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摘 要：大脑健康一直是被人们忽略的重要问题，如何通过趣味十足的方式来提高注意力，放松能力，记忆力及大脑的敏锐度，以改善人们获取知识时的大脑状态，是许多科学家研究的热门方向。文中设计了一款八通道头戴仪，可准确监测头部脑电波变化，更加精确地控制意念四驱车。
关键词：意念四驱车；脑电波；信号处理
1 作品简介
大脑健康一直是被人们忽略的重要问题，如何通过趣味十足的方式来提高注意力，放松能力，记忆力及大脑的敏锐度，以改善人们获取知识时的大脑状态，是许多科学家研究的热门方向。基于现代脑机接口技术（BCI）的快速发展，人们有了更多的方式来和大脑实现“对话”。
本团队从青少年喜爱的四驱车切入，使用脑电模块TGAM检测出数值，使用干電极读取人的大脑信号，经过算法分析处理之后变为数字信号，实现了利用脑电波控制四驱车的功能，青少年可以通过集中注意力或者放松自己来控制四驱车的速度，继而方便青少年在娱乐的同时锻炼自身注意力及对自身情绪的控制能力。现在市场上的头戴仪大多是单通道或三通道，本团队自主开发出了八通道头戴仪，更加精确地监测头部脑电波的变化，使得对四驱车的控制更加灵敏。四驱车模型如图1所示。
2 工作原理
运用脑电模块TGAM检测出数值，使用干电极读取人的大脑信号，可以过滤掉周围的噪音和电器的干扰，并将检测到的大脑信号转成数字信号。我们通过分析数字信号，将其转化为手机可视的数据，主要分析的数据有注意力和放松力。之后通过将蓝牙解析出的数据传给智能小车，通过编程解析转换数据，使其可以控制小车运动，工作原理如图2所示。
实现意念四驱车主要功能的模块：脑电检测模块使用干电极收集大脑所发出的脑电波信号，通过算法过滤掉周围环境中对于信号的干扰并转换成可以实现控制的数字信号；蓝牙HC-05模块将脑电检测模块处理之后的数字信号传输到四驱车电路板上；51单片机将处理所得的数字信号变成实际的机械控制；机械传动模块实现传输信号的具体控制。意念四驱车内部电路及参数指标如图3所示。
2.1 TGAM模块基本信息
TGAM是世界上最受欢迎的脑电解决方案。它使用干电极读取人的大脑信号，可以过滤掉周围的噪音和电器的干扰，并将检测到的大脑信号转成数字信号。目前脑电技术已经广泛应用在游戏、健康、教育、玩具及研究中。
TGAM模块内含TGAT芯片，该芯片是一个高度集成的单一芯片脑电传感器，可以输出三个Neurosky的eSense参数，可以进行模数转换，检测接触不良的异常状态，过滤掉眼电噪音及50/60 Hz交流电干扰。TGAM的价格适中，已大量应用于玩具、移动设备、教育产品等。TGAM模块连接示意如图4所示。
2.2 TGAM模块产品规格
（1）能直接连接干接触点，不像传统医学用的湿传感器使用时需要上导电胶；
（2）单EEG脑电通道有3个接触点：EEG（脑电采集点）、REF（参考点）、GND（地线点）；
（3）上电后若接触点连续4 s没有采集到脑电或连续7 s收到差的脑电信号，本智慧模块会通过“信号质量强度”模块发出警告，提醒用户调整传感器；
（4）先进的噪音过滤技术，能阻挡日常生活中环境里的各种干扰；
（5）低能耗，是适合便携式消费产品的电池供电设备，
3.3 V供电下最大消耗为15 mA；
（6）原始脑电数据以512 Hz输出。
2.3 产品测量量
（1）原始脑波信号；
（2）处理和输出α，β等脑波波段数据；
