基于TGAM的脑电波专注力训练系统设计

惠鹏飞，邹立颖，袁琪，姚昌超

基于TGAM的脑电波专注力训练系统设计

惠鹏飞，邹立颖，袁琪，姚昌超

（齐齐哈尔大学 通信与电子工程学院，黑龙江 齐齐哈尔 161006）

为满足专注力训练领域的需求，克服传统正念训练方法中存在的局限，以Arduino为核心，以TGAM的专注度和放松度为数据采集观测值，设计脑电波专注力训练系统。系统分专注力训练反馈和辅助正念两种模式。在专注力训练模式中，通过舒尔特方格游戏，LCD实时显示专注力数值，并且达到设定的专注力值之后，LED灯点亮。在正念模式中，通过电脑播放正念音乐，利用Arduino模块控制三色LED灯的状态，不同的专注状态时LED灯显示不同的颜色。使用VS2017开发了上位机，借助上位机完成舒尔特方格专注力训练和正念辅助音乐播放功能。测试结果表明，该系统性能稳定，使用方便，在专注力训练领域有较好应用前景。

正念训练；Arduino；TGAM；专注力训练

在教育和医学领域，掌握学生的专注力状态具有重要意义。近年来，正念训练方法得到广泛的应用，这是一种将理性治疗与佛教思想相结合并有效提升和控制人们专注力的新型运动训练方法。在传统正念方法中，通常以观察脑组织结构相应区域变化的方法来监测和检验专注力，这需要专门的仪器和专业技术人员，对于市场和大众化的应用极为不便[1-2]。同时，不同的人进行训练会存在个体差异，并且如果是用心理测量表来进行检测，很容易产生实验者效应，进而难以将专注力的数据精准的表示出来[3]。

本文基于脑电控制技术设计脑电波专注力训练系统，利用TGAM模块采集脑电波数据，以TGAM的专注度和放松度为数据采集观测值，然后通过LCD显示专注力数值，LED呼吸灯通过不同的颜色来表示目前的状态，在上位机端实时显示脑电波分析曲线，系统可有效实现对用户专注力的训练功能。

1 专注力训练系统的整体方案设计

本系统包括硬件和软件两部分，硬件包括TGAM脑电波模块、Arduino主控模块、电源部分、蓝牙模块、LED灯模块、I2C模块、LCD显示屏模块等；软件部分包括Arduino主程序的编写、蓝牙AT配对的编写、TGAM采集专注力算法设计、PC舒尔特方格训练程序的编写和正念播放器的程序编写以及波形图的显示。

系统以Arduino为核心处理器，以TGAM采集的脑电波信号为数据源，通过蓝牙远程控制正念呼吸灯。TGAM模块采集到的脑电波数据经过蓝牙传输给Arduino，然后根据专注力的数值变化控制LED灯的不同颜色来显示专注力的状态。利用基于TGAM的eSense算法对专注度和放松度进行信息提取，实现反馈专注力数值的三色灯变化以及正念模式时眨眼的检测，设置了专注力训练反馈和正念反馈两种模式。系统组成框架如图1所示。

图1 系统组成框架

1.1 系统总体硬件结构设计

在硬件电路设计方面，当不使用上位机时，可以直接用4.5V电源供电[4-5]。当使用上位机时，需要Arduino与USB相连，同时提供串口给电脑，在电脑端显示数据。两种方式下系统总的硬件电路结构如图2所示。

图2 系统总硬件结构设计

1.2 专注力训练具体工作流程

TGAM模块通过蓝牙连接电脑，打开processing即可开始显示用户目前的状态，然后完成舒尔特方格专注力训练或者正念音乐辅助活动，且能够实时显示目前的专注力状态。在平时不用电脑训练时，将TGAM与Arduino相连，当训练过程中专注力低于20时，蜂鸣器发出警告，提示保持专注，且RGB三色灯实时显示目前的专注力状态。工作流程如图3所示。

