基于ZigBee技術(shù)的兒童生理參數(shù)采集與情緒檢測系統(tǒng)

姚容，呂勇，項方康，周正馳，巫溢濱

(嘉興學(xué)院機電工程學(xué)院，浙江 嘉興 314001)

1 引 言

情緒是我們智力的基礎(chǔ),也是人類道德與尊嚴(yán)的基礎(chǔ)。隨著認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)與情感神經(jīng)科學(xué)的發(fā)展，越來越多的證據(jù)表明，情緒是推理和判斷過程中必不可少的一部分，并對各個成長時期的學(xué)習(xí)和記憶過程產(chǎn)生重要的影響。其中兒童時期的情緒變化尤為重要，在成長過程中若沒有得到正確的心理指引和情緒上的關(guān)注，可能導(dǎo)致其在青少年時期的自閉、自卑和逆反心理。因此，我們提倡情緒監(jiān)督要從兒童時期做起。雖然情緒是一種主觀意識,但情緒狀態(tài)的變化總會伴隨一定的生理變化，因而，我們可以從生理參數(shù)的角度,以兒童作為檢測對象，用一套客觀的評價標(biāo)準(zhǔn)來研究情緒狀態(tài)。為了讓測試兒童處于相對自然的狀態(tài),使情緒識別結(jié)果