一种基于脑波控制的智能led变色灯及其智能控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于脑波控制的智能LED变色灯及其智能控制方法，该智能LED变色灯包括脑电耳机控制单元、LDE变光单元和用于给所述脑电耳机控制单元和LDE变光单元提供电源的电源单元，所述脑电耳机控制单元包括Mindwave脑电耳机、脑波传感器模块、数据处理器模块、无线数据传输模块，所述LDE变光单元包括包含有控制芯片的信号传输处理模块、LED驱动模块、LED变光灯。本发明基于Mindwave脑电耳机的数据处理算法，提取集中度和冥思度作为灯的控制参量，采用无线通信方式进行脑电信号的采集与LED变色灯的智能控制。本发明增加了家居的智能性，可以有效的配合医学康复治疗，提高集中度与冥思度。
【专利说明】一种基于脑波控制的智能LED变色灯及其智能控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于脑波控制的智能LED变色灯及其智能控制方法，主要用于多动症、抽动症等疾病的辅助康复治疗与智能家居应用领域。
【背景技术】
[0002]生物存在电现象，对大脑来说，脑细胞就是大脑内一个个“微小的发电站”。神经电活动，其频率变动范围在每秒I 一 30次之间,可划分为四个波段，即δ (I — 3Ηζ)、Θ (4 —7Hz)、α (8 — 13Ηζ)、β (14 — 30Hz)，而人的活动差异可以在这四种脑波信号上反应出来。脑电技术的发展使脑电信号可以应用在多种领域，例如生物检测、医学康复、意念游戏、智能家居等。
[0003]基于脑波设计的变色LED灯，可以在医学领域辅助治疗小儿多动、情绪失能等多种意念控制类病例，也可以增加智能家居中的人机交互性。人们可以运用脑波放松与专注的情境，控制灯光的柔和变化和灯的亮灭。现有技术中的LED灯不能随脑波信号的变化而变化。
【发明内容】
[0004]针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种根据提取出来的不同脑电集中度和冥思度信号控制LED灯颜色变化的智能LED变色灯及其智能控制方法。
[0005]本发明的技术方案是:
一种基于脑波控制的智能LED变色灯，包括脑电耳机控制单元、LDE变光单元和用于给所述脑电耳机控制单元和LDE变光单元提供电源的电源单元，所述脑电耳机控制单元包括Mindwave脑电耳机、脑波传感器模块、数据处理器模块、无线数据传输模块，所述LDE变光单元包括包含有控制芯片的信号传输处理模块、LED驱动模块、LED变光灯。
[0006]所述Mindwave脑电耳机用于接收脑电信号并将接收的脑电信号通过脑波传感器模块传输给数据处理器模块，所述数据处理器模块用于对脑波传感器模块的输入信号进行干扰滤波以及脑电信号特征的提取，所述无线数据传输模块接收经数据处理器模块处理后的脑电信号并将该信号传输给LDE变光单元中的信号传输处理模块。
[0007]所述信号传输处理模块，用于接收脑电耳机控制单元传输来的脑电信号，提取集中度和冥思度作为灯的控制参量，将处理好的数据发送给LED驱动模块，基于信号强弱的不同，LED驱动模块驱动所述LED变光灯发出不同颜色的光并进行明暗切换。
[0008]所述无线数据传输模块为蓝牙数据传输模块，所述蓝牙数据传输模块有两种工作模式，即数据传输模式和远程控制模式；数据传输模式下:LED驱动模块与控制芯片串口连接，控制LED变光灯的颜色以及明暗变化；远程控制模式下:LED驱动模块不与控制芯片串口连接，直接通过芯片自带的I/O 口与LED变光灯相连接，简单控制LED变光灯的颜色变化但不控制其亮度。
[0009]—种基于脑波控制的智能LED变色灯的智能控制方法,该方法基于Mindwave脑电耳机的数据处理算法，提取集中度和冥思度作为灯的控制参量，采用无线通信方式进行脑电信号的采集与LED变色灯的智能控制，具体包括如下步骤:
(I)由Mindwave脑电耳机接收脑电信号并将接收的脑电信号通过脑波传感器模块传输给数据处理器模块；数据处理器模块对脑波传感器模块的输入信号进行干扰滤波以及脑电信号特征的提取，无线数据传输模块接收经数据处理器模块处理后的脑电信号并将该信号传输给LDE变光单兀中的信号传输处理模块。
[0010](2)信号传输处理模块接收脑电耳机控制单兀传输来的脑电信号,通过信号处理优化算法从提取出所需的控制参数并转换为实际控制信号，提取集中度和冥思度作为灯的控制参量，将处理好的数据发送给LED驱动模块，基于信号强弱的不同，LED驱动模块驱动LED变光灯发出不同颜色的光并进行明暗切换。
[0011]本发明的有益效果是:
1、增加家居的智能性，将脑电科技与传统家居融合起来，让灯光随着注意力与心情的改变而发生变化；
2、可以有效的配合进行小儿多动症，情绪失能、老人智力恢复等方面的医学康复治
疗；
3、开发人类的潜在智力，提高集中度与冥思度。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1是本发明一种基于脑波控制的智能LED变色灯的系统框图。
【具体实施方式】
[0013]下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
[0014]如图1所示，本发明一种基于脑波控制的智能LED变色灯包括脑电耳机控制单元、LDE变光单元和用于给脑电耳机控制单元和LDE变光单元提供电源的电源单元，脑电耳机控制单元包括Mindwave脑电耳机、脑波传感器模块、数据处理器模块、无线数据传输模块，LDE变光单元包括包含有控制芯片的信号传输处理模块、LED驱动模块、LED变光灯。
[0015]Mindwave脑电耳机，用于接收脑电信号并将接收的脑电信号通过脑波传感器模块传输给数据处理器模块，数据处理器模块用于对脑波传感器模块的输入信号进行干扰滤波以及脑电信号特征的提取，无线数据传输模块接收经数据处理器模块处理后的脑电信号并将该信号传输给LDE变光单兀中的信号传输处理模块。
[0016]信号传输处理模块，用于接收脑电耳机控制单兀传输来的脑电信号，提取集中度和冥思度作为灯的控制参量，将处理好的数据发送给LED驱动模块，基于信号强弱的不同，LED驱动模块驱动LED变光灯发出不同颜色的光并进行明暗切换。
[0017]无线数据传输模块为蓝牙数据传输模块，蓝牙数据传输模块有两种工作模式，即数据传输模式和远程控制模式；数据传输模式下=LED驱动模块与控制芯片串口连接，控制LED变光灯的颜色以及明暗变化；远程控制模式下:LED驱动模块不与控制芯片串口连接，直接通过芯片自带的I/O 口与LED变光灯相连接，简单控制LED变光灯的颜色变化但不控制其亮度。
[0018]本发明一种基于脑波控制的智能LED变色灯的智能控制方法,基于Mindwave脑电耳机的数据处理算法，提取集中度和冥思度作为灯的控制参量，采用无线通信方式进行脑电信号的采集与LED变色灯的智能控制，具体包括如下步骤:
(I)由Mindwave脑电耳机接收脑电信号并将接收的脑电信号通过脑波传感器模块传输给数据处理器模块；数据处理器模块对脑波传感器模块的输入信号进行干扰滤波以及脑电信号特征的提取，无线数据传输模块接收经数据处理器模块处理后的脑电信号并将该信号传输给LDE变光单兀中的信号传输处理模块。
[0019](2)信号传输处理模块接收脑电耳机控制单兀传输来的脑电信号,通过信号处理优化算法从提取出所需的控制参数并转换为实际控制信号，提取集中度和冥思度作为灯的控制参量，将处理好的数据发送给LED驱动模块，基于信号强弱的不同，LED驱动模块驱动LED变光灯发出不同颜色的光并进行明暗切换。
[0020]本发明一种基于脑波控制的智能LED变色灯的智能控制方法的具体过程如下: Mindwave脑电耳机每一秒钟发出512个小数据包和I个大数据包，所有数据通过
蓝牙无线传输进入到Iabview所设置的虚拟串口中，对于进入到串口中的数据包，通过程序对整个数据包进行有效数据的提取，最终目的是提取集中度(Attention)和冥思度(Meditation)这两个有效特征信号。