图3 专注力训练系统流程

2 系统硬件电路设计

2.1 主控模块

主控制由Arduino Nano模块实现，该模块是基于ATmega328P的Arduino开发板。它可以直接插入面包板中使用，Arduino Nano可以通过Mini-USB接口连接到PC端[6]。

2.2 脑电波采集模块设计

本系统采用NeuroSky公司的TGAM模块完成脑电数据采集，该模块采用了单导干电极测量技术，相比于传统的湿电极，操作更加方便。

2.2.1 TGAM模块采集参数

eSense参数描述用户的活动状态，其参数值介于1～100之间。当参数值为40～60之间时，说明专注力处于中间范围，类似于传统脑电波测量技术中60～80之间的“基准线”。当参数值处于80～100之间时，该参数位于“最高值区域”，专注或正念达到非常高的水平，即处于非常专注的状态或处于非常放松的状态。当在20～40之间时，该参数处于“较低值区域”。eSense参数包括eSense专注和eSense放松，含义为

eSense专注：也称为“注意度”或“专注度”，它反映当前的专注水平，注意力分散或精神麻痹，注意力不集中以及用户焦虑等精神状态时会降低其参数的值。

eSense放松：也称为“正念”或“放松度”。它反映的是用户的心理状态，而不是身体状态。身体所有肌肉的放松并不能提高它的值。

2.2.2 TGAM脑电波采集系统设计

TGAM模块外接两条接入耳垂的参考电极以及一个采集数据的干电极，采用TX与蓝牙串口连接，为单向通信方式，外接3.3V的电源，从而连接成一个脑电波的采集系统[7]。

2.3 蓝牙传输模块设计

系统采用BT04A和HC-05模块实现蓝牙传输。在Think Gear端采用的是BT04A型号的蓝牙模块，Arduino接收器模块使用HC-05型蓝牙模块，HC-05设置为主机，BT04A设置为从机。当模块连接到电源系统的3.3V Arduino时，串口需要交叉连接（HC-05蓝牙模块的RX连接到Arduino TX，HC-05的TX连接到Arduino RX）。

HC-05中的蓝牙串行通信模块有3种模式：响应模式、AT响应模式和自动连接操作模式，当模块处于自动连接操作模式时，它将根据预先设定的参数自动传输接收的数据[8]。当模块处于命令响应操作模式时，可以执行所有AT命令，用户可以发送各种AT命令设置控制参数。

2.4 专注力训练反馈装置设计

专注力训练装置包括TGAM传感器、主控制器、LCD显示屏和灯泡，TGAM传感器作为信息源，Arduino作为主控，控制外接TM1637的LCD1602显示屏显示专注力的值，当达到设定值之后，灯泡持续打开。

外接I2C模块的LCD1602液晶屏模块兼容Arduino Nano，模块的供电电压为5V，它有1个I2C两线数据通讯接口和2个电源接口，可以给Arduino节省4个接口，可以显示蓝色和白色字符，且背光可以手动调节。

2.5 正念反馈装置设计

当转换到正念反馈模式时，打开音乐，闭上眼睛，灯泡也随之熄灭，然后三色LED灯会根据正念时的脑电波数据来改变目前的颜色状态。当完成正念训练后，睁开眼睛，灯泡也随之点亮。

2.5.1 正念反馈装置

正念反馈训练装置包括Arduino Nano模块、LCD显示器、LED呼吸灯、Think Gear传感器和眨眼灯泡组成。

2.5.2 LED正念呼吸灯和眨眼灯泡

（1）luxeon LED

本次设计采用是luxeon LED通3.15～3.4V的电压供电，亮度可达到80～90 lm（350mA），发光角度可以达到180°。当正念模式闭眼时灯泡关闭，睁眼时灯泡打开，实现了正念时没有外界强光的干扰，结束时能够眼前一亮的效果。

图4 系统硬件总体连接

（2）RGB三色灯

正念反馈利用RGB三色灯，采用3.3V/5V供电，共阴极。设定当专注力达到60～80时显示红色，当放松度达到20～40时变为绿色，当专注值在40～60时为蓝色。系统硬件总体连接如图4所示。

