高通滤波去除直流电位，通过低通滤波滤除高频干扰。
2)参阅图5，脑电信号在进行一级放大并且去杂质信号后，再进行100倍的二级放大，将二级放大的模拟脑电信号经过A/D转换，转换为数字脑电信号，最后将数字脑电信号传输至FPGA微控制器1-3中。
5.FPGA微控制器将脑电信号传递到被控端智能手机设备中：
1)参阅图6，FPGA微控制器1-3接收到来自脑电信号处理模块的脑电信号后，将脑电信号进行数据包提取，选择C3、C4两个电极对应的数据段，将脑电信号进行去直流分量处理，对去除直流分量后的脑电信号使用频率切片小波变换(frequency slice wavelettransform,FSWT)提取δ、θ、α、β四个不同的脑电信号。
2)参阅图6，在提取四个不同节律的脑电信号之后，FPGA微控制器1-3进行相应的算法运算，求出在每个节律下的脑电信号的1.5维谱，将C3、C4两个电极共8个节律的信号的1.5维谱组合成维数为4096维的特征向量，并使用主成分分析(principal componentanalysis，PCA)进行降维，保留贡献率为90％时对应的第一、第二到第N个成分，将提取出来的N个成分输入到训练好的支持向量机(support vector machine，SVM)中进行分类，得到分类结果。
3)参阅图6，经过SVM分类的6个相应的控制命令，分别为控制命令1、控制命令2、控制命令3、控制命令4、控制命令5、控制命令6(不执行任何操作)，FPGA微控制器1-3将控制命令通过蓝牙模块1-4传递到被控端2智能手机设备中。
6.被控端智能手机设备接收脑电信号并且打开软件A，对脑电信号进行编写解码，将脑电信号对应功能执行在智能手机设备上：
1)参阅图7，被控端2进行初始化的过程中，智能手机设备中的软件A完成初始化，此时被控端2智能手机设备中的蓝牙模块与脑电头盔1中的蓝牙模块1-4完成配对，FPGA微控制器1-3开始通过蓝牙连接向被控端2智能手机设备发送控制命令。
2)参阅图7，被控端2智能手机设备接收到来自FPGA微控制器1-3的控制命令，软件A完成初始化后开始对来自FPGA微控制器1-3的控制命令进行编译解码，其中控制命令1经过软件A编译解码后对应智能手机设备上的功能“上”，控制命令2经过软件A编译解码后对应智能手机设备上的功能“下”，控制命令3经过软件A编译解码后对应智能手机设备上的功能“左”，控制命令4经过软件A编译解码后对应智能手机设备上的功能“右”，控制命令5经过软件A编译解码后对应智能手机设备上的功能“确定”，控制命令6为不执行任何操作，即不对被控端智能手机设备进行任何操作。被控端智能手机设备接收到这些控制命令并且开始操作，被控端智能手机设备上装有13个功能键，分为：1、2、3、4、5、6、7、8、9、0、拨号、挂断和删除，通过软件A编译解码后的控制命令，在智能手机设备上对13个功能键进行上、下、左、右和确定操作，其中“上”、“下”、“左”、“右”功能是对被控端智能手机设备上的13个功能键进行选择，“确定”功能是对被控端智能手机设备上的13个功能键进行选定进而显示在被控端智能手机设备的屏幕上，当用户处于常态下，则不对智能手机设备进行任何操作。
本发明提供的一种脑控手机拨号的控制方法及装置的特点为，将人控制手机设备提升到了通过人脑意念控制手机设备的高度，为手机使用者尤其是肢体功能障碍的人群提供了方便。
Claims (6)
1.一种脑控手机拨号的控制装置，其特征在于：
包括脑电头盔(1)和被控端(2)；
所述的脑电头盔(1)包括脑电电极(1-1)、脑电信号处理模块(1-2)、FPGA微控制器(1-3)、蓝牙模块(1-4)；被控端(2)包括智能手机设备；
脑电电极(1-1)与脑电信号处理模块(1-2)之间采用电线连接；脑电信号处理模块(1-2)与FPGA微控制器(1-3)之间采用电线连接；FPGA微控制器(1-3)与蓝牙模块(1-4)之间采用电线连接；
FPGA微控制器(1-3)通过蓝牙模块(1-4)与被控端(2)为无线通信方式连接。
2.按照权利要求1所述的一种脑控手机拨号的控制装置，其特征在于：
所述的FPGA微控制器(1-3)与蓝牙模块(1-4)之间采用电线连接是指：
所述FPGA微控制器(1-3)的VCCIO端与正3.3V的电源电线连接，蓝牙模块(1-4)的VDD端与正3.3V的电源电线连接；FPGA微控制器(1-3)的GND端接地，蓝牙模块(1-4)的GND端接地。
3.一种如权利要求1所述的脑控手机拨号的控制装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：脑控手机拨号的控制装置初始化：
