CN108200511A - 一种基于脑电信号的智能冥想音箱 - Google Patents

一种基于脑电信号的智能冥想音箱 Download PDF

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陈双叶
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    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R1/00—Details of transducers, loudspeakers or microphones
    • H04R1/20—Arrangements for obtaining desired frequency or directional characteristics

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Abstract

本发明公开了一种基于脑电信号的智能冥想音箱，整个系统包含脑波仪、冥想音箱、浮空飞碟、手机app、云服务器，这五部分在硬件结构上相对独立但互相之间有通信交互。脑波仪佩戴在头部，脑波仪与冥想音箱进行交互，脑波仪采集的脑电信号传递给冥想音箱；冥想音箱能播放音乐且能通过蓝牙对浮空飞碟进行控制；手机app与冥想音箱进行通信，手机app可显示各种状态信息并且可以对冥想音箱进行操作控制；冥想音箱的数据在联网的情况下会上传到服务器进行数据处理。本发明能够实时感知大脑状态，帮助用户冥想放松，保持良好的睡眠。可广泛用于心理健康、教育、培训、医疗等多个领域。

Description

一种基于脑电信号的智能冥想音箱
技术领域
本发明属于人工智能与智能系统设计领域，涉及嵌入式系统、脑机接口(BCI)、智能信息处理、软件设计等领域。
背景技术
随着生活节奏的加快和工作压力的增大，人们的精神层面出现种种问题，精神紧张、焦虑，思维迟缓，注意力下降，容易失眠，这些精神层面的问题往往又会影响到工作生活本身，形成恶性循环。针对于这个问题，本发明将脑电接口(BCI)与智能音箱相结合，针对用户当前的精神状态进行特定的音乐播放及灯光暗示，并将结果通过浮空飞碟的升降和动作进行可视化显示。
本发明采用单电极脑电接口对脑电信息进行采集。现代医学研究表明，人的脑电频率会随着大脑的不同状态进行规律性的变化。与传统在医疗军事领域的脑波设备相比，本发明采用的单电极脑电接口设备体积更小、成本更低、佩戴更加方便，无需专人辅导，用户就可以自行操作。
智能音箱作为传统音箱的升级产物，已经在智能家居体系中占据重要的地位。市面上也已经出现许多种类的智能音箱，但主要功能还是作为一个语音智能交互以及歌曲播放的娱乐工具。本发明不仅包含这两个常备功能，而且通过与BCI的结合，以及在云服务器端智能算法的支持下，能够更好的帮助用户进入放松状态，促进睡眠，在休闲娱乐之外起到一个冥想训练的作用。
发明内容
本发明的目的是：提供一种专门针对失眠、高压人群而研发的、具有助眠减压功能的智能冥想训练装置。它基于可穿戴脑电技术和神经可塑性理论设计，融合了生物脑电、四旋翼、智能音箱等新科技和新思维，采用小波变换对脑电信息进行处理后再进行特征提取，然后通过可视化的方式呈现出来，帮助用户冥想放松，保持良好的睡眠。
本发明总体构成如图1所示，一种基于脑电信号的智能冥想音箱，整个系统包含脑波仪、冥想音箱、浮空飞碟、手机app、云服务器，这五部分在硬件结构上相对独立但互相之间有通信交互。脑波仪佩戴在头部，脑波仪与冥想音箱进行交互，脑波仪采集的脑电信号传递给冥想音箱；冥想音箱能播放音乐且能通过蓝牙对浮空飞碟进行控制；手机app与冥想音箱进行通信，手机app可显示各种状态信息并且可以对冥想音箱进行操作控制；冥想音箱的数据在联网的情况下会上传到服务器进行数据处理。
针对采集的原始脑电信号，相应的处理算法是：采用小波变换对原始数据进行分解以获得δ波，θ波，α波，β波这四个频带的波形，然后通过计算α波带能量所占的百分比来表示脑波仪佩戴者的注意力集中程度，然后通过这个集中程度便可控制浮空飞碟的悬空高度。
使用时，冥想训练的操作步骤为：用户佩戴脑波仪后，系统会自动进入冥想训练模式，用户通过手机app选择喜爱的训练教程，之后冥想音箱会根据用户的脑电信息播放相应的音乐来帮助用户进入冥想和放松，而浮空飞碟会根据训练过程中脑电的变化做出相应的升降动作以及一些代表特殊含义的动作，让用户能根据其动作有一个视觉上的直观感受，一次训练结束后手机app会给出训练的成果和得分，整个训练过程的数据会上传到服务器端进行更深一步的分析之后再将分析结果发送到手机app端。
附图说明
图1为系统结构示意图。
图2为实物展示图。
图3为主控电路板整体功能结构示意图。
图4为电量检测电路原理图。
图5为外部音频处理电路原理图。
图6为姿态检测电路原理图。
图7为通信结构示意图。
图8为本系统的交互关系示意图。
具体实施方式
根据下文结合附图对本发明具体实施的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的特征。
1、系统硬件设计：
