CN206431576U - 一种基于脑机接口技术的智能防火家居系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于脑机接口技术的智能防火家居系统，属于智能家居射频技术领域，解决现有技术中脑机接口部分过于复杂、星形状的通信网结构易出现单点故障、智能防火家居系统内传感器自动监测与用户意志控制未相结合的技术问题。本实用新型包括脑波采集模块、数据处理模块、射频传输模块、控制模块、防火模块、照明模块、温度调节模块、无线通信模块和用户端模块；通过获得用户的原始脑波信号并转换为精神专注度值实现控制，有利于残疾人群在传统火灾传感器的自动监测功能发生故障时通过意志控制系统进行灭火，提高系统的安全性与可实现性。本实用新型具有组网方便、成本低廉与操作简单等特点，具备较为广阔的市场前景与较高的经济价值。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种智能防火家居系统，特别是一种基于脑机接口技术的智能防火家居系统，属于智能家居射频技术领域。
背景技术
脑机接口(BCI)技术是通过脑电(EEG)信号实现人和计算机等设备之间的交流和控制的技术，主要目的是为了帮助那些思维正常但是有行动障碍的人(如肌萎缩性(脊髓)侧索硬化患者、严重脊髓损伤或完全瘫痪的人)提供一个与外部环境进行交流与控制的途径。智能家居是近年来新兴发展的领域，对于人们生活智能化提供了很大的帮助，但是面向残疾人的智能家居在市场上并不多见。
智能防火家居技术是智能家居中的关键技术，即通过传感器的自动监测，实现防火、防盗等功能。由安全技术研发的智能防火家居系统可以实现温度监测、家电(空调，热水器等)控制、照明控制、防盗报警及计算机控制等多种功能和手段。目前，还没有专门的基于BCI技术的智能防火家居系统。现有技术中有关BCI技术的家居系统大多仅停留在实验阶段，存在BCI设备昂贵、脑机接口部分过于复杂、星形状的通信网结构易出现单点故障、部分模块耗能较大等问题，且未能实现传感器自动监测与用户意志控制相结合的功能。因此，为了满足残疾人群生活的需要、提高其生活质量、共享科技进步带来的便捷，需要设计一种基于BCI技术的智能防火家居系统。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是提供一种基于脑机接口技术的智能防火家居系统，解决现有技术中脑机接口部分过于复杂、星形状的通信网结构易出现单点故障、智能防火家居系统内传感器自动监测与用户意志控制未相结合的技术问题。
为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种基于脑机接口技术的智能防火家居系统，包括脑波采集模块、数据处理模块、射频传输模块、控制模块和防火模块；
所述脑波采集模块用于获得用户的原始脑波信号并输入数据处理模块；所述数据处理模块用于将所述原始脑波信号转换为精神专注度值；所述射频传输模块用于将精神专注度值发送至控制模块；
所述防火模块用于监测火灾信号的大小，若大于预设阈值则启动相应的灭火功能；所述控制模块用于判断精神专注度值是否处于第一预设专注度区间内，若是，启动防火模块的灭火功能。
所述脑波采集模块包括依次级联的脑波检测器、前置放大器、带通滤波器、后置放大器和电压跟随器；
所述脑波检测器用于获得原始脑波信号；所述前置放大器用于对原始脑波信号进行电压增益放大；所述带通滤波器用于滤除前置放大器输出信号的极化电平噪声；所述后置放大器用于对带通滤波器输出信号进行电压增益放大；所述电压跟随器用于增加后置放大器输出信号的阻抗。
所述原始脑波信号包括δ脑波信号、θ脑波信号、α脑波信号和β脑波信号；所述数据处理模块内设有α脑波信号滤波器、除法器、电压放大器与模数转换器；
所述电压跟随器的输出端分别与α脑波信号滤波器的输入端、除法器的第一输入端相连；
所述α脑波信号滤波器的输出端与除法器的第二输入端相连，用于从原始脑波信号内提取α脑波信号；所述除法器用于获得α脑波信号与原始脑波信号的电压比值；
