CN109164912A - 基于脑机接口的室内光线自动调节装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于脑机接口的室内光线自动调节装置，包括：脑电采集模块，脑电采集模块用于采集用户在当前光线刺激下生成的当前脑电信号；脑电处理模块，脑电处理模块与脑电采集模块进行通信连接，以接收当前脑电信号，并根据当前脑电信号和数据库中的脑电信号与室内光线亮度之间的对应关系生成控制指令；控制模块，控制模块与脑电处理模块进行通信连接，以接收控制指令，并根据控制指令对室内光线亮度进行调节。根据本发明的装置，智能化程度更高，能够更加充分地满足用户的需求。

Description

基于脑机接口的室内光线自动调节装置

技术领域

本发明涉及脑电应用技术领域，特别涉及一种基于脑机接口的室内光线自动调节装置。

背景技术

脑机接口(Brain Computer Interface，BCI)是一种通过采集、分析大脑的脑电信号，发出相应指令直接控制各种电子设备的人机交互方式，它允许我们直接通过大脑思维，而不需要借助肢体动作或语言来控制各种外部设备。脑电技术需要借助脑电采集设备提取人脑所发生的各种脑电信号，这些脑电信号中通常包含了大量的感觉与认知信息，再通过计算机进行去噪、分类、特征识别处理后得到需要的信息，利用这些信息可以实现相应的控制。这种方式不仅可以使残障人士正常生活变成可能，也为智能家居的发展提供了新思路。

目前市场上的室内光线调节装置主要通过灯具与窗帘实现，两者的控制通常是分别进行。灯具的控制方式主要有以下三种：一种是通过手动的方式进行调节，另一种是通过遥控器的方式进行调节，最后一种是智能家居里通过语言指令进行调节。窗帘的控制方式主要有以下两种：一种是通过手动的方式进行调节，另一种是智能家居里通过语言指令进行调节。这些控制方式的实现都需要人们做出判断并给出相应的控制指令。

目前虽然有相关技术利用BCI技术对设备进行控制，但现有的脑机控制装置大多配备一个视觉控制器，通过一个视觉控制面板，使用户通过脑电信号选择界面上的不同选项进而控制设备。此类设计虽然可以满足部分残障人士的需求，但在人机交互方面并没有最直接反映用户的真实需求，使用过程需要通过相应动作对界面指示器进行控制，这无疑降低了系统的控制效率和装置的智能性。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术中的技术问题之一。为此，本发明的目的在于提出一种基于脑机接口的室内光线自动调节装置，智能化程度更高，能够更加充分地满足用户的需求。

为达到上述目的，本发明提出了一种基于脑机接口的室内光线自动调节装置，包括：脑电采集模块，所述脑电采集模块用于采集用户在当前光线刺激下生成的当前脑电信号；脑电处理模块，所述脑电处理模块与所述脑电采集模块进行通信连接，以接收所述当前脑电信号，并根据所述当前脑电信号和数据库中的脑电信号与室内光线亮度之间的对应关系生成控制指令；控制模块，所述控制模块与所述脑电处理模块进行通信连接，以接收所述控制指令，并根据所述控制指令对室内光线亮度进行调节。

根据本发明实施例的基于脑机接口的室内光线自动调节装置，通过脑电采集模块采集用户在当前光线刺激下生成的当前脑电信号，并通过脑电处理模块根据当前脑电信号和数据库中的脑电信号与室内光线亮度之间的对应关系生成控制指令，以及通过控制模块根据控制指令对室内光线亮度进行调节，由此，基于用户在当前光线刺激下生成的脑电信号来调节室内亮度，相对于基于用户主观动作的控制而言，控制指令是人体真实需求的直接体现，因而智能化程度更高，能够更加充分地满足用户的需求。

另外，根据本发明上述实施例提出的基于脑机接口的室内光线自动调节装置还可以具有如下附加的技术特征：

根据本发明的一个实施例，所述脑电采集模块集成在脑电采集帽上，所述脑电采集模块包括多个干电极、一个参考电极和一个接地电极，其中，所述多个干电极均匀排布于所述脑电采集帽内围，所述参考电极和所述接地电极设置于所述脑电采集帽顶部。

进一步地，所述脑电采集模块还包括多级放大电路和多级滤波电路，所述多级放大电路和所述多级滤波电路分别用于对所述干电极采集到的原始的脑电信号进行放大和滤波处理以得到纯净的脑电信号。

