基于Android的脑电信号无线采集与分析系统设计

基于Android的脑电信号无线采集与分析系统设计

基于Android的脑电信号无线采集与分析系统设计

摘 要： 提出一种基于Android平台的脑电无线采集与警觉度监测终端的设计。采用Wi-Fi作为无线通信方案，以Android手机作为上位机，在手机上设计应用程序，通过手机应用程序可以方便地实现对采集设备的参数设置、无线连接、数据接收、波形显示、数据分析和文件存储。Android手机端通过Wi-Fi与下位机建立通信，实时接收Wi-Fi模块发送的脑电数据，绘成脑电图，并能通过手机端向下位机发送控制命令，再将基于极限学习机的脑电信号分类算法通过Java编码移植到手机内部，分析脑电信号所携带的警觉度信息。立足便携式脑电信号无线采集系统，在系统中加入基于Android系统的传输控制方法，并植入训练速度快、分类效果好的算法程序，为便携式脑电信号采集提供了一个新方案。

关键词： Android；Wi-Fi；脑电采集；无线传输

脑电信号（EEG）是由脑神经活动产生的一种电活动，它含有大量的大脑活动信息，随着社会的快速进步，交通事故在日常伤亡事件中占有较大比重，为此采集脑电信号并实时监测驾驶人员偏劳状态对于预防由于驾驶员疲劳和警觉度不高造成的交通事故尤为重要。传统脑电采集设备大部分被应用在医院、实验室等特殊场合，在精度上能够满足医疗和研究的要求，但无法应用到日常生活中，尤其是在驾驶活动当中，并且成本昂贵、体积较大、移动不便。因此设计出一款体积较小、便携性较好的EEG信号采集与监控系统具有重要的意义和价值。 移动通信等技术的发展为临床诊断和治疗带来了更多的技术方法[1-2]。Android手机以其成本低、用户体验好等优点已经在智能手机市场占有90%左右的份额，目前以Android为系统的智能手机、平板电脑等已经广泛应用于健康医疗、远程控制等领域，如YUNGKOOK J[3-4]等就将智能手机应用到心电信号监护系统中，用于对心电信号的实时监护、自我诊断等；Song Weibo等[5]设计了基于Android手机的身体监护系统，用户可以通过手机屏幕观察采集到的人体生理数据。大部分Android手机都自带有蓝牙、Wi-Fi通信功能，如李高尚等人[6-7]使用蓝牙作为无线传输方式，取代了传统有线传输方式，实现了无线采集的功能，但存在传输速率低和传输距离短等缺点，不便于远距离采集系统的实现。

本文结合Android和Wi-Fi两者的优势，在手机上设计移动应用软件，通过手机完成对采集前端的控制并接收无线模块发送的数据，最后对数据进行算法分析，实现了整个采集过程以及警觉度的监控。

1 系统总体结构

系统总体结构，包括ADS1299采集前端[8]、Wi-Fi处理发送模块、Android智能手机终端应用。前端采集模块选用TI公司的ADS1299作为脑电采集的模/数转换器，ADS1299以其便携性、紧凑性、低功耗性被专门用来进行脑电信号采集。无线传输模块采用Gain Span公司的超低功耗无线芯片GS1011[9]，GS1011是1个具有超低功耗的Wi-Fi无线片上系统，它包含1个802.11射频前端、媒体控制器和基带处理器，片上Flash和片上SRAM，2个ARM7处理器。GS1011的APP CPU将ADS1299转换的脑电数据、接收到的AP的信号强度的信息进行处理，然后通过WLAN CPU将数据打包成符合IEEE 802.11协议的数据无线发送出去；在接收端，无线接入点AP接收无线载波发送过来的数据，然后传送给手机控制端，手机对接收过来的数据解包并作数据处理。

本文主要论述手机移动终端软件的设计，手机终端的程序主要包括三个功能：（1）控制下位机采集；（2）接收下位机采集数据并作数据处理；（3）建立警觉度水平的离线和在线分析系统。控制功能的实现过程为：通过手机发送带有控制命令的数据包到Wi-Fi模块，Wi-Fi

基于Android的脑电信号无线采集与分析系统设计

的WLAN CPU接收数据，解析自定义数据格式数据包得到命令，将命令通过SPI接口发送给ADS1299采集前端。手机接收Wi-Fi模块发送过来的数据包，解析得到反馈的信息或者有用的EEG数据，实时处理数据。

2 Android终端软件设计与实现

Android是一个基于Linux平台的操作系统[10]，主要应用于智能手机、平板电脑等手持设备。Android的架构图，Android的架构主要由应用程序层、应用程序框架层、库、Android运行时库、Linux内核组成。

Android应用程序以Java为开发语言，以Eclipse作为开发环境，并配合Android SDK、Java JDK和ADT插件完成对软件的开发与调试。Android的SDK提供了可视化的模拟器，同时Android平台提供了2D的图形支持，在完成程序代码的编写后，可以将程序发布到模拟器上运行，如果应用程序涉及蓝牙、摄像头等操作，此时需要在真机上进行调试。

2.1 通信协议设计

通信协议是通信双方进行沟通的语言，协议的设计应该简单明了，避免增加冗余度，通信协议的定义与传输的数据被编排成字节数组的格式。本设计规定手机端为通信的客户端，GS1011为通信服务端。表1为定义的数据帧格式。

（1）报头：固定为55AD两个字节，表示一个帧的开始。

（2）操作指令：是用来区分控制命令，它与ack组合用来表示各种操作和具体类型。“L”代表连接服务器；“C”代表配置ADS1299相关寄存器；“A”代表采集操作，如开 …… 此处隐藏：3448字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……