所述电压放大器的输入端与除法器的输出端相连，用于对所述电压比值进行电压增益放大；
所述模数转换器的输入端与电压放大器的输出端相连，用于将电压增益放大后的电压比值由模拟信号转换为数字信号，并作为所述精神专注度值输出。
所述防火模块包括火焰传感器、第一继电器与喷水龙头；所述火焰传感器用于监测火焰辐射强度，若大于预设火焰辐射强度阈值，则通过第一继电器打开喷水龙头；且所述控制模块与第一继电器相连。
所述防火模块还包括烟雾传感器、第二继电器与排烟风扇；所述烟雾传感器用于监测烟雾浓度，若大于预设烟雾浓度阈值，则通过第二继电器打开排烟风扇；且所述控制模块与第二继电器相连。
所述防火模块内设有蜂鸣器，且蜂鸣器分别与所述烟雾传感器、控制模块相连；所述蜂鸣器用于在所述烟雾浓度大于预设烟雾阈值时启动；所述蜂鸣器还用于在所述精神专注度值处于第一预设专注度区间内时启动。
所述智能防火家居系统还包括照明模块；
所述照明模块包括光敏电阻传感器、第三继电器与照明设备；所述光敏电阻传感器用于监测光线强度，若小于预设光线强度阈值则通过第三继电器打开照明设备；
所述第三继电器与控制模块相连，所述控制模块还用于判断精神专注度值是否处于第二预设专注度区间内，若是，通过第三继电器打开照明设备。
所述智能防火家居系统还包括温度调节模块，所述温度调节模块包括第四继电器与室内温控设备；
所述第四继电器与控制模块相连，所述控制模块还用于判断精神专注度值是否处于第三预设专注度区间内，若是，通过第四继电器调高室内温控设备的输出温度；若否，判断精神专注度值是否处于第四预设专注度区间内，若是，通过第四继电器调低室内温控设备的输出温度。
所述射频传输模块包括射频发送器与射频接收器，所述射频发送器与数据处理模块相连，所述射频接收器与控制模块相连。
所述智能防火家居系统还包括温度传感器、无线通信模块与用户端模块；
所述温度传感器设置于温度调节模块内，用于监测室内温度；所述无线通信模块用于读取室内温度与室内温控设备的输出温度，并发送至用户端模块；所述用户端模块用于显示所述室内温度与室内温控设备的输出温度。
本实用新型通过脑波采集模块获得用户的原始脑波信号，并由数据处理模块将原始脑波信号转化为精神专注度值，解决现有技术中脑机接口部分过于复杂的技术问题。通过设置数据处理模块、射频传输模块、控制模块，将脑波采集模块与防火模块分离，解决现有技术中星形状的通信网结构易出现单点故障的技术问题，同时使得脑波采集模块与防火模块保持在较远的安全范围内，实现在火灾发生时避免用户自身进入险境处理危急情况，保护用户的人身安全。本实用新型通过防火模块监测火灾信号，若大于预设阈值则启动灭火功能；通过控制模块判断精神专注度值是否处于预设专注度区间内，若是，启动防火模块的灭火功能，实现智能防火家居系统内传感器自动监测与用户意志控制相结合，增加防火模块启动方式的多样性，有利于残疾人群在传统火灾传感器的自动监测功能发生故障时通过意志控制系统进行灭火，提高系统的安全性与可实现性。本实用新型具有组网方便、成本低廉与操作简单等特点，具备较为广阔的市场前景与较高的经济价值。
附图说明
图1是本实用新型的系统结构图；
图1中：1.脑波采集模块；2.数据处理模块；3.射频传输模块；4.控制模块；5.防火模块；6.照明模块；7.温度调节模块；8.无线通信模块；9.用户端模块；
图2是本实用新型前置放大器的原理图；
图3是本实用新型带通滤波器的原理图；
图4是本实用新型后置放大器的原理图；
图5是本实用新型电压跟随器的原理图；
图6是本实用新型射频发送器或射频接收器的原理图；
图7是本实用新型蜂鸣器的原理图；
图8是本实用新型第一继电器、第二继电器、第三继电器或第四继电器的原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本实用新型并能予以实施，但所举实施例不作为对本实用新型的限定。
人类脑波频率变化范围很大，相关研究表明和大脑活动相关的脑波频率主要在0.5Hz到40Hz之间，脑波信号频带如下表所示：
| 脑波信号频带 | 频率(Hz) | 活动描述 |