（3）处理和输出Neurosky（神念科技）获得专利技术的eSense专注度和放松度指数及未来开发的其他数据；
（4）嵌入式的信号质量分析功能能警告接触不良或是完全没接触的异常状态；
（5）眨眼侦测。
2.4 产品物理参数规格
（1）规模尺寸（最大）2.79 cm×1.52 cm×0.25 cm；
（2）重量（最大）130 mg；
（3）采样率：512 Hz；
（4）频率范围：3～100 Hz；
（5）静电保护：4 kV接触放电，8 kV隔空放电；
（6）最大消耗功率：15 mA / 3.3 V；
（7）运行电压：2.97～3.63 V。
2.5 UART（串口）标准输出接口
（1）1 200，9 600，57 600波特率；
（2）8 bits；
（3）No parity；
（4）1 stop bit。
TGAM模块实物如图5所示。
2.6 蓝牙HC-05模块
HC-05是主从一体化的蓝牙串口模块，主从可指令切换，指令丰富齐全（供电电压为3.3～3.6 V）。
主机：用来搜索从设备，不能被其他设备搜索。
从机：用来被搜索的设备，不能主动搜索其他设备。
主从机连接后相当于使用一根串口线，此时不分主从，即透传模式：
（1）采用CSR主流蓝牙芯片，蓝牙V2.0协议标准。
（2）模块供电电压：3.3～3.6 V。
（3）默认参数：波特率为9 600、配对码为1234、工作模式为从机。
（4）核心模块尺寸为：27 mm×13 mm×2 mm。
（5）工作电流：不大于50 mA（以实测为准）。
（6）通讯距离：空旷条件下为10 m，正常使用环境约为8 m。
（7）用于GPS导航系统，水电煤气抄表系统，工业现场采控系统，可以与蓝牙笔记本电脑、电脑加蓝牙适配器、PDA等设备进行无缝连接。 （8）可以对STC单片机无线升级和下载程序。
3 创新点
随着物联网产业的兴起，智能可穿戴设备逐渐进入平常百姓家，深刻的改变着人们的生活。目前比较流行的智能可穿戴设备有智能手环、智能服饰、VR虚拟现实眼镜等，所涉及到的产业技术越来越多。脑机接口技术作为一种新兴的技术也在不断发展，特别是当脑电检测模块设计出来之后，实现了大脑对机械的控制。脑电科技必然会是一种极具潜力的发展方向，其市场规模如图6所示。
现在市场上的脑波产品大多为手机游戏应用，孩子们沉迷其中，不积极锻炼，容易造成近视，劲椎病等一系列经常使用电子产品的共病。意念四驱车给人们提供了一种新的智能娱乐方式，通过脑波实时控制真实的小车进行一系列运动，之后可以进行竞赛和老师教学等，帮助学生在学习中掌握积极的心态和集中注意力的技巧。提高他们的学习效率，克服学习困难。脑电系统对标公司参数比较如图7所示。
市场上大多头戴产品的干电极为单通道或者三通道，我们自主开发的干电极已经拓展成八通道，并且某些性能更加优异。
为了使脑电控制更多的东西，我们改进了四驱车的主板，把能显示大脑集中程度的一排小灯换成了可以外接的排针底座，再搭配其他物件实现多种控制，比如控制舞台灯光效果、无人机等所有需要依靠反应程度的量值来控制物品，使得产品可塑性得到增强，利用接口技术实现更加广泛的创造。
4 市场前景
4.1 市场介绍
据统计，有近60%的4～14岁中国儿童具有不同程度的心理健康疾病。综合国内7项大型的调查研究显示，其中注意力缺陷多动障碍（Attention Deficit Hyperactivity Disorder， ADHD）患病率为4.31～5.83%。粗略估计，我国约有
1 461万～1 979万的多动症患儿。多动症是儿童期最为常见的一种心理行为障碍，已引起了广大家长、老师、医务工作者及全社会的关注。