其中，在初次使用所述调节装置时，通过采集所述用户基于不同亮度光线的刺激所生成的脑电信号，建立脑电信号与室内光线亮度之间的对应关系，并存储于所述数据库中。

进一步地，所述脑电处理模块接收时域形式的脑电信号，并转换为频域形式的脑电信号，以及根据不同的频域特征对所述脑电信号进行特征分类，并与所述数据库中的对应关系进行对比，得到所述用户在当前光线亮度下的舒适度。

其中，如果所述用户在当前光线亮度下的舒适度为舒适，则所述控制指令无效；如果所述用户在当前光线亮度下的舒适度为不舒适、光线过暗，则所述控制指令为调亮指令，所述控制模块根据所述调亮指令提高所述室内光线亮度；如果所述用户在当前光线亮度下的舒适度为不舒适、光线过亮，则所述控制指令为调暗指令，所述控制模块根据所述调暗指令降低所述室内光线亮度。

根据本发明的一个实施例，所述控制模块包括第一控制单元和第二控制单元，其中，所述第一控制单元与电动窗相连，所述第一控制单元用于根据所述控制指令对所述电动窗的开合程度进行调节，所述第二控制单元与灯具相连，所述第二控制单元用于根据所述控制指令对所述灯具的发光强度进行调节。

进一步地，所述第一控制单元和所述第二控制单元均包括STM32F4单片机。

根据本发明的一个实施例，所述脑电采集模块与所述脑电处理模块通过第一无线通信模块相连，以进行无线通信连接，所述脑电处理模块与所述控制模块通过第二无线通信模块相连，以进行无线通信连接。

根据本发明的一个实施例，所述脑电采集模块、所述脑电处理模块、所述控制模块、所述灯具和所述电动窗均具有对应的独立供电电源。

附图说明

图1为根据本发明实施例的基于脑机接口的室内光线自动调节装置的方框示意图；

图2为根据本发明一个实施例的脑电采集帽的结构示意图；

图3为根据本发明另一个实施例的脑电采集帽的结构示意图；

图4为根据本发明一个实施例的基于脑机接口的室内光线自动调节装置的应用流程框图；

图5为根据本发明一个具体实施例的基于脑机接口的室内光线自动调节装置的方框示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面结合附图来描述本发明实施例的基于脑机接口的室内光线自动调节装置。

如图1所示，本发明实施例的基于脑机接口的室内光线自动调节装置，包括脑电采集模块10、脑电处理模块20和控制模块30。

其中，脑电采集模块10用于采集用户在当前光线刺激下生成的当前脑电信号；脑电处理模块20与脑电采集模块10进行通信连接，以接收当前脑电信号，并根据当前脑电信号和数据库中的脑电信号与室内光线亮度之间的对应关系生成控制指令；控制模块30与脑电处理模块20进行通信连接，以接收控制指令，并根据控制指令对室内光线亮度进行调节。

在本发明的一个实施例中，脑电采集模块10可集成在脑电采集帽上，脑电采集模块10包括多个干电极(例如十个干电极)、一个参考电极和一个接地电极。如图2和图3所示，多个干电极1可均匀排布于脑电采集帽内围，参考电极2可设置于脑电采集帽顶部，接地电极也可设置于脑电采集帽顶部。其中，干电极1可采集原始脑电信号，并结合参考电极2和接地电极得到比较可靠的原始脑电信号。在本发明的实施例中，脑电采集模块10采集的是用户基于视觉刺激的诱发电位，其中诱发刺激为室内光线本身，即采集用户基于室内光线强弱(光线过亮或者过暗)而产生的诱发电位。通过脑电采集帽采集脑电信号，具有结构简单、体积小、易于穿戴等优点。

进一步地，脑电采集模块10还包括多级放大电路和多级滤波电路，多级放大电路和多级滤波电路分别用于对干电极采集到的原始的脑电信号进行放大和滤波处理以得到纯净的脑电信号。如图3所示，包括多级放大电路和多级滤波电路的处理芯片3也可集成在脑电采集帽上。通过设置多级放大电路和多级滤波电路，能够准确地提取出用户的脑电信号，为之后脑电处理分析以及后续准确控制室内光线亮度提供保证。