| δ波 | 0.5-3 | 极度疲劳和深度睡眠下的状态 |
| θ波 | 4-7 | 受到挫折或精神抑郁状态 |
| α波 | 8-12 | 在清静状态下并且集中思考状态 |
| β波 | 13-40 | 精神紧张、情绪激动或者奋亢状态 |
为了获得影响精神专注度的经验规律，分别从一个被测试者在不同状态下采集脑波信号。每组3人，重复10次测试，测试结果(各频段脑波信号分布)如下表所示(其中A表示疲劳状态下，B表示平常状态，C表示注意力集中，表中的数字表示脑波信号的能量值，即电压信号的平方平均值)：
经过以上实验的多次重复得出以下规律：将α脑波信号与原始脑波信号(δ、θ、α和β)的电压比值作为精神专注度值，由电子器件实现。精神专注度值的范围为[0，100]，其值越大，表明被测试者注意力很集中，脑波特征越明显。如果精神专注度值小于10，则表明被测试者精神涣散甚至处于睡眠状态(疲劳状态)；如果精神专注度值在10-20范围内，则表明被测试者处于自然的平常状态；如果精神专注度值在20-40范围内，则表明被测试者进入专心状态；当精神专注度值大于40，则表明被测试者处于精神力高度集中状态。
实施例1：
参见附图1，本实施例内的智能防火家居系统包括脑波采集模块1、数据处理模块2、射频传输模块3、控制模块4、防火模块5、照明模块6、温度调节模块7、无线通信模块8和用户端模块9。
其中脑波采集模块1包括依次级联的脑波检测器、前置放大器、带通滤波器、后置放大器和电压跟随器。脑波检测器采用NeuroSky(神念科技)的Mindwave Mobile(脑立方耳机)；前置放大器采用集成模拟运算放大器ADA4817及其外围电路，如附图2所示；带通滤波器采用双运算放大器LM358及其外围电路，如附图3所示；后置放大器采用双运算放大器LM358、反相器74LS04及其外围电路，如附图4所示；电压跟随器采用运算放大器OP07及其外围电路，如附图5所示。
数据处理模块2内设有α脑波信号滤波器、除法器、电压放大器与模数转换器；其中α脑波信号滤波器选用频带范围为8-12Hz的带通滤波器；除法器选用JINLIDA的AD633ARAD633ARZ SOP8模拟乘法除法器；电压放大器选用集成模拟运算放大器ADA4817，放大增益为100倍；模数转换器采用A/D转换器AD7705。将脑波采集模块1的电压跟随器的输出端分别与α脑波信号滤波器的输入端、除法器的第一输入端相连；α脑波信号滤波器的输出端与除法器的第二输入端相连。电压放大器的输入端与除法器的输出端相连；模数转换器的输入端与电压放大器的输出端相连。
射频传输模块3包括射频发送器与射频接收器，射频发送器与数据处理模块2模数转换器的输出端相连，射频接收器与控制模块4内的串/并通信转换器74HC595D的输入端相连。射频发送器与射频接收器各采用一块带有外围电路的单片无线收发器芯片NRF24L01，射频发送器或射频接收器的原理图如附图6所示。控制模块4除了串/并通信转换器74HC595D外，采用8个数值比较器74LS521，每一对作为一个预设专注度区间判断电路(本实用新型总共四个预设专注度区间)；将74HC595D的输出端与每个74LS521的一侧(A侧)数据输入接口相连。每个74LS521的另一侧(B侧)数据输入接口用于设置预设专注度区间的端点值：在每一对74LS521内一个芯片的B侧数据输入接口设置端点上限值，另一个芯片的B侧数据输入接口设置端点下限值。分别将每一对74LS521内端点上限值对应的“A<B”输出端与下限值对应的“A>B”输出端通过一个与非门电路连接。这样上述4个与非门电路分别作为控制模块4的第一控制输出端、第二控制输出端、第三控制输出端与第四控制输出端。
