Điều khiển thiết bị trong nhà thông minh qua sóng điện não

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LƯU VĂN TOÀN

ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ TRONG NHÀ THÔNG MINH

THÔNG QUA SÓNG ĐIỆN NÃO

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử

Mã số: 8.52.02.03

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

HỌC VIÊN

Lưu Văn Toàn

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

Ts. Nguyễn Phương Huy

KHOA CHUYÊN MÔN

TRƯỞNG KHOA

THÁI NGUYÊN - 2020

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Lưu Văn Toàn

Sinh ngày: 28/12/1986

Học viên lớp cao học CHK20KTĐT - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp

- Đại học Thái Nguyên.

Hiện đang công tác tại: Trường Cao Đẳng Công nghệ và Nông lâm Đông Bắc

Xin cam đoan: Đề tài “Điều khiển thiết bị trong nhà thông minh thông

qua sóng điện não” do Thầy giáo TS. Nguyễn Phương Huy hướng dẫn là công

trình nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất

xứ rõ ràng.

Tác giả xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn đúng như nội dung

trong đề cương và yêu cầu của thầy giáo hướng dẫn. Nếu sai tôi hoàn toàn chịu trách

nhiệm trước hội đồng khoa học và trước pháp luật.

Thái Nguyên, ngày 26 tháng 6 năm 2020

Tác giả luận văn

Lưu Văn Toàn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian nghiên cứu và làm việc nghiêm túc, được sự động viên,

giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của Thầy giáo hướng dẫn TS. Nguyễn Phương Huy, luận

văn với đề tài “Điều khiển thiết bị trong nhà thông minh thông qua sóng điện não”

đã hoàn thành.

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến:

Thầy giáo hướng dẫn TS. Nguyễn Phương Huy đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ

tôi hoàn thành luận văn này.

Trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp và đặc biệt là các Thầy, cô trong Khoa

Điện tử đã giúp đỡ tôi trong quá trình học tập cũng như thực hiện luận văn.

Tôi xin chân thành cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp và gia đình đã động viên,

khích lệ, tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, thực hiện và hoàn

thành luận văn này./.

Thái Nguyên, ngày 26 tháng 6 năm 2020

Tác giả luận văn

Lưu Văn Toàn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ i

LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................ii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................ v

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH ................................................................................ vi

DANH MỤC BẢNG BIỂU .....................................................................................viii

MỞ ĐẦU..................................................................................................................... 1

1. Tính khoa học và cấp thiết của đề tài ..................................................................... 1

2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài.......................................................... 1

3. Phương pháp luận nghiên cứu ................................................................................ 2

4. Nội dung và bố cục của luận văn............................................................................ 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NHẬN DẠNG TÍN HIỆU ĐIỆN NÃO ............. 3

Tổng quan về tín hiệu điện não ........................................................................ 3

1.1.1 EEG là gì .......................................................................................................... 3

1.1.2 Tại sao phải thu nhận tín hiệu EEG ................................................................. 3

1.1.3 Nguồn gốc của tín hiệu EEG............................................................................ 5

1.1.4 Các dạng sóng EEG cơ bản.............................................................................. 7

Hệ thống tương tác máy não .......................................................................... 10

1.2.1 Kiến trúc cơ bản của hệ thống BCI................................................................ 10

1.2.2 Một số kỹ thuật cơ bản trong triển khai hệ thống BCI................................... 12

1.2.3 Cập nhật một số kết quả nghên cứu trong và ngoài nước .............................. 18

Một số ứng dụng của hệ thống nhận dạng tín hiệu điện não.......................... 19

Kết luận chương ............................................................................................. 20

CHƯƠNG 2 ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ NHÀ THÔNG MINH THÔNG QUA TÍN

HIỆU EEG ......................................................................................................... 21

Tổng quan về nhà thông minh........................................................................ 21

2.1.1 Định nghĩa nhà thông minh............................................................................ 21

2.1.2 Các thành phần cơ bản hệ thống nhà thông minh .......................................... 22

2.1.3 Một số giải pháp điều khiển nhà thông minh................................................. 25

Xây dựng hệ thống điều khiển thiết bị cho nhà thông minh bằng EEG ........ 26

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Trích xuất đặc trưng tín hiệu EEG sử dụng DWT ......................................... 27

2.3.1 Các khái niệm cơ bản ..................................................................................... 27

2.3.2 Biến đổi wavelet liên tục................................................................................ 29

2.3.3 Biến đổi wavelet rời rạc ................................................................................. 31

2.3.4 Giới thiệu một số họ Wavelet ........................................................................ 32

2.3.5 Biến đổi DWT và phân tích đa phân giải tín hiệu EEG................................. 32

Chọn lọc đặc trưng EEG sử dụng phương pháp phân tích thành phần chính 34

2.4.1 Nguyên lý chung ............................................................................................ 34

2.4.2 Nội dung thuật toán PCA ............................................................................... 35

2.4.3 Áp dụng PCA vào trích chọn vector đặc tính cho bài toán nhận dạng tín hiệu

EEG ........................................................................................................................ 36

2.4.4 Đánh giá thuật toán ........................................................................................ 37

Mạng nơ ron MLP và ứng dụng trong nhận dạng tín hiệu EEG.................... 37

2.5.1 Kiến trúc mạng ............................................................................................... 37

2.5.2 Huấn luyện mạng ........................................................................................... 38

2.5.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của mạng MLP ................................... 41

2.5.4 Ưu nhược điểm và một số vấn đề của mạng nơron nhiều lớp ....................... 43

Kết luận chương ............................................................................................. 43

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG........................................... 45

Phát biểu bài toán ........................................................................................... 45

Xây dựng hệ thống ......................................................................................... 45

3.2.1 Mũ thu thập và tiền xử lý tín hiệu điện não ................................................... 45

3.2.2 Bộ điều khiển tương tác bằng sóng điện não ................................................. 46

3.2.3 Các modul giao tiếp........................................................................................ 49

Kết quả và thảo luận....................................................................................... 50

Kết luận chương ............................................................................................. 52

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ................................................................ 53

TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................... 55

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Từ hoặc

cụm từ Từ tiếng Anh Từ tiếng Việt

AR Autoregressive Modeling Mô hình tự hồi quy

BCI Brain-Computer Interface Giao tiếp máy - điện não

CSDL Data base Cơ sở dữ liệu

CWT Continuous Wavelet Transform Biến đối Wavelet liên tục

DWT Discrete Wavelet Transform Biến đối Wavelet rời rạc

EEG Electroencephalogram Điện não đồ

ER Emotion Recognition Nhận dạng cảm xúc

ERS Emotion Recognition System Hệ thống nhận dạng cảm xúc

ICA

Independent Component

Analysis

Phân tích thành phần độc lập

LDA Linear Discriminant Analysis

Phương pháp phân tích sự khác biệt

tuyến tính

MLP MultiLayer Perceptron Mạng nơron Perceptron đa lớp

NN Neural Network Mạng Nơron

PCA Principal Component Analysis

Phương pháp phân tích thành phần

chính

SVM Support Vector Machine Học máy vectơ hỗ trợ