| 综合介绍 |
对于弱势人群服务的人性化、信息化和智能化一直是智慧城市和智慧健康建设的重要内容。随着物联网技术的应用普及以及脑电技术的兴起，构建基于可穿戴设备和脑电控制器的行为识别与意念分析的智慧健康应用已成为未来研究的热点，其技术突破将为残疾人群智慧健康关怀的需求感知问题提供应用解决方案。本项目主要利用脑电波控制技术来实现肢体残障人士、行动不便的老人智能健康护理，旨在为老弱病残孕等弱势群体提供更加便捷的生活环境。我们开发一套基于脑电意念的弱势人群智慧健康关怀系统。本系统分为两部分，分别是智能家居和智能轮椅。智能家居主要方便弱势人群的日常生活，智能轮椅主要用于弱势人群的行走便捷。如下图分别是智能家居和智能轮椅的系统流程图：
图1为智能家居的系统流程图，主要通过受试者头戴Emotiv Insight脑电设备来采集到原始脑电数据集，利用USB Dongle进行PC端数据接收，然后进行预处理和特征提取。特征提取后可以根据算法计算出专注度和检测出眨眼，再结合陀螺仪的数据，可以发送控制指令给STM32单片机，从而实现智能家居系统的控制。图2为智能家居的系统流程图，本系统使用SSVEP方案，实现脑电意念对电动轮椅的控制。对于电动轮椅，采用快速傅里叶变换(FFT)和小波分析(WA)结合主成分分析法(PCA)处理和分析稳态视觉诱发电位，产生脑电信号的频谱特性，根据该频谱特性的不同对信号进行分类，并将其转换为相应的控制命令来控制电动轮椅，实现前后左右四个前进方向的控制。
图3是智能家居软件系统图，通过佩戴脑电设备可以轻松地控制鼠标的移动，进而控制各种家居设备；图4是智能家居对应的实物图；图5是受试者通过佩戴我们购买的另一款脑电设备Emotiv Epoc+来控制轮椅的前后左右移动，方便弱势人群移动行走。
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| 创新要点 |
1） 应用创新
目前，国外的脑电波产品性能较好但价格高昂，且大多应用在游戏、教育等领域，在医疗领域的实际应用并不多见，国内的民用产品控制方式较为单一，较少应用人工智能和深度学习的训练方法，脑电设备的实际性能较差，因此迫切需要研发高性能且具有自主知识产权的技术和产品。基于以上所述，将脑电波技术专门应用于残疾人群健康关怀的产品并不多见，技术和市场均有待成熟和完善，仍然存在大规模的研发空间，本项目能够切实帮助那些手脚有残疾、身体瘫痪、患有渐冻症等残障人群，具有实际的意义和较高的商业价值。
2） 技术创新
当前市面上绝大多数轮椅均采用手动或者摇杆系统控制的方式，控制方式较为单一，对于那些手脚有残疾、身体瘫痪、患有渐冻症等残障人群，根本无法使用传统轮椅实现身体的移动。本项目产品创新之处在于脑电波技术应用到医疗系统上，创造性地将脑电波技术与普通轮椅结合起来，实现能够使用脑电来控制的新型智能轮椅系统，弥补了当前可穿戴脑电技术在医疗系统应用上的空白，较大地提高了脑电技术的实用性，能够切实帮助手脚残疾、身体瘫痪、患有渐冻症等残疾人群。
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| 技术指标 |
1）STM32技术指标
STM32F401RET6微控制器，基于ARM Cortex-M4处理器，，最高支持84MHz主频微控制，支持对外部微控制器调试。3个LED：一个USB通讯LED、一个电源LED、一个用户LED；两个机械按键：复位、用户。USB接口的3个不同功能：虚拟串口、容量存储、调试接口3种不同供电方式：mini USB接口供电、IO引脚用电、通过Arduino UNO R3 Shield接口供电。通过一系列的串口实现各种硬件设备的控制。支持Keil、IAR、embed在线IDE的设计工具。
2）蓝牙模块技术指标
本系统中无线通讯采用蓝牙4.0技术，蓝牙4.0为蓝牙3.0的升级标准。它支持两种部署方式：双模式和单模式。双模式中，低功耗蓝牙功能集成在现有的经典蓝牙控制器中，或再在现有经典蓝牙技术芯片上增加低功耗堆栈，整体架构基本不变，因此成本增加有限。单模式面向高度集成、紧凑的设备，使用一个轻量级连接层(Link Layer)提供超低功耗的待机模式操作、简单设备恢复和可靠的点对多点数据传输，还能让联网传感器在蓝牙传输中安排好低功耗蓝牙流量的次序，同时还有高级节能和安全加密连接。
脑电设备采集到原始脑电数据后采用无线蓝牙技术将数据传输至蓝牙接收器上，PC端进行数据处理后，将处理结果转换为嵌入式控制指令，通过无线蓝牙的方式将控制指令发送至控制设备上。
主从一体：主机模式下可以跟手机蓝牙，笔记本蓝牙和蓝牙从机模块相连；从机模式下可以跟手机蓝牙和笔记本蓝牙相连。从机：作为从机使用，可以跟跟手机蓝牙，笔记本蓝牙和蓝牙主机模块相连；适合于单片机UART/SCI口控制。不可直接接RS232口。
默认通信速率：9600
供电：DC3.3-5.5V
传输距离：视距10米左右。
3）16路舵机控制技术指标
16路不带开关舵机控制板，体积小巧，适合外接开关。黄色为常用0-7路不带过载保护舵机接口、红色8-15路为带过载保护的舵机接口、绿色为外接单片机/蓝牙/串口接口。 D1为舵机供电灯、D2为主板供电/通讯灯。
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| 其他说明 |
图6是智能家居使用的脑电设备Emotiv Insight，它搭载了5个脑电波传感器，即具有五个电极通道，分别为AF3、T7、Pz、T8、AF4。通过分析人体的脑电波活动和表情，向电脑传输指令代码，可支持Windows系统、Mac OS X、Linux、iOS和Android 4.0以上版本。图7是智能轮椅使用的脑电设备Emotiv Epoc+，最重要的部分是十六个感测器，其中有两个感测器作为参考电极，另外14个电极即为脑电波数据的14个原始通道，另外EPOC+的佩戴要调整位置才能达到最佳效果，而且使用时头部晃动幅度不宜过大。
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