在本发明的一个实施例中，脑电采集帽具有伸缩机构，在使用时可直接佩戴于用户头上。在本发明的一个具体实施例中，脑电采集模块10可采用Avertus公司研发的H10C型号脑电采集帽，具有较高的灵敏度以及较好的舒适性。

在本发明的一个实施例中，在初次使用基于脑机接口的室内光线自动调节装置时，可通过采集用户基于不同亮度光线的刺激所生成的脑电信号，建立脑电信号与室内光线亮度之间的对应关系，并存储于数据库中。

脑电处理模块20接收时域形式的脑电信号，并转换为频域形式的脑电信号，以及根据不同的频域特征对脑电信号进行特征分类，并与数据库中的对应关系进行对比，得到用户在当前光线亮度下的舒适度。如果用户在当前光线亮度下的舒适度为舒适，则控制指令无效；如果用户在当前光线亮度下的舒适度为不舒适、光线过暗，则控制指令为调亮指令，控制模块30可根据调亮指令提高室内光线亮度；如果用户在当前光线亮度下的舒适度为不舒适、光线过亮，则控制指令为调暗指令，控制模块30可根据调暗指令降低室内光线亮度。

具体地，如图4所示，本发明实施例的基于脑机接口的室内光线自动调节装置可执行脑电采集和脑电识别程序。其中，在脑电采集阶段，脑电采集帽可获取基于室内光线刺激的EEG(Electroencephalogram，脑电波)视觉诱发脑电信号，并进行信号调理，如进行上述实施例所述的放大与滤波。脑电处理模块20可为计算机，在脑电识别阶段，计算机可进行信号分解，如通过独立分量分解、小波变换和傅里叶变换得到n个频率段，并分别进行频谱分析得到n个频谱特征，然后进行特征提取，并将提取到的特征与数据路进行对比分析，做出控制指令。其中，所提取到的特征还可反馈到信号分解步骤进行特征优化。

在本发明的一个实施例中，如图5所示，控制模块30包括第一控制单元31和第二控制单元32，其中，第一控制单元31与电动窗相连，第一控制单元31用于根据控制指令对电动窗的开合程度进行调节，第二控制单元32与灯具相连，第二控制单元32用于根据控制指令对灯具的发光强度进行调节。

在本发明的一个具体实施例中，第一控制单元31和第二控制单元32均包括STM32F4单片机。电动窗为电机驱动的可调节百叶窗，灯具为无级调光调色LED吸顶灯，吸顶灯具体型号可为松下HHLAZ6066。

在本发明的一个实施例中，如图5所示，脑电采集模块10与脑电处理模块20可通过第一无线通信模块相连，以进行无线通信连接，脑电处理模块20与控制模块30可通过第二无线通信模块相连，以进行无线通信连接。

在本发明的一个具体实施例中，第一无线通信模块和第二无线通信模块可均为蓝牙模块。也就是说，脑电采集模块10与脑电处理模块20之间可通过蓝牙传输脑电信号，脑电处理模块20与灯具控制端之间、脑电处理模块20与电动窗控制端之间可通过蓝牙传输控制指令。

在本发明的一个实施例中，脑电采集模块10、脑电处理模块20、控制模块30、灯具和电动窗均具有对应的独立供电电源。其中，脑电采集模块10的电源可为9V锂电池电源，置于脑电采集帽上；脑电处理模块20的电源为计算机自带的电源；控制模块的电源为12V，置于控制电路板上；灯具的电源为220V交流电；电动窗的电源为220V交流电。

在本发明的一个具体实施例中，基于脑机接口的室内光线自动调节装置的应用可包括如下步骤：

S1，用户初次使用该室内光线自动调节装置时，预先采集并存储记录用户个人基于不同光线刺激所产生的诱发脑电，该数据用于建立用户个人的脑电数据库。

步骤S1包括：

S11，初次使用该室内光线自动调节装置，先开启系统各部分供电电源并佩戴好脑电采集帽，脑电采集帽尺寸可以微调，用户可自行调节至最舒服的状态。

S12，打开脑电处理模块中主机的脑电采集与分析软件，同时打开该室内光线自动调节装置系统软件，由于初次使用该系统，系统将进行初始化并进入用户个人数据库建立界面。

S13，用户个人数据库建立阶段，系统按照预设顺序调节百叶窗闭合程度以及灯具亮度，具体亮度将由一个光敏传感器采集并反馈控制模块，使室内光线亮度依次维持过暗、微暗、正常、微亮、过亮等五个阶段。