防火模块5包括火焰传感器、第一继电器、喷水龙头、烟雾传感器、第二继电器、排烟风扇与蜂鸣器。其中火焰传感器的输出端与第一继电器的第一输入端相连，控制模块4的第一控制输出端与第一继电器的第二输入端相连，第一继电器的输出端与喷水龙头相连；烟雾传感器的第一输出端与第二继电器的第一输入端相连，第二继电器的输出端与排烟风扇相连，烟雾传感器的第二输出端与蜂鸣器的第一输入端相连；控制模块4的第一控制输出端与第二继电器的第二输入端相连，控制模块4的第一控制输出端与蜂鸣器的第二输入端相连。火焰传感器使用LM393宽电压比较器，可以检测任何波长在760nm-1100nm范围的光源，工作电压在3.3V至5V。烟雾传感器采用MQ-5气体传感器，该型号的气体传感器使用的敏感材料为在清洁空气导电率较低的氧化锡(SnO2)。蜂鸣器采用5V低电平触发启动的有源蜂鸣器，如附图7所示(此处蜂鸣器的第一输入端和第二输入端为一个输入端)。
照明模块6包括光敏电阻传感器、第三继电器与照明设备。光敏电阻传感器的输出端与第三继电器的第一输入端相连，控制模块4的第二控制输出端与第三继电器的第二输入端相连，第三继电器的输出端与照明设备相连。光敏电阻传感器采用双电压比较器集成电路LM393；照明设备选择LED光源射灯。
温度调节模块7包括包括第四继电器、室内温控设备与温度传感器。室内温控设备选择带有制冷与制热功能的空调，温度传感器选择电容式水分元素和高精度的测温器件。控制模块4的第三控制输出端与第四继电器的第一输入端相连；控制模块4的第四控制输出端与第四继电器的第二输入端相连；第四继电器的输出端与室内温控设备相连。温度传感器的输出端与无线通信模块8的第一输入端相连，室内温控设备的温度输出端与无线通信模块8的第二输入端相连。无线通信模块8的输出端与用户端模块9的输入端相连。无线通信模块8选择UART-WiFi透传模块ESP8266，用户端模块9选用支持IEEE 802.11b/g/n(WiFi通信协议)的液晶显示屏。
上述第一继电器、第二继电器、第三继电器与第四继电器均选择复合晶体管集成电路ULN2003及其外围电路，如附图8所示。
本实施例工作过程如下：
首先使防火模块5与照明模块6接通电源开始运行，并预先设置防火模块5内火焰传感器的火焰强度阈值与烟雾传感器的烟雾浓度阈值；预先设置照明模块6内光敏电阻传感器的光线强度阈值。火焰传感器不间断监测室内的火焰，若检测到火焰强度大于预设火焰强度阈值，则通过第一继电器打开喷水龙头，实现扑灭火焰的功能；烟雾传感器不间断监测室内的烟雾，若检测到烟雾浓度大于预设烟雾浓度阈值，则通过第二继电器打开排烟风扇，实现通风除烟的功能；同时，蜂鸣器自动接通电源开始工作，实现烟雾(火灾)报警功能。照明模块6内的光敏电阻传感器不间断监测室内的光线，若检测到的光线强度小于预设光线强度阈值，则通过第三继电器打开LED光源射灯，实现照明功能。
打开本系统的脑波采集模块1、数据处理模块2、射频传输模块3、控制模块4、温度调节模块7、无线通信模块8和用户端模块9，使其上电工作。在控制模块4内设置合适的第一预设专注度区间(精神专注度值范围：50-100)、第二预设专注度区间(精神专注度值范围：28-30)、第三预设专注度区间(精神专注度值范围：18-20)和第四预设专注度区间(精神专注度值范围：23-25)。用户带上脑立方耳机后，脑立方耳机获得用户的原始脑波信号，包括δ脑波信号、θ脑波信号、α脑波信号和β脑波信号(这些信号是模拟信号)，随后输出至前置放大器。前置放大器对这些信号进行50倍增益的前置放大，随后输出至带通滤波器。带通滤波器滤除0.5Hz以下的极化电平噪声，将该信号输出至后置放大器。后置放大器对信号进行放大并反相，随后输出至电压跟随器。电压跟随器将高速信号与后级负载相隔离，增加信号的输入阻抗，随后输出至数据处理模块2。
数据处理模块2的α脑波信号滤波器从原始脑波信号内提取α脑波信号；除法器AD633AR AD633ARZ SOP8获得α脑波信号与原始脑波信号的电压比值。电压放大器ADA4817对电压比值进行100倍电压增益放大；模数转换器AD7705将电压增益放大100倍后的电压比值由模拟信号转换为数字信号，并作为精神专注度值输入射频发送器发送，射频接收器接收到精神专注度值后将其输入控制模块4。
