CN107066093A - 一种基于改进cca的ssvep智能家居服务*** - Google Patents

一种基于改进cca的ssvep智能家居服务*** Download PDF

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赵瑞杰
王青
周天
徐孺
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Abstract

本发明公开了一种基于改进典型相关分析(Canonical Correspondence Analysis,CCA)的稳态视觉诱发电位(Steady State Visually Evoked Potential,SSVEP)智能家居服务***，属于智能家居领域。该***包括刺激器、数据采集器和受控器，刺激器与受控器分别与数据采集器相连，刺激器由LCD屏幕上四个以不同频率闪烁的黑白方块组成，数据采集器使用电极帽配合单片机，通过MATLAB的串口通信接受单片机信号实现采集数据的分析，采用典型相关分析算法提取SSVEP响应频率的各项性能指标，受控器接收MATLAB对采集脑电波数据进行分析形成的不同指令，通过串口通信将指令发送至采用CC2530芯片的ZIGBEE单片机实现对受控端的实时控制。该***可广泛应用于智能家居领域，具有较好的便携性，可为行动不便的残障人士生活提供便捷。

Description

一种基于改进CCA的SSVEP智能家居服务***
技术领域
本发明属于涉及智能家居技术领域，更具体地说，涉及一种基于改进CCA的SSVEP智能家居服务***。
背景技术
脑-机接口为大脑与外界环境之间的信息交流提供了一条非常规通路。它可以不依赖于外周神经肌肉***来实现直接的思维表达或指令操作，在单向脑机接口的情况下，计算机或者接受脑传来的命令。目前所普遍采用的基于头皮脑电方式的脑机接口(BrainComputer Interface，BCI)***有较高的可靠性，因而受到了广泛的研究和应用。
视觉稳态诱发电位(Steady-State Visual Evoked Potentials，SSVEP)是指当大脑收到视觉刺激所产生的电位反应，可以用谱分析的方法进行特征提取。其具有一定的稳定性和持续性，被广泛的应用于脑机接口实验研究。
现在关于稳态视觉诱发电位与脑机接口***在智能轮椅(如公开号为103263324B的专利)，光标控制(如公开号为103150023A的专利)的应用中得到了深度研究。目前，智能家居已经成为家庭家居现代化发展的趋势，但尚未有可靠性较高且便于携带的脑机接口***应用于此领域。
去年已申请的相关专利：一种基于稳态视觉诱发电位的手机音乐播放***(专利申请号：201610142136)，实现了通过脑机***对音乐播放器的无线控制。该音乐播放***只能实现对一台设备的控制无法完成对多终端进行控制，但该***在算法方面没有对空闲状态的识别，使用会有一定的不便，而且该***硬件***比较庞大复杂，***的实用性受到限制。
以上方案所采用的脑机接口***比较复杂庞大，均缺乏较好的便携性。传统电极帽大多采用64或128导的形式，然而实际应用中只需要采用九个电极即可完成实验，资源严重浪费，缺乏较强的实用性，且成本都比较高昂，不利于脑机接口***的广泛应用；且在传统所使用的典型相关分析算法中，未涉及到空闲位的识别，若操作者进行无关操作时，***无法正确的识别相关指令。
发明内容
针对现有技术中存在的成本较高、不易便携等问题，本发明提供了一种基于改进CCA的SSVEP智能家居服务***，它可以广泛应用于智能家居领域，具有较好的便携性，为行动不便的残障人士生活提供便捷。
基于改进CCA的SSVEP智能家居服务***目的通过以下技术方案实现。