3 系统的软件程序设计

软件开发环境为Visual Studio 2017，用到Arduino IDE工具，Arduino IDE可在Windows、Macintosh OS X和Linux多平台上运行。Arduino语言基于C++，是avr-gcc库的辅助封装，有大量的例程。

在使用Arduino IDE程序时，Kenrobot的图形编程也被用作设计一些算法和逻辑程序的辅助工具。Kenrobot使用图形化模块化编辑代码，通过简单的拖放各个代码模块完成Arduino编程。

3.1 上位机软件开发

打开VS开发软件，根据设计流程图来选择正念模式或者专注力训练模式。在专注力训练模式，舒尔特方图可以随机重置，当点击完成后，会显示时间，右边的串口一直显示实时的波形状况。当选择正念模式时，选择好播放的音乐即可。上位机编程代码主要包括舒尔特方格、专注力曲线显示、眼电算法、脑电算法4部分。

3.2 脑电算法设计

TGAM大约每秒钟发送513个包，发送513个包所花费的时间是1s左右。发送的包分小包和大包两种：小包的格式是AA AA 04 80 02 xxHigh xxLow xxCheckSum，前面的AA AA 04 80 02是不变的，后3个字节是一直变化的，xxHigh和xxLow组成了原始数据rawdata，xxCheckSum是校验和。所以一个小包里面只包含了一个对开发者来说有用的数据，那就是rawdata，一个小包就是一个原始数据，大约每秒钟会有512个原始数据。

从小包中解析出原始数据可采用的语句为

rawdata=(xxHigh<<8)|xxLow;

if(rawdata>32768){rawdata=65536;}，原始数据可以查看波峰情况，眼电也会用到这个数据，但是在算原始数据之前，必须先检查校验和。

3.3 眼电的算法

TGAM脑电传感器的芯片是不会输出眨眼信号的，眨眼信息是用rawdata原始数据算出来的。如果在原始数据的波形上显示，当眨眼时，眨眼就是一个很大的波峰。只要用代码检验并计算这个波峰的出现，就可以找到眨眼的时间。它是无符号的一个字节值，报告用户最近眨眼的强度。它的取值范围为1～255，每当检测到眨眼时就会报告。使用时采用的语句为

THINKGEAR_API int

TG_EnableBlinkDetection(intconnectionId,int enable)

TG_DATA_BLINK_STRENGTH

4 系统测试和功能展示

4.1 脑电波采集模块与蓝牙配对调试

打开TGAM脑电波采集模块的电源，与之相连的蓝牙模块闪烁，广播寻找连接，打开连接Arduino的HC-05，两个蓝牙也在快闪，当两个蓝牙常亮时，说明配对成功，即开始通信。

4.2 专注力训练模式和正念模式的调试和功能展示

专注力训练模式包括显示屏调试和专注灯泡调试两项内容，初始化LCD显示屏，进入开始界面，如图5(a)所示。控制外接TM1637的LCD1602显示屏显示专注力的值，如图5(b)所示。对专注灯泡调试时，当专注力达到设定值60之后，灯泡持续打开，专注值低于60后同时灯泡也关闭，如图5(c)所示。

正念模式调试涉及环境灯光调试和三色RGB正念灯调试，选择正念引导音乐时，即开始播放，此时硬件的灯泡等待闭眼操作，闭眼后，灯泡关闭，音乐结束后睁开眼，灯泡亮起。在三色RGB正念灯调试过程中，当不方便使用电脑实时查看波形的时候，可以根据三色LED的变化，实时查看当前的状态，三色LED灯根据脑电波数据，改变颜色状态。在专注力达到60～80时，反馈灯显示红色的灯光，如图5(d)所示；当放松度达到20～40时，反馈灯变为绿色，如图5(e)所示；当正念值在40～60时，反馈灯则为蓝色，如图5(f)所示。