控制模块4判断精神专注度值是否处于50-100内，若是，通过第一继电器打开喷水龙头、通过第二继电器打开排烟风扇，同时蜂鸣器开始工作，实现灭火功能与报警功能。控制模块4判断精神专注度值是否处于28-30内，若是，通过第三继电器打开LED光源射灯，实现照明功能。控制模块4判断精神专注度值是否处于18-20内，若是，通过第四继电器调高空调的输出温度。控制模块4判断精神专注度值是否处于23-25内，若是，通过第四继电器调低空调的输出温度。
温度传感器不间断监测室内温度，无线通信模块8的ESP8266读取室内温度与空调的输出温度，并发送至液晶显示屏；液晶显示屏实时显示室内温度与空调的输出温度。
本实施例的前置放大器内设置电容C1，抑制电路产生的自激振荡。
本实施例的后置放大器内设置有粗调电阻R3与细调电阻R4，更为精准地控制信号的放大倍数。
本实施例的脑波采集模块内设置电压跟随器，起到增大输入阻抗与缓冲作用。
本实施例的数据处理模块通过获得α脑波信号与原始脑波信号的电压比值作为精神专注度值，纯模拟电子器件实现功能，具有低功耗、结构简单的特点。
本实施例的控制模块内设置模数转换器，将模拟信号转化为数据控制模块易与处理的数字序列，提高系统的辨识度。
本实施例的防火模块的第一继电器分别与控制模块、火焰传感器相连，实现自动喷水与用户意志控制喷水相结合的功能。
本实施例的防火模块的第二继电器分别与控制模块、烟雾传感器相连，实现自动排烟与用户意志控制排烟相结合的功能。
本实施例的蜂鸣器分别与控制模块、烟雾传感器相连，实现自动报警与用户意志控制报警相结合的功能。
本实施例的照明模块的第三继电器分别与控制模块、光敏电阻传感器相连，实现自动照明与用户意志控制照明相结合的功能。
本实施例的温度调节模块通过第四继电器与控制模块相连，实现用户意志控制空调温度或室内温度的功能。
本实施例的数据处理模块与控制模块分别采用模拟或数字的通用分立器件；无线通信模块采用低功耗的ESP8266射频芯片，有效降低系统耗能。射频传输模块采用两块NRF24L01芯片作为收发端，摆脱有线信号传输带来的距离局限性，而且使用户避免自身进入险境处理危急情况，保护自身安全。
本实施例的用户端模块选用液晶显示屏，用户了解室内温度与室内温控设备的输出温度。
实施例2：
参见附图1，本实施例内的智能防火家居系统包括脑波采集模块1、数据处理模块2、射频传输模块3、控制模块4、防火模块5、照明模块6、温度调节模块7、无线通信模块8和用户端模块9。
其中脑波采集模块1包括依次级联的脑波检测器、前置放大器、带通滤波器、后置放大器和电压跟随器。脑波检测器采用NeuroSky(神念科技)的Mindwave Mobile(脑立方耳机)；前置放大器采用集成模拟运算放大器ADA4817及其外围电路，如附图2所示；带通滤波器采用双运算放大器LM358及其外围电路，如附图3所示；后置放大器采用双运算放大器LM358、反相器74LS04及其外围电路，如附图4所示；电压跟随器采用运算放大器OP07及其外围电路，如附图5所示。
数据处理模块2内设有α脑波信号滤波器、除法器、电压放大器与模数转换器；其中α脑波信号滤波器选用频带范围为8-12Hz的带通滤波器；除法器选用JINLIDA的AD633ARAD633ARZ SOP8模拟乘法除法器；电压放大器选用集成模拟运算放大器ADA4817，放大增益为100倍；模数转换器采用A/D转换器AD7705。将脑波采集模块1的电压跟随器的输出端分别与α脑波信号滤波器的输入端、除法器的第一输入端相连；α脑波信号滤波器的输出端与除法器的第二输入端相连。电压放大器的输入端与除法器的输出端相连；模数转换器的输入端与电压放大器的输出端相连。
射频传输模块3包括射频发送器与射频接收器，射频发送器与数据处理模块2模数转换器的输出端相连，射频接收器与控制模块4内的串/并通信转换器74HC595D的输入端相连。射频发送器与射频接收器各采用一块带有外围电路的单片无线收发器芯片NRF24L01，射频发送器或射频接收器的原理图如附图6所示。控制模块4除了串/并通信转换器74HC595D外，采用8个数值比较器74LS521，每一对作为一个预设专注度区间判断电路(本实用新型总共四个预设专注度区间)；将74HC595D的输出端与每个74LS521的一侧(B侧)数据输入接口相连。每个74LS521的另一侧(A侧)数据输入接口用于设置预设专注度区间的端点值：在每一对74LS521内一个芯片的A侧数据输入接口设置端点上限值，另一个芯片的A侧数据输入接口设置端点下限值。分别将每一对74LS521内端点上限值对应的“A>B”输出端与下限值对应的“A<B”输出端通过一个与非门电路连接。这样上述4个与非门电路分别作为控制模块4的第一控制输出端、第二控制输出端、第三控制输出端与第四控制输出端。