对于多动症的治疗方式一般分为两种，即药物治疗和脑电反馈（EEG Feedback）治疗。药物治疗多用于中度或重症患者，而且出于副作用的考虑一般不为家庭接受。而脑电反馈治疗相对较为普及，尤其在国外。但是目前脑电反馈疗程往往需要较长的时间，特定的地点和昂贵的医疗设备，不易于被大众家庭接受。医疗机构里的脑电反馈疗程往往是枯燥乏味的重复性训练，有违儿童的天性，因此常常受到儿童的抗拒。
通过监测人的大脑活动，可以了解大脑在人获取知识，取得重大成就等方面的潜力。一个积极、健康的学习状态离不开一个健康的大脑。
我们打算结合现在的脑波智能硬件，做一款不依赖手机的智能穿戴设备，使人们更好地感受生活，提高生活质量和大脑学习能力。让人们在娱乐中掌握进入专注状态的技巧，快速提高注意力。
在智能可穿戴设备高速发展的今天，连 CES 组委会都已经明确表示：可穿戴设备是下一代伟大科技消费的前沿技术。但就目前来看，现在智能设备功能有限，从产品定位来看，现在的很多智能产品都是手机的附属。
我们在智能可穿戴设备领域的意念车智能产品正在展开竞爭。我们相信，这个领域未来主要趋势是向着智能化，普及化的方向发展。
4.2 目标市场
我们的市场定位是发展面向学校、家庭、培训机构提供教具和DIY产品，意念车的比赛，个性定制和DIY的配套零件销售。在过去的几年中，这个市场刚起步，我们估计未来两年内市场中的竞争局面应持续发展。影响这种变革的主要力量来自人们对智能产品的接受度，儿童玩具的转型和经济实力的提升。
4.3 竞争分析
中国依托脑电波的智能车市场存在较大空缺，尤其是中低端市场基本处于空白阶段。跨国公司产品主要面向高端市场，价格昂贵，超出了国内消费者主体的购买能力；国内厂商技术尚未成熟，多处于研发阶段，并未形成产业化。公司拥有技术领先优势和低成本优势，产品性价比成为公司的核心竞争力之一。公司短时间内没有替代品的威胁，客户及供应商的议价能力较低
关键词：意念四驱车；脑电波；信号处理
1 作品简介
大脑健康一直是被人们忽略的重要问题，如何通过趣味十足的方式来提高注意力，放松能力，记忆力及大脑的敏锐度，以改善人们获取知识时的大脑状态，是许多科学家研究的热门方向。基于现代脑机接口技术（BCI）的快速发展，人们有了更多的方式来和大脑实现“对话”。
本团队从青少年喜爱的四驱车切入，使用脑电模块TGAM检测出数值，使用干電极读取人的大脑信号，经过算法分析处理之后变为数字信号，实现了利用脑电波控制四驱车的功能，青少年可以通过集中注意力或者放松自己来控制四驱车的速度，继而方便青少年在娱乐的同时锻炼自身注意力及对自身情绪的控制能力。现在市场上的头戴仪大多是单通道或三通道，本团队自主开发出了八通道头戴仪，更加精确地监测头部脑电波的变化，使得对四驱车的控制更加灵敏。四驱车模型如图1所示。
2 工作原理
运用脑电模块TGAM检测出数值，使用干电极读取人的大脑信号，可以过滤掉周围的噪音和电器的干扰，并将检测到的大脑信号转成数字信号。我们通过分析数字信号，将其转化为手机可视的数据，主要分析的数据有注意力和放松力。之后通过将蓝牙解析出的数据传给智能小车，通过编程解析转换数据，使其可以控制小车运动，工作原理如图2所示。
实现意念四驱车主要功能的模块：脑电检测模块使用干电极收集大脑所发出的脑电波信号，通过算法过滤掉周围环境中对于信号的干扰并转换成可以实现控制的数字信号；蓝牙HC-05模块将脑电检测模块处理之后的数字信号传输到四驱车电路板上；51单片机将处理所得的数字信号变成实际的机械控制；机械传动模块实现传输信号的具体控制。意念四驱车内部电路及参数指标如图3所示。