[0021]上述集中度和冥思度的提取过程为:首先在513个数据包中找到唯一的大数据包。凡是大数据包,其数据格式均如下-M AA 20 02 C8 83 18 00 31 6C 00 BF 2E 00 5F58 00 73 8F 00 21 FC 00 32 CF 00 ID 92 00 18 IE 04 00 05 00 4B。总共有 36 个字节组成，依次找到04和05这两个数，04后面是需要的集中度，05后面则是需要的冥思度。找到所有20，这里的20使用了十六进制，其实是0x20，换算成十进制也就是32.根据标准大数据包格式-M AA 20 02 C8 83 18 00 31 6C 00 BF 2E 00 5F 58 00 73 8F 00 21 FC
0032 CF 00 ID 92 00 18 IE 04 00 05 00 4B。这里第三位的20作为判断大数据包的标志，其他的小数据包中也可能会有20，因此接下来还要进行严格地筛选。将所有符合条件也就是数值为0x20的绝对地址进行一个处理:将他们都往后移动29位来开始筛选。标准大数据包中:M AA 20 02 C8 83 18 00 31 6C 00 BF 2E 00 5F 58 00 73 8F 00 21 FC 00 32CF 00 ID 92 00 18 IE 04 00 05 00 4B。可以看到，0x20往后移动29位就是0x04，代表这他后面一位是集中度。到所有0x20后移29位的数，接下来要判断这些数是否为0x04，把是0x04的地址给取出来，这个取出来的地址是相对地址，而不是所有数据中的绝对地址。这个数组中只要有值为0x04的都把他们的地址拿出来。现在得到了符合条件的0x04的相对地址，并且在我们的设置下，每一秒钟只有这么一个。通过这个相对地址可以找到这个符合条件0x04在每一秒的串口输入数组中的绝对地址。最后，在这个绝对地址基础上加30就是需要的集中度，加32就是需要的冥思度了。
[0022]在得到所需的集中度和冥思度后，下一步是对所取值的处理。以集中度的处理范式为例，数值进入到处理子程序中，由于集中度值在O到100之间，在经过多次试验之后配合自身要求给集中度进行控制区间划分，并且对应相应的蓝牙AT指令，在蓝牙指令输出的同时使用变光控件。
[0023]无线数据传输模块采用一款多功能的蓝牙芯片，该芯片带有两种工作模式:数据传输模式和远程控制模式。在本发明中将充分利用这两种模式。数据传输模式:与控制芯片串口连接，控制LED变光灯的颜色以及明暗变化；远程控制模式:不与控制芯片连接，直接通过芯片自带的I/o 口与LED灯相连接，可以实现简单控制LED变光灯的颜色变化但不能控制其亮度。远程控制模式作为数据传输模的后备和延伸:即使在数据传输模失效情况下，远程控制模式仍可以保证系统大部分功能的实现；另一方面由于预留了许多控制I/O口，也可以使用它的远控功能去控制更多附加模块，为后续扩充功能提供了升级空间。
[0024]在通过蓝牙通信模块得到控制信号之后，控制芯片通过自身的TXD、RXD与主控制芯片的RXD、TXD信号线相连进行通信。控制芯片的串口在接收到上传的数据之后，对发出的蓝牙AT指令进行有效识别，进而对单片机I/O 口完成相应的PWM信号输出操作。
[0025]本发明使用低功耗单片机作为主控处理器，基于Mindwave脑电耳机的数据处理算法，提取集中度和冥思度作为灯的控制参量，采用蓝牙的短距离无线通信方式来进行脑电信号的采集与LED的智能控制。单片机的I/O 口驱动能力非常有限，尤其是上拉电流，因此为了有效驱动LED必须增设一个驱动放大电路。本电路采用NPN型三极管，发射极接地，集电极端放置了 LED灯以及限流大功率电阻。当NPN型三极管基极的电压大于导通电压时，此时三极管呈导通状态，灯亮；当三极管基极电压小于导通电压时，则三极管呈截止状态，灯熄灭。