防火模块5包括火焰传感器、第一继电器、喷水龙头、烟雾传感器、第二继电器、排烟风扇与蜂鸣器。其中火焰传感器的输出端与第一继电器的第一输入端相连，控制模块4的第一控制输出端与第一继电器的第二输入端相连，第一继电器的输出端与喷水龙头相连；烟雾传感器的第一输出端与第二继电器的第一输入端相连，第二继电器的输出端与排烟风扇相连，烟雾传感器的第二输出端与蜂鸣器的第一输入端相连；控制模块4的第一控制输出端与第二继电器的第二输入端相连，控制模块4的第一控制输出端与蜂鸣器的第二输入端相连。火焰传感器使用LM393宽电压比较器，可以检测任何波长在760nm-1100nm范围的光源，工作电压在3.3V至5V。烟雾传感器采用MQ-5气体传感器，该型号的气体传感器使用的敏感材料为在清洁空气导电率较低的氧化锡(SnO2)。蜂鸣器采用5V低电平触发启动的有源蜂鸣器，如附图7所示(此处蜂鸣器的第一输入端和第二输入端为一个输入端)。
照明模块6包括光敏电阻传感器、第三继电器与照明设备。光敏电阻传感器的输出端与第三继电器的第一输入端相连，控制模块4的第二控制输出端与第三继电器的第二输入端相连，第三继电器的输出端与照明设备相连。光敏电阻传感器采用双电压比较器集成电路LM393；照明设备选择氙气光源射灯。
温度调节模块7包括包括第四继电器、室内温控设备与温度传感器。室内温控设备选择带有制冷与制热功能的空调，温度传感器选择电容式水分元素和高精度的测温器件。控制模块4的第三控制输出端与第四继电器的第一输入端相连；控制模块4的第四控制输出端与第四继电器的第二输入端相连；第四继电器的输出端与室内温控设备相连。温度传感器的输出端与无线通信模块8的第一输入端相连，室内温控设备的温度输出端与无线通信模块8的第二输入端相连。无线通信模块8的输出端与用户端模块9的输入端相连。无线通信模块8选择UART-WiFi透传模块ESP8266，用户端模块9选用支持IEEE 802.11b/g/n(WiFi通信协议)的七段数码显示器。
上述第一继电器、第二继电器、第三继电器与第四继电器均选择复合晶体管集成电路ULN2003及其外围电路，如附图8所示。
本实施例工作过程如下：
首先使防火模块5与照明模块6接通电源开始运行，并预先设置防火模块5内火焰传感器的火焰强度阈值与烟雾传感器的烟雾浓度阈值；预先设置照明模块6内光敏电阻传感器的光线强度阈值。火焰传感器不间断监测室内的火焰，若检测到火焰强度大于预设火焰强度阈值，则通过第一继电器打开喷水龙头，实现扑灭火焰的功能；烟雾传感器不间断监测室内的烟雾，若检测到烟雾浓度大于预设烟雾浓度阈值，则通过第二继电器打开排烟风扇，实现通风除烟的功能；同时，蜂鸣器自动接通电源开始工作，实现烟雾(火灾)报警功能。照明模块6内的光敏电阻传感器不间断监测室内的光线，若检测到的光线强度小于预设光线强度阈值，则通过第三继电器打开氙气光源射灯，实现照明功能。
打开本系统的脑波采集模块1、数据处理模块2、射频传输模块3、控制模块4、温度调节模块7、无线通信模块8和用户端模块9，使其上电工作。在控制模块4内设置合适的第一预设专注度区间(精神专注度值范围：45-100)、第二预设专注度区间(精神专注度值范围：30-35)、第三预设专注度区间(精神专注度值范围：12-17)和第四预设专注度区间(精神专注度值范围：20-25)。用户带上脑立方耳机后，脑立方耳机获得用户的原始脑波信号，包括δ脑波信号、θ脑波信号、α脑波信号和β脑波信号(这些信号是模拟信号)，随后输出至前置放大器。前置放大器对这些信号进行70倍增益的前置放大，随后输出至带通滤波器。带通滤波器滤除0.5Hz以下的极化电平噪声，将该信号输出至后置放大器。后置放大器对信号进行放大并反相，随后输出至电压跟随器。电压跟随器将高速信号与后级负载相隔离，增加信号的输入阻抗，随后输出至数据处理模块2。