所述的脑控手机拨号的控制装置初始化包括包括脑电电极(1-1)、脑电信号处理模块(1-2)与FPGA微控制器(1-3)的设置，启动脑电头盔(1)中脑电电极(1-1)、脑电信号处理模块(1-2)、FPGA微控制器(1-3)、蓝牙模块(1-4)的功能，启动被控端(2)智能手机设备的功能；
步骤2：脑电头盔与被控端智能手机设备进行蓝牙配对；
步骤3：脑电电极接收脑电信号：
脑电电极(1-1)为10-20系统电极放置法，所述的脑电电极接收脑电信号为初始化完成之后，脑电电极开始工作，脑电电极通过安置在其中的电极接收来自人脑的指令信号；
步骤4：将脑电电极接收到的脑电信号，经过脑电信号处理模块的放大、A/D转换后，发送到FPGA微控制器中；
步骤5：FPGA微控制器将脑电信号传递到被控端智能手机设备中；
步骤6：被控端智能手机设备接收脑电信号并且打开软件A，对脑电信号进行编写解码，将脑电信号对应功能执行在智能手机设备上。
4.按照权利要求3所述的脑控手机拨号的控制装置的控制方法，其特征在于：
步骤4中所述将脑电电极接收到的脑电信号，经过脑电信号处理模块的放大、A/D转换后，发送到FPGA微控制器中的具体步骤如下：
1)脑电电极(1-1)采集使用者的脑电信号数据，脑电信号处理模块(1-2)将脑电信号进行10倍放大处理，通过陷波电路滤除50Hz干扰，而后通过高通滤波去除直流电位，再通过低通滤波滤除高频干扰；
2)脑电信号在进行一级放大并且去杂质信号后，进行100倍的二级放大，将二级放大的模拟脑电信号经过A/D转换，转换为数字脑电信号，最后将数字脑电信号传输至FPGA微控制器(1-3)中。
5.按照权利要求3所述的脑控手机拨号的控制装置的控制方法，其特征在于：
步骤5中所述的FPGA微控制器将脑电信号传递到被控端智能手机设备中的具体步骤如下；
1)FPGA微控制器(1-3)接收到来自脑电信号处理模块的脑电信号后，将脑电信号进行数据包提取，选择C3、C4两个电极对应的数据段，将脑电信号进行去直流分量处理，对去除直流分量后的脑电信号使用频率切片小波变换提取δ、θ、α、β四个不同的脑电信号；
2)在提取四个不同节律的脑电信号之后，FPGA微控制器(1-3)进行相应的算法运算，求出在每个节律下的脑电信号的1.5维谱，将C3、C4两个电极共8个节律的信号的1.5维谱组合成维数为4096维的特征向量，并使用主成分分析进行降维，保留贡献率为90％时对应的第一、第二到第N个成分，将提取出来的N个成分输入到训练好的支持向量机中进行分类，得到分类结果；
3)经过支持向量机分类的6个相应的控制指令，分别为控制命令1、控制命令2、控制命令3、控制命令4、控制命令5、控制命令6，FPGA微控制器(1-3)将控制命令通过蓝牙模块(1-4)传递到被控端(2)智能手机设备中。
6.按照权利要求3所述的脑控手机拨号的控制装置的控制方法，其特征在于：
步骤6中被控端智能手机设备接收脑电信号并且打开软件A，对脑电信号进行编写解码，将脑电信号对应功能执行在智能手机设备上，具体步骤如下：
1)被控端(2)进行初始化的过程中，智能手机设备中的软件A完成初始化，此时被控端(2)智能手机设备中的蓝牙模块与脑电头盔(1)中的蓝牙模块(1-4)完成配对，FPGA微控制器(1-3)开始通过蓝牙连接向被控端(2)智能手机设备发送控制命令；
2)被控端(2)智能手机设备接收到来自FPGA微控制器(1-3)的控制命令，软件A完成初始化后开始对来自FPGA微控制器(1-3)的控制命令进行编译解码，其中控制命令1经过软件A编译解码后对应智能手机设备上的功能“上”，控制命令2经过软件A编译解码后对应智能手机设备上的功能“下”，控制命令3经过软件A编译解码后对应智能手机设备上的功能“左”，控制命令4经过软件A编译解码后对应智能手机设备上的功能“右”，控制命令5经过软件A编译解码后对应智能手机设备上的功能“确定”，控制命令6为不执行任何操作，即不对被控端智能手机设备进行任何操作。被控端智能手机设备接收到这些控制命令并且开始操作，被控端智能手机设备上装有13个功能键，分为：1、2、3、4、5、6、7、8、9、0、拨号、挂断和删除，通过软件A编译解码后的控制命令，在智能手机设备上对13个功能键进行上、下、左、右和确定操作，其中“上”、“下”、“左”、“右”功能是对被控端智能手机设备上的13个功能键进行选择，“确定”功能是对被控端智能手机设备上的13个功能键进行选定进而显示在被控端智能手机设备的屏幕上，当用户处于常态下，则不对智能手机设备进行任何操作。
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