图5 专注力训练模式和正念模式实验结果

4.3 上位机调试和功能展示

上位机端实现了实时显示脑电波的曲线，完成舒尔特方格专注力训练和正念辅助音乐播放的功能。通过串口与Arduino相连。

（1）舒尔特方格训练调试及功能展示

选择舒尔特方格训练时，系统先初始化，选择几乘几的表格，然后随机散布在表格内，点击开始训练，当点击1之后，屏幕会提示下一个输入2，错误时会警告提示选择正确的数字，结束后，显示完成的时间，同时保存在表格数据中，如图6(a)所示。

（2）正念引导音乐播放调试及功能展示

选择正念引导音乐时，即开始播放，此时硬件的灯泡等待闭眼操作，闭眼时，灯泡关闭，音乐结束后睁开眼，灯泡亮起。对于波形显示，可根据串口传来的原始数据，通过软件对题进行处理，以显示各个波段的数据。正念引导音乐播放调试如图6(b)所示。

图6 舒尔特方格训练和正念播放实验结果

5 结论

本文设计的基于TGAM的专注力训练系统，采用Arduino Nano作为主控，以TGAM的专注度和放松度为数据采集观测值，设置了专注力训练反馈和辅助正念两种模式，通过在上位机播放正念音乐，LED呼吸灯根据不同的专注力情况显示不同的颜色，同时显示专注力实时曲线。当执行舒尔特方格训练的时候，硬件LCD屏幕实时显示当前专注力值，上位机实时显示脑电波分析曲线。本系统克服了传统正念训练设备的局限，使用简单方便，有较好的实用性，可以有效地完成对用户的专注力训练。

[1] 刘明宇，王珏，燕楠. 一种新的专注力相关脑电分类算法设计[J]. 西安交通大学学报，2020, 39(10): 34-37.

[2] 宋逍雄，高瞻，周海昌. 基于脑机接口的虚拟冥想训练系统研究[J]. 软件导刊，2019, 189(07): 23-26.

[3] 金建水，刘兴华. 儿童和青少年学生群体的正念教育——正念作为新的心理健康教育方式的探索[J]. 首都师范大学学报（社会科学版），2017(2): 170-180.

[4] 徐晓天. 基于脑电与眼动的多通道交互控制技术研究[D]. 南京：南京大学，2018.

[5] 王勇. 心算事件波的熵分析[D]. 大连：大连交通大学，2019.

[6] 吴康. 面向多语言混合编程的嵌入式测试软件设计与实现[D]. 成都：电子科技大学，2020.

[7] 任俊，黄璐，张振新. 基于心理学视域的冥想研究[J]. 心理科学进展，2021, 18(5): 857-864.

[8] 牛禄青. Muse脑感应头环：帮大脑做体操[J]. 新经济导刊，2019(11): 62-67.

Design of brain wave concentration training system based on TGAM

HUI Peng-fei，ZOU Li-ying，YUAN Qi，YAO Chang-chao

(College of Telecommunication and Electronic Engineering, Qiqihar University, Heilongjiang Qiqihar 161006, China)

To meet the needs of the field of focus training and overcome the limitations of traditional mindfulness training methods, a brain wave focus training system is designed with Arduino as the core and TGAM's focus and relaxation as the data collection observation values. The system is divided into two modes: focus training feedback and auxiliary mindfulness. In the focus training mode, through the Schulte grid game, the LCD displays the focus value in real time, and after reaching the set focus value, the LED light lights up. In mindfulness mode, play mindfulness music through the computer and use the Arduino module to control the status of the three color LED lights. The LED lights display different colors when in different focus states. Developed an upper computer using VS2017, with the help of the upper computer to complete Schultz grid focus training and mindfulness assisted music playback functions. The test results show that the system has stable performance, convenient use, and good application prospects in the field of focus training.

mindfulness training；Arduino；TGAM；concentration training

TP212

A

1007-984X(2023)06-0042-05

2023-07-05

黑龙江省自然科学基金项目（LH2020F050）；黑龙江省省属高等学校基本科研业务费科研项目（145109147）

惠鹏飞（1980-），男，辽宁凌源人，副教授，硕士，主要从事物联网应用技术的研究，hui_pengfei@126.com。