数据处理模块2的α脑波信号滤波器从原始脑波信号内提取α脑波信号；除法器AD633AR AD633ARZ SOP8获得α脑波信号与原始脑波信号的电压比值。电压放大器ADA4817对电压比值进行100倍电压增益放大；模数转换器AD7705将电压增益放大100倍后的电压比值由模拟信号转换为数字信号，并作为精神专注度值输入射频发送器发送，射频接收器接收到精神专注度值后将其输入控制模块4。
控制模块4判断精神专注度值是否处于45-100内，若是，通过第一继电器打开喷水龙头、通过第二继电器打开排烟风扇，同时蜂鸣器开始工作，实现灭火功能与报警功能。控制模块4判断精神专注度值是否处于30-35内，若是，通过第三继电器打开氙气光源射灯，实现照明功能。控制模块4判断精神专注度值是否处于12-17内，若是，通过第四继电器调高空调的输出温度。控制模块4判断精神专注度值是否处于20-25内，若是，通过第四继电器调低空调的输出温度。
温度传感器不间断监测室内温度，无线通信模块8的ESP8266读取室内温度与空调的输出温度，并发送至七段数码显示器；七段数码显示器实时显示室内温度与空调的输出温度。
本实用新型通过脑波采集模块获得用户的原始脑波信号，并由数据处理模块将原始脑波信号转化为精神专注度值，解决现有技术中脑机接口部分过于复杂的技术问题。通过设置数据处理模块、射频传输模块、控制模块，将脑波采集模块与防火模块分离，解决现有技术中星形状的通信网结构易出现单点故障的技术问题，同时使得脑波采集模块与防火模块保持在较远的安全范围内，实现在火灾发生时避免用户自身进入险境处理危急情况，保护用户的人身安全。
本实用新型通过防火模块监测火灾信号，若大于预设阈值则启动灭火功能；通过控制模块判断精神专注度值是否处于预设专注度区间内，若是，启动防火模块的灭火功能，实现智能防火家居系统内传感器自动监测与用户意志控制相结合，增加防火模块启动方式的多样性，有利于残疾人群在传统火灾传感器的自动监测功能发生故障时通过意志控制系统进行灭火，提高系统的安全性与可实现性。本实用新型具有组网方便、成本低廉与操作简单等特点，具备较为广阔的市场前景与较高的经济价值。
以上所述实施例仅是为充分说明本实用新型而所举的较佳的实施例，本实用新型的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本实用新型基础上所作的等同替代或变换，均在本实用新型的保护范围之内。本实用新型的保护范围以权利要求书为准。
Claims (10)
1.一种基于脑机接口技术的智能防火家居系统，其特征在于，包括脑波采集模块、数据处理模块、射频传输模块、控制模块和防火模块；
所述脑波采集模块用于获得用户的原始脑波信号并输入数据处理模块；所述数据处理模块用于将所述原始脑波信号转换为精神专注度值；所述射频传输模块用于将精神专注度值发送至控制模块；
所述防火模块用于监测火灾信号的大小，若大于预设阈值则启动相应的灭火功能；所述控制模块用于判断精神专注度值是否处于第一预设专注度区间内，若是，启动防火模块的灭火功能。
2.根据权利要求1所述的基于脑机接口技术的智能防火家居系统，其特征在于，所述脑波采集模块包括依次级联的脑波检测器、前置放大器、带通滤波器、后置放大器和电压跟随器；
所述脑波检测器用于获得原始脑波信号；所述前置放大器用于对原始脑波信号进行电压增益放大；所述带通滤波器用于滤除前置放大器输出信号的极化电平噪声；所述后置放大器用于对带通滤波器输出信号进行电压增益放大；所述电压跟随器用于增加后置放大器输出信号的阻抗。
3.根据权利要求2所述的基于脑机接口技术的智能防火家居系统，其特征在于，所述原始脑波信号包括δ脑波信号、θ脑波信号、α脑波信号和β脑波信号；所述数据处理模块内设有α脑波信号滤波器、除法器、电压放大器与模数转换器；
所述电压跟随器的输出端分别与α脑波信号滤波器的输入端、除法器的第一输入端相连；