S14，脑电采集模块将采集用户处于五种亮度条件下的视觉刺激诱发电位并将其传输到脑电处理模块。

S15，脑电处理模块接收脑电采集模块传输的脑电数据，并分别处理五种亮度条件下的脑电信号，分析、提取用户在不同亮度条件下的脑电特征，并以此特征建立用户个人的数据库。其中，数据库包含用户认为室内光线过暗时的脑电特征，用户认为室内光线舒适时的脑电特征，用户认为室内光线过亮时的脑电特征。

S2，个人数据库建立后使用时，用户应首先开启脑电采集模块的电源开关，脑电采集模块开启的同时，通过第一无线通信模块以无线通信模式给脑电处理模块指令，直接使计算机启动，当计算机启动后通过第二无线通信模块以无线通信模式给控制模块指令，控制模块控制灯具和电动窗为待机状态。

S3，佩戴脑电采集帽，脑电采集帽上的干电极采集原始脑电信号，并结合参考电极和接地电极得到比较可靠的原始脑电信号。

S4，原始脑电信号经过集成于脑电采集帽上的处理芯片上的多级放大电路、多级滤波电路得到可供计算机直接处理的纯净脑电信号。

S5，纯净脑电信号通过第一无线通信模块传输到脑电处理模块，编程相应的程序使计算机根据采集到的脑电信号向控制模块发出可被识别的控制指令。

步骤S5包括：

S51，用户此时暴露于室内光线下，室内的光线即为诱发用户视觉刺激电位的刺激来源。

S52，用户基于该光线刺激产生相应的脑电信号，脑电采集帽采集用户的脑电信号并进行初步的放大、滤波处理，并将初步处理过的脑电信号通过通信模块传输到脑电处理模块的计算机中。

S53，计算机依次经过预处理、特征提取、分类过程，实现对脑电信号的特征检测。首先将时域形式的脑电信号做快速傅里叶变换，获得频域形式的脑电信号，并根据不同的频域特征对其进行特征分类。

S54，通过分析后提取的脑电特征与数据库中的不同脑电特征作对比分析，获得用户此时对室内光线强度的舒适度，若判断用户此时处于舒适状态，则不对控制模块发出调节指令；若判断用户此时处于不舒适状态，则进行步骤S55。

S55，若判断用户此时认为室内光线过暗，脑电处理模块将向控制模块发送调亮指令，若判断用户此时认为室内光线过亮，脑电处理模块将向控制模块发送调暗指令。

S6，控制模块接收到控制指令，调节灯具的亮度与电动窗的开合程度。

步骤S6包括：第一控制单元通过通信模块接收控制指令后，进行指令转换后通过电动百叶窗自带的驱动控制百叶窗的开合程度，第二控制单元通过通信模块接收控制指令后，通过灯具自带的驱动开关调节灯具的亮度，控制程序是采用C语言编程。本发明一个具体实施例的灯具为无级调光调色LED吸顶灯，电动百叶窗由步进电机驱动，因此，可实现室内亮度的无级调节。

其中，控制模块每次接收指令后，优先由第一控制单元调节电动百叶窗开合，调节期间脑电采集模块和脑电处理模块实时采集、记录、分析用户的视觉诱发脑电，如果第一控制单元的调节无法使用户产生光线舒适的视觉脑电，再由第二控制单元调节灯具的亮度以满足用户对室内光线的最佳需求。

更具体地，由于每次处理用户的脑电信号需要一定的时间，因此脑电处理模块可每隔5S发送一次控制指令。当脑电处理模块向控制模块发出一次调亮指令时，第一控制单元将首先被启动。第一控制单元通过STM32F4单片机向电动百叶窗的驱动电机发送指令，驱动电动百叶窗打开，一次驱动指令使百叶窗打开固定的行程。一次调节之后室内光线强度会发生变化，新的光线强度会对用户形成新的视觉刺激，并诱发新的脑电信号，脑电采集模块和脑电处理模块一直处于工作状态并实时采集、处理、分析用户的脑电信号，将提取出的脑电信号特征与数据库对比获得用户对室内光线的实时感受，并根据判别结果实时向控制模块发送调节指令。当第一控制单元驱动电动百叶窗完全打开后仍无法获得用户对光线强度感到舒适的脑电信号时，第二控制单元将被启动。第二控制单元通过STM32F4单片机向灯具内部的接收器发送调节指令，调节灯具的亮度，一次调节指令使灯具上调固定的亮度。