基于改进CCA的SSVEP智能家居服务***，其特征在于，该***包括刺激器、数据采集器和受控器，刺激器与受控器分别与数据采集器相连，刺激器由LCD屏幕上四个以不同频率闪烁的黑白方块组成，数据采集器使用电极帽配合单片机，并通过MATLAB的串口通信接受单片机信号实现采集数据的分析，采用典型相关分析算法提取SSVEP响应频率的各项性能指标，受控器接收MATLAB对采集脑电波数据进行分析形成的不同指令，通过串口通信将指令发送至采用CC2530芯片的ZIGBEE单片机实现对受控端的实时控制。
所述数据采集器采用基于ADS1299的可穿戴式脑电信号采集***，采用ADS1299内部集成的可编程放大器实现对微小信号的放大。
所述优化典型相关分析算法，通过增加空闲位指令、结合聚类的方法实现对空闲指令的识别。
所述LCD屏幕上四个以不同频率闪烁的黑白方块，分别表示“小灯开”、“小灯关”、“窗帘开”和“窗帘关”，在智能家居服务***中，使用者注视“小灯开”即小灯亮，注视“小灯关”即小灯灭，注视“窗帘开”则将发送指令打开窗帘，注视“窗帘关”则将发送指令关闭窗帘，若使用者注视非屏幕区域则为空闲位，不发出改变指令。
所述四个以不同频率闪烁的白色方块对应的频率分别为8Hz、9Hz、11Hz、12Hz。
所述受控器通过三个ZIGBEE单片机实现无线通信，采用受控器A完成接收电脑的USB串口指令与发送无线指令给受控器B和受控器C，受控器B接受受控器A的指令并实现开灯与关灯的功能，受控器C接受受控器A的指令并实现开窗帘与关窗帘的功能。
所述受控器采用CC2530芯片。
判断使用者注视的是哪一个方块，依次对采集的数据进行去基线漂移、巴特沃斯滤波、CCA分析、简单非线性分类，巴特沃斯滤波用来滤去7Hz以下和30Hz以上的波，因为不同的方块代表不同的指令，求出使用者前一个周期内注视的白色方块的闪烁频率，从而分析出使用者希望进行的操作。
相比于现有技术，本发明的优点在于：
(1)本发明***采用改进的CCA算法，通过聚类分析的方法添加空闲位指令，使得算法在保证高效性和准确性的同时更具有更好的可靠性；
(2)本发明***采用便携的脑电采集***，数据采集器采用基于ADS1299的可穿戴式脑电信号采集***，通过ADS1299内部集成的可编程放大器实现对微小信号的放大，并且具有较好的便携性和抗干扰能力；
(3)本发明***操作简单，所包含本部件少，易于携带，增加了其实用性。
附图说明
图1为本发明基于视觉稳态诱发电位的智能家居服务***的整体结构示意图；
图2为LCD刺激器显示图；
图3为受控器ZIGBEE单片机；
图4为经去基线漂移、巴特沃斯滤波后的处理结果；
图5为12Hz数据经过CCA分析结果；
图6为11Hz数据经过CCA分析结果。
图中标号说明：
1.受控器A；2.受控器B；3.受控器C。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体的实施例，对本发明作详细描述。
本发明将不需要使用者进行任何肢体操作即可完成相应的指令操作。如图1所示，基于视觉稳态诱发电位的智能家居服务***的整体结构示意图可分为三个模块：刺激器、数据采集器、受控器。
刺激器将采用液晶显示器(Liquid Crystal Display，LCD)进行显示，如图2所示，显示器上有四个不同闪烁频率的黑白方块，每个方块分别对应着不同的指令。
如图3所示受控器采用ZIGBEE单片机CC2530实现。通过串口通信的无线点对点传输实现无线通信。当使用者注视“小灯开”即小灯亮，注视“小灯关”即小灯灭，注视“窗帘开”则将发送指令打开窗帘，注视“窗帘关”则将发送指令关闭窗帘，若使用者注视非屏幕区域则为空闲位，则不发出改变指令。受控器通过三个ZIGBEE单片机实现无线通信，采用受控器A完成接收电脑的USB串口指令与发送无线指令给受控器B和受控器C，受控器B接受受控器A的指令并实现开灯与关灯的功能，受控器C接受受控器A的指令并实现开窗帘与关窗帘的功能。
使用者将头戴电极帽观察刺激器屏幕，电极帽所连接的数据采集器采用基于ADS1299的可穿戴式脑电信号采集***。采用ADS1299内部集成的可编程放大器实现对微小信号的放大，并且具有较好的便携性和抗干扰能力。配套与MATLAB相连进行相关的数据采集分析操作。相关的数据处理依次为：去基线漂移、巴特沃斯滤波、CCA分析、简单非线性分类。