所述α脑波信号滤波器的输出端与除法器的第二输入端相连，用于从原始脑波信号内提取α脑波信号；所述除法器用于获得α脑波信号与原始脑波信号的电压比值；
所述电压放大器的输入端与除法器的输出端相连，用于对所述电压比值进行电压增益放大；
所述模数转换器的输入端与电压放大器的输出端相连，用于将电压增益放大后的电压比值由模拟信号转换为数字信号，并作为所述精神专注度值输出。
4.根据权利要求3所述的基于脑机接口技术的智能防火家居系统，其特征在于，所述防火模块包括火焰传感器、第一继电器与喷水龙头；所述火焰传感器用于监测火焰辐射强度，若大于预设火焰辐射强度阈值，则通过第一继电器打开喷水龙头；且所述控制模块与第一继电器相连。
5.根据权利要求4所述的基于脑机接口技术的智能防火家居系统，其特征在于，所述防火模块还包括烟雾传感器、第二继电器与排烟风扇；所述烟雾传感器用于监测烟雾浓度，若大于预设烟雾浓度阈值，则通过第二继电器打开排烟风扇；且所述控制模块与第二继电器相连。
6.根据权利要求5所述的基于脑机接口技术的智能防火家居系统，其特征在于，所述防火模块内设有蜂鸣器，且蜂鸣器分别与所述烟雾传感器、控制模块相连；所述蜂鸣器用于在所述烟雾浓度大于预设烟雾阈值时启动；所述蜂鸣器还用于在所述精神专注度值处于第一预设专注度区间内时启动。
7.根据权利要求1-6任意一项所述的基于脑机接口技术的智能防火家居系统，其特征在于，所述智能防火家居系统还包括照明模块；
所述照明模块包括光敏电阻传感器、第三继电器与照明设备；所述光敏电阻传感器用于监测光线强度，若小于预设光线强度阈值则通过第三继电器打开照明设备；
所述第三继电器与控制模块相连，所述控制模块还用于判断精神专注度值是否处于第二预设专注度区间内，若是，通过第三继电器打开照明设备。
8.根据权利要求7所述的基于脑机接口技术的智能防火家居系统，其特征在于，所述智能防火家居系统还包括温度调节模块，所述温度调节模块包括第四继电器与室内温控设备；
所述第四继电器与控制模块相连，所述控制模块还用于判断精神专注度值是否处于第三预设专注度区间内，若是，通过第四继电器调高室内温控设备的输出温度；若否，判断精神专注度值是否处于第四预设专注度区间内，若是，通过第四继电器调低室内温控设备的输出温度。
9.根据权利要求8所述的基于脑机接口技术的智能防火家居系统，其特征在于，所述射频传输模块包括射频发送器与射频接收器，所述射频发送器与数据处理模块相连，所述射频接收器与控制模块相连。
10.根据权利要求9所述的基于脑机接口技术的智能防火家居系统，其特征在于，所述智能防火家居系统还包括温度传感器、无线通信模块与用户端模块；
所述温度传感器设置于温度调节模块内，用于监测室内温度；所述无线通信模块用于读取室内温度与室内温控设备的输出温度，并发送至用户端模块；所述用户端模块用于显示所述室内温度与室内温控设备的输出温度。
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| CN201720010239.6U CN206431576U (zh) | 2017-01-05 | 2017-01-05 | 一种基于脑机接口技术的智能防火家居系统 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111610723A (zh) * | 2020-05-29 | 2020-09-01 | 黄淮学院 | 一种适于智能家居的脑机接口控制系统 |
| CN113175356A (zh) * | 2021-05-24 | 2021-07-27 | 华北科技学院(中国煤矿安全技术培训中心) | 一种可及时采集灾情的矿井瓦斯爆炸灾情智能探测系统 |
| CN114647320A (zh) * | 2022-05-24 | 2022-06-21 | 之江实验室 | 一种应用于脑机接口的同步采集与传输的方法及系统 |
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