2.1 TGAM模块基本信息
TGAM是世界上最受欢迎的脑电解决方案。它使用干电极读取人的大脑信号，可以过滤掉周围的噪音和电器的干扰，并将检测到的大脑信号转成数字信号。目前脑电技术已经广泛应用在游戏、健康、教育、玩具及研究中。
TGAM模块内含TGAT芯片，该芯片是一个高度集成的单一芯片脑电传感器，可以输出三个Neurosky的eSense参数，可以进行模数转换，检测接触不良的异常状态，过滤掉眼电噪音及50/60 Hz交流电干扰。TGAM的价格适中，已大量应用于玩具、移动设备、教育产品等。TGAM模块连接示意如图4所示。
2.2 TGAM模块产品规格
（1）能直接连接干接触点，不像传统医学用的湿传感器使用时需要上导电胶；
（2）单EEG脑电通道有3个接触点：EEG（脑电采集点）、REF（参考点）、GND（地线点）；
（3）上电后若接触点连续4 s没有采集到脑电或连续7 s收到差的脑电信号，本智慧模块会通过“信号质量强度”模块发出警告，提醒用户调整传感器；
（4）先进的噪音过滤技术，能阻挡日常生活中环境里的各种干扰；
（5）低能耗，是适合便携式消费产品的电池供电设备，
3.3 V供电下最大消耗为15 mA；
（6）原始脑电数据以512 Hz输出。
2.3 产品测量量
（1）原始脑波信号；
（2）处理和输出α，β等脑波波段数据；
（3）处理和输出Neurosky（神念科技）获得专利技术的eSense专注度和放松度指数及未来开发的其他数据；
（4）嵌入式的信号质量分析功能能警告接触不良或是完全没接触的异常状态；
（5）眨眼侦测。
2.4 产品物理参数规格
（1）规模尺寸（最大）2.79 cm×1.52 cm×0.25 cm；
（2）重量（最大）130 mg；
（3）采样率：512 Hz；
（4）频率范围：3～100 Hz；
（5）静电保护：4 kV接触放电，8 kV隔空放电；
（6）最大消耗功率：15 mA / 3.3 V；
（7）运行电压：2.97～3.63 V。
2.5 UART（串口）标准输出接口
（1）1 200，9 600，57 600波特率；
（2）8 bits；
（3）No parity；
（4）1 stop bit。
TGAM模块实物如图5所示。
2.6 蓝牙HC-05模块
HC-05是主从一体化的蓝牙串口模块，主从可指令切换，指令丰富齐全（供电电压为3.3～3.6 V）。
主机：用来搜索从设备，不能被其他设备搜索。
从机：用来被搜索的设备，不能主动搜索其他设备。
主从机连接后相当于使用一根串口线，此时不分主从，即透传模式：
（1）采用CSR主流蓝牙芯片，蓝牙V2.0协议标准。
（2）模块供电电压：3.3～3.6 V。
（3）默认参数：波特率为9 600、配对码为1234、工作模式为从机。
（4）核心模块尺寸为：27 mm×13 mm×2 mm。
（5）工作电流：不大于50 mA（以实测为准）。
（6）通讯距离：空旷条件下为10 m，正常使用环境约为8 m。
（7）用于GPS导航系统，水电煤气抄表系统，工业现场采控系统，可以与蓝牙笔记本电脑、电脑加蓝牙适配器、PDA等设备进行无缝连接。 （8）可以对STC单片机无线升级和下载程序。
3 创新点