其中由于实验中干扰噪声的存在，有的EEG信号会包含较多低频段噪声，此时就需要对该信号进行去除基线漂移处理。去基线漂移可以在减少噪声的同时保留信号的特征形状。巴特沃斯滤波用来滤去7Hz以下和30Hz以上的波。巴特沃斯滤波器的特点是通频带的频率响应曲线最平滑且随频率增大而单调递减的特性，可以用于过滤干扰成分和重叠成分，使得信号更加稳定和直观。经去基线漂移、巴特沃斯滤波后的处理结果如图4所示。
CCA分析是研究两组变量间互相关系的统计分析方法。通过寻找两组变量各自的线性组合，然后利用线性组合这两个变量之间的相关关系来反映原来两组变量的关系。当CCA应用于提取SSVEP响应频率时，两组多变量分别定义为X、Y，其中X是EEG的多通道信号。通常的参考信号Y为：
信号X和参考信号Y寻找一对向量WX和WY，来最大化相关变量x＝XTWX和y＝YTWY之间的相关性。其中最大ρ的频率即是SSVEP的响应频率，计算方法如下式所示：
如图5所示显示的是在使用者注视12Hz方块后经过CCA分析后得到的结果，其对应的指令为窗帘关。如图6所示显示的是在使用者注视11Hz方块后经过CCA分析后得到的结果，其对应的指令为窗帘开。在依次对采集的数据进行去基线漂移、巴特沃斯滤波、CCA分析、简单非线性分类后***将分析出使用者前一个周期内注视的白色方块的闪烁频率，从而分析出使用者希望进行的操作发送给受控器。
传统算法识别速度通常在8秒以上，本发明***采用识别速度快、准确度高、可靠性强的典型相关分析算法实现5秒即可完成对使用者目标指令的分析识别，并且无需肢体操作即可完成对家电的控制，因此可以大幅提高残障人士的生活质量，便携实用易于推广。
以上示意性地对本发明创造及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明创造的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本专利的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于改进CCA的SSVEP智能家居服务***，其特征在于，该***包括刺激器、数据采集器和受控器，刺激器与受控器分别与数据采集器相连，刺激器由LCD屏幕上四个以不同频率闪烁的黑白方块组成，每一个方块代表一种家居控制指令，数据采集器使用电极帽配合单片机，通过MATLAB的串口通信接受单片机信号实现采集数据的分析，采用典型相关分析算法提取SSVEP响应频率的各项性能指标，形成不同指令传给受控器，受控器通过串口通信将指令发送至ZIGBEE单片机实现对受控端的实时控制。
2.根据权利要求1所述的一种基于改进CCA的SSVEP智能家居服务***，其特征在于，所述数据采集器采用基于ADS1299的可穿戴式脑电信号采集***。
3.根据权利要求1所述的一种基于改进CCA的SSVEP智能家居服务***，其特征在于，所述典型相关分析算法通过增加空闲位指令、结合聚类的方法实现对空闲指令的识别。
4.根据权利要求1所述的一种基于改进CCA的SSVEP智能家居服务***，其特征在于，所述LCD屏幕上四个以不同频率闪烁的黑白方块，分别表示“小灯开”、“小灯关”、“窗帘开”和“窗帘关”。
5.根据权利要求4所述的一种基于改进CCA的SSVEP智能家居服务***，其特征在于，所述四个以不同频率闪烁的黑白色方块对应的频率分别为8Hz、9Hz、11Hz、12Hz。
6.根据权利要求1所述的一种基于改进CCA的SSVEP智能家居服务***，其特征在于，所述受控器通过三个ZIGBEE单片机实现无线通信，采用受控器A完成接收电脑的USB串口指令与发送无线指令给受控器B和受控器C，受控器B接受受控器A的指令并实现开灯与关灯的功能，受控器C接受受控器A的指令并实现开窗帘与关窗帘的功能。
7.根据权利要求1所述的一种基于改进CCA的SSVEP智能家居服务***，其特征在于，所述受控器采用CC2530芯片。
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