[0026]对于电路的电源供给问题，本发明中的电源单元使用了节能的锂电池作为动力源，符合本发明节能和小型化的特点。同时对于锂电池的充电方式采用了轻便的USB接口方案，电源管理芯片为美信公司的MAX1811，MAX1811无须微处理器控制，同时对电池充电电流也可通过逻辑控制电路置为IOOmA或500mA，符合USB的电流标准。芯片自带的充电状态指示功能可通过加入一个状态指示灯来判断当前的电池用电状态。充电过程中，当未达到最高充电电压时，MAX1811对锂电池进行恒流充电；达到最高充电电压时，则对其进行恒压充电，增强了锂电池的过压保护。
[0027]本发明使用低功耗单片机作为主控处理器，基于Mindwave脑电耳机的数据处理算法，提取集中度和冥思度作为灯的控制参量，采用蓝牙的短距离无线通信方式来进行脑电信号的采集与LED的智能控制。
[0028]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种基于脑波控制的智能LED变色灯，其特征在于:包括脑电耳机控制单元、LDE变光单元和用于给所述脑电耳机控制单元和LDE变光单元提供电源的电源单元，所述脑电耳机控制单元包括Mindwave脑电耳机、脑波传感器模块、数据处理器模块、无线数据传输模块，所述LDE变光单元包括包含有控制芯片的信号传输处理模块、LED驱动模块、LED变光灯。
2.根据权利要求1所述的一种基于脑波控制的智能LED变色灯，其特征在于:所述Mindwave脑电耳机用于接收脑电信号并将接收的脑电信号通过脑波传感器模块传输给数据处理器模块，所述数据处理器模块用于对脑波传感器模块的输入信号进行干扰滤波以及脑电信号特征的提取，所述无线数据传输模块接收经数据处理器模块处理后的脑电信号并将该信号传输给LDE变光单兀中的信号传输处理模块。
3.根据权利要求1所述的一种基于脑波控制的智能LED变色灯，其特征在于:所述信号传输处理模块，用于接收脑电耳机控制单元传输来的脑电信号，提取集中度和冥思度作为灯的控制参量，将处理好的数据发送给LED驱动模块，基于信号强弱的不同，LED驱动模块驱动所述LED变光灯发出不同颜色的光并进行明暗切换。
4.根据权利要求1所述的一种基于脑波控制的智能LED变色灯，其特征在于:所述无线数据传输模块为蓝牙数据传输模块，所述蓝牙数据传输模块有两种工作模式，即数据传输模式和远程控制模式；数据传输模式下:LED驱动模块与控制芯片串口连接，控制LED变光灯的颜色以及明暗变化；远程控制模式下:LED驱动模块不与控制芯片串口连接，直接通过芯片自带的I/O 口与LED变光灯相连接，简单控制LED变光灯的颜色变化但不控制其亮度。
5.—种基于脑波控制的智能LED变色灯的智能控制方法,其特征在于:基于Mindwave脑电耳机的数据处理算法，提取集中度和冥思度作为灯的控制参量，采用无线通信方式进行脑电信号的采集与LED变色灯的智能控制，具体包括如下步骤: (1)由Mindwave脑电耳机接收脑电信号并将接收的脑电信号通过脑波传感器模块传输给数据处理器模块；数据处理器模块对脑波传感器模块的输入信号进行干扰滤波以及脑电信号特征的提取，无线数据传输模块接收经数据处理器模块处理后的脑电信号并将该信号传输给LDE变光单兀中的信号传输处理模块； (2)信号传输处理模块接收脑电耳机控制单元传输来的脑电信号，通过信号处理优化算法从提取出所需的控制参数并转换为实际控制信号，提取集中度和冥思度作为灯的控制参量，将处理好的数据发送给LED驱动模块，基于信号强弱的不同，LED驱动模块驱动LED变光灯发出不同颜色的光并进行明暗切换。
6.根据权利要求5所述的一种基于脑波控制的智能LED变色灯的智能控制方法，其特征在于:所述无线数据传输模块为蓝牙数据传输模块，所述蓝牙数据传输模块有两种工作模式，即数据传输模式和远程控制模式；数据传输模式下:LED驱动模块与控制芯片串口连接，控制LED变光灯的颜色以及明暗变化；远程控制模式下:LED驱动模块不与控制芯片串口连接，直接通过芯片自带的I/O 口与LED变光灯相连接，简单控制LED变光灯的颜色变化但不控制其亮度。
【文档编号】A61B5/16GK103428965SQ201310289586
【公开日】2013年12月4日 申请日期:2013年7月11日 优先权日:2013年7月11日
【发明者】邹凌, 何可人, 王远腾, 马正华 申请人:常州大学