随着物联网产业的兴起，智能可穿戴设备逐渐进入平常百姓家，深刻的改变着人们的生活。目前比较流行的智能可穿戴设备有智能手环、智能服饰、VR虚拟现实眼镜等，所涉及到的产业技术越来越多。脑机接口技术作为一种新兴的技术也在不断发展，特别是当脑电检测模块设计出来之后，实现了大脑对机械的控制。脑电科技必然会是一种极具潜力的发展方向，其市场规模如图6所示。
现在市场上的脑波产品大多为手机游戏应用，孩子们沉迷其中，不积极锻炼，容易造成近视，劲椎病等一系列经常使用电子产品的共病。意念四驱车给人们提供了一种新的智能娱乐方式，通过脑波实时控制真实的小车进行一系列运动，之后可以进行竞赛和老师教学等，帮助学生在学习中掌握积极的心态和集中注意力的技巧。提高他们的学习效率，克服学习困难。脑电系统对标公司参数比较如图7所示。
市场上大多头戴产品的干电极为单通道或者三通道，我们自主开发的干电极已经拓展成八通道，并且某些性能更加优异。
为了使脑电控制更多的东西，我们改进了四驱车的主板，把能显示大脑集中程度的一排小灯换成了可以外接的排针底座，再搭配其他物件实现多种控制，比如控制舞台灯光效果、无人机等所有需要依靠反应程度的量值来控制物品，使得产品可塑性得到增强，利用接口技术实现更加广泛的创造。
4 市场前景
4.1 市场介绍
据统计，有近60%的4～14岁中国儿童具有不同程度的心理健康疾病。综合国内7项大型的调查研究显示，其中注意力缺陷多动障碍（Attention Deficit Hyperactivity Disorder， ADHD）患病率为4.31～5.83%。粗略估计，我国约有
1 461万～1 979万的多动症患儿。多动症是儿童期最为常见的一种心理行为障碍，已引起了广大家长、老师、医务工作者及全社会的关注。
对于多动症的治疗方式一般分为两种，即药物治疗和脑电反馈（EEG Feedback）治疗。药物治疗多用于中度或重症患者，而且出于副作用的考虑一般不为家庭接受。而脑电反馈治疗相对较为普及，尤其在国外。但是目前脑电反馈疗程往往需要较长的时间，特定的地点和昂贵的医疗设备，不易于被大众家庭接受。医疗机构里的脑电反馈疗程往往是枯燥乏味的重复性训练，有违儿童的天性，因此常常受到儿童的抗拒。
通过监测人的大脑活动，可以了解大脑在人获取知识，取得重大成就等方面的潜力。一个积极、健康的学习状态离不开一个健康的大脑。
我们打算结合现在的脑波智能硬件，做一款不依赖手机的智能穿戴设备，使人们更好地感受生活，提高生活质量和大脑学习能力。让人们在娱乐中掌握进入专注状态的技巧，快速提高注意力。
在智能可穿戴设备高速发展的今天，连 CES 组委会都已经明确表示：可穿戴设备是下一代伟大科技消费的前沿技术。但就目前来看，现在智能设备功能有限，从产品定位来看，现在的很多智能产品都是手机的附属。
我们在智能可穿戴设备领域的意念车智能产品正在展开竞爭。我们相信，这个领域未来主要趋势是向着智能化，普及化的方向发展。
4.2 目标市场
我们的市场定位是发展面向学校、家庭、培训机构提供教具和DIY产品，意念车的比赛，个性定制和DIY的配套零件销售。在过去的几年中，这个市场刚起步，我们估计未来两年内市场中的竞争局面应持续发展。影响这种变革的主要力量来自人们对智能产品的接受度，儿童玩具的转型和经济实力的提升。
4.3 竞争分析
中国依托脑电波的智能车市场存在较大空缺，尤其是中低端市场基本处于空白阶段。跨国公司产品主要面向高端市场，价格昂贵，超出了国内消费者主体的购买能力；国内厂商技术尚未成熟，多处于研发阶段，并未形成产业化。公司拥有技术领先优势和低成本优势，产品性价比成为公司的核心竞争力之一。公司短时间内没有替代品的威胁，客户及供应商的议价能力较低