如图2所示，系统硬件部分由冥想音箱、脑波仪、浮空飞碟三大部分组成。冥想音响内部除了两个中高音喇叭，一个低音喇叭，两节锂电池外，还包含主电路板、电源管理模块、电量检测模块、外部音频处理模块、姿态检测模块、滑动触摸检测模块、sd卡存储、wifi模块和蓝牙模块。各模块的结构关系如图3所示，选取其中4个模块详细阐述如下：
如图3所示，本发明采用两节锂电池为系统供电，对电池电量的检测采用cw2015芯片，图4是相应电路原理图，其中2引脚为检测电量的输入口，本系统由两节锂电池串联连接进行供电，所以使用R94和R95两个同为200kΩ的电阻做分压；7引脚和8引脚为IIC通信引脚，CPU通过其对芯片进行初始化操作和读取电量数据；5引脚为中断控制器低电量报警信号引脚，通过修改寄存器0x0A可对警报阈值进行修改。
如图3中所示，系统采用外部音频处理芯片AK4951来进行音频输出，其电路如图5所示。CPU通过IIS将音频数据传输给AK4951，IIS引脚为9至15引脚；18引脚和19引脚为输出引脚，输出的信号再经过功放电路传输到喇叭；22引脚和23引脚连接到耳机接口；8引脚为芯片的使能引脚。
如图3所示，系统有2个滑动触摸条和1个滑动触摸按钮，它们都由触摸芯片进行管理，具体接线如图6所示。滑动触摸按钮接13引脚，其状态存储于寄存器0x01中，0代表未触摸，1代表触摸；1至5引脚和14至18引脚分别连接2个滑动触摸条，其信息分别存储在0x02和0x03寄存器中。CPU通过IIC读取寄存器中的数据。
由图3中可看到，系统的姿态检测采用了MPU6050，其电路如图7所示。CPU通过IIC读取姿态信息，姿态信息为x轴、y轴、z轴的加速度以及三个轴旋转的角速度，经过算法处理可得到3个轴变化的角度。
2、脑电信号处理及特征提取
医学研究表明脑波与大脑活动主要相关在如下表所示的4个频带范围内：
频带 频率/HZ 活动描述
δ波 0.5-3 极度疲劳和深睡状态下
θ波 4-7 受到挫折或精神抑郁的时候
α波 8-12 在清醒状态下并且集中思考状态
β波 13-40 情绪紧张或者亢奋状态
首先设实际要处理的信号为f，那将信号分解为：
分解过程的系数表达式为：
尺度方程：
小波函数为：
上列表达式中Hj-1f是在分辨率2j-1下f的最佳逼近，Dj-1则表示f位于分辨率2j-1与2j之间的细节，和为j-1尺度的展开系数，为尺度系数，为小波系数，h为滤波器系数。
将0.5Hz至40Hz这个范围之外的频率成分所对应的小波系数设为0，然后将所需成分的小波系数进行重构便可得到有用信息，信号重构为：
重构过程中的系数表达式为：
这样便将原始脑电信号分解为不同信号频率的叠加，然后我们选择α波能量值来表示一个人精神力的集中程度。
3、功能实现
(1)电源管理：关机状态下，短按一下电源开关打开电源。开机后指示灯显示为天蓝色(双色混合)；开机状态下，长按电源开关关闭电源；论开机还是关机状态下，电源接口如没有接入电源则充电指示灯灭灯，如接入电源则充电指示灯亮起，电池充满后灭灯；Base未外接电源时，在电池电量不足时(电量低于10％)，指示灯蓝色慢闪，电量低于5％时有语音提示。
(2)数据交互：系统间各模块通信部分：如图8所示，冥想音响与脑波仪、浮空飞碟之间是通过蓝牙ble进行通信；冥想音箱与手机app需处于同一家庭局域网下，app可通过airkiss技术为冥想音响进行网络配合，两者之前通过tcp协议进行通讯；冥想音箱、手机app与服务器之间是通过http进行通信交互的。
(3)音乐播放管理：当前播放队列指系统当前正在播放的音乐的队列，用户可以通过冥想音响的按键或者APP界面进行上一首、下一首、开始、停止等操作来控制当前队列的音乐播放。系统实现播放队列的列表查看、删除指定音乐、加入音乐、清空队列等操作，操作指令由APP发出。
(4)冥想功能的实现：该系统有冥想训练和一键助眠的功能，用户佩戴脑波仪后，便可进入训练，训练过程中脑波仪采集的脑电信息通过蓝牙ble传输给冥想音箱，冥想音箱分析脑电信息后通过播放音乐和进行灯光暗示来帮助用户进行冥想或促进睡眠，其训练成果不仅实时的通过指示灯、四旋翼浮空飞碟等来进行直观的可视化显示，同时也上传到手机app和云服务器端进行更深一步的分析和处理。
其中脑力状态指示灯为5段灯柱，指示脑波仪的连接状态及佩戴情况，显示当前脑波数值：未亮灯表示未连接脑波仪；闪烁表示已连接脑波仪，但为佩戴，即没有脑波数据；亮灯，亮的数量与专注度成对应。而浮空飞碟的悬浮高度也与专注度成对应。
(5)冥想数据的记录及上传：冥想训练开始后，系统自动记录相关数据并形成此次训练的记录，每次音乐的播放和停止即视为一个训练session。每个session产生三个文件，分别记录脑电数据，原始脑电数据和训练概览数据。文件名称按照文件类型、设备唯一ID和时间命名，设备唯一ID采用蓝牙MAC地址，三个文件名称中的时间均采用文件创建时的时间，三个文件的时间要完全一致。由于上一首和下一首的选曲操作可以导致产生多条时间很短的训练记录，因此在一个冥想训练结束后，系统将训练时长小于特定时长(30秒)的训练记录视为无效训练并自动删除。如果是有效训练且系统当前有互联网连接，则将本次记录的所有数据文件上传到服务器，上传成功删除本地存储的该条数据。如当前没有互联网连接，则在下次连接互联网后，自动将未上传的数据文件全部上传到服务器，上传成功的数据从本地删除。如果是有效训练且有手机app和鸣响系统进行连接，则在数据上传之前先将训练概览文件的数据发送给手机app。