综上所述，根据本发明实施例的基于脑机接口的室内光线自动调节装置，通过脑电采集模块采集用户在当前光线刺激下生成的当前脑电信号，并通过脑电处理模块根据当前脑电信号和数据库中的脑电信号与室内光线亮度之间的对应关系生成控制指令，以及通过控制模块根据控制指令对室内光线亮度进行调节，由此，基于用户在当前光线刺激下生成的脑电信号来调节室内亮度，相对于基于用户主观动作的控制而言，控制指令是人体真实需求的直接体现，因而智能化程度更高，能够更加充分地满足用户的需求。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种基于脑机接口的室内光线自动调节装置，其特征在于，包括：

脑电采集模块，所述脑电采集模块用于采集用户在当前光线刺激下生成的当前脑电信号；

脑电处理模块，所述脑电处理模块与所述脑电采集模块进行通信连接，以接收所述当前脑电信号，并根据所述当前脑电信号和数据库中的脑电信号与室内光线亮度之间的对应关系生成控制指令；

控制模块，所述控制模块与所述脑电处理模块进行通信连接，以接收所述控制指令，并根据所述控制指令对室内光线亮度进行调节。

2.根据权利要求1所述的基于脑机接口的室内光线自动调节装置，其特征在于，所述脑电采集模块集成在脑电采集帽上，所述脑电采集模块包括多个干电极、一个参考电极和一个接地电极，其中，所述多个干电极均匀排布于所述脑电采集帽内围，所述参考电极和所述接地电极设置于所述脑电采集帽顶部。

3.根据权利要求2所述的基于脑机接口的室内光线自动调节装置，其特征在于，所述脑电采集模块还包括多级放大电路和多级滤波电路，所述多级放大电路和所述多级滤波电路分别用于对所述干电极采集到的原始的脑电信号进行放大和滤波处理以得到纯净的脑电信号。

4.根据权利要求1所述的基于脑机接口的室内光线自动调节装置，其特征在于，其中，在初次使用所述调节装置时，通过采集所述用户基于不同亮度光线的刺激所生成的脑电信号，建立脑电信号与室内光线亮度之间的对应关系，并存储于所述数据库中。

5.根据权利要求4所述的基于脑机接口的室内光线自动调节装置，其特征在于，所述脑电处理模块接收时域形式的脑电信号，并转换为频域形式的脑电信号，以及根据不同的频域特征对所述脑电信号进行特征分类，并与所述数据库中的对应关系进行对比，得到所述用户在当前光线亮度下的舒适度。

6.根据权利要求5所述的基于脑机接口的室内光线自动调节装置，其特征在于，如果所述用户在当前光线亮度下的舒适度为舒适，则所述控制指令无效；如果所述用户在当前光线亮度下的舒适度为不舒适、光线过暗，则所述控制指令为调亮指令，所述控制模块根据所述调亮指令提高所述室内光线亮度；如果所述用户在当前光线亮度下的舒适度为不舒适、光线过亮，则所述控制指令为调暗指令，所述控制模块根据所述调暗指令降低所述室内光线亮度。

7.根据权利要求6所述的基于脑机接口的室内光线自动调节装置，其特征在于，所述控制模块包括第一控制单元和第二控制单元，其中，所述第一控制单元与电动窗相连，所述第一控制单元用于根据所述控制指令对所述电动窗的开合程度进行调节，所述第二控制单元与灯具相连，所述第二控制单元用于根据所述控制指令对所述灯具的发光强度进行调节。

8.根据权利要求7所述的基于脑机接口的室内光线自动调节装置，其特征在于，所述第一控制单元和所述第二控制单元均包括STM32F4单片机。

9.根据权利要求1所述的基于脑机接口的室内光线自动调节装置，其特征在于，所述脑电采集模块与所述脑电处理模块通过第一无线通信模块相连，以进行无线通信连接，所述脑电处理模块与所述控制模块通过第二无线通信模块相连，以进行无线通信连接。

10.根据权利要求8所述的基于脑机接口的室内光线自动调节装置，其特征在于，所述脑电采集模块、所述脑电处理模块、所述控制模块、所述灯具和所述电动窗均具有对应的独立供电电源。