Claims (2)

1.一种基于脑电信号的智能冥想音箱，其特征在于：包含脑波仪、冥想音箱、浮空飞碟、手机app、云服务器，这五部分在硬件结构上相对独立但互相之间有通信交互；脑波仪佩戴在头部，脑波仪与冥想音箱进行交互，脑波仪采集的脑电信号传递给冥想音箱；冥想音箱能播放音乐且能通过蓝牙对浮空飞碟进行控制；手机app与冥想音箱进行通信，手机app可显示各种状态信息并且可以对冥想音箱进行操作控制；冥想音箱的数据在联网的情况下会上传到服务器进行数据处理；
针对采集的原始脑电信号，相应的处理算法是：采用小波变换对原始数据进行分解以获得δ波，θ波，α波，β波这四个频带的波形，然后通过计算α波带能量所占的百分比来表示脑波仪佩戴者的注意力集中程度，然后通过这个集中程度便可控制浮空飞碟的悬空高度；
使用时，冥想训练的操作步骤为：用户佩戴脑波仪后，系统会自动进入冥想训练模式，用户通过手机app选择喜爱的训练教程，之后冥想音箱会根据用户的脑电信息播放相应的音乐来帮助用户进入冥想和放松，而浮空飞碟会根据训练过程中脑电的变化做出相应的升降动作以及一些代表特殊含义的动作，让用户能根据其动作有一个视觉上的直观感受，一次训练结束后手机app会给出训练的成果和得分，整个训练过程的数据会上传到服务器端进行更深一步的分析之后再将分析结果发送到手机app端。
2.根据权利要求1所述的一种基于脑电信号的智能冥想音箱，其特征在于：脑波与大脑活动主要相关在如下表所示的4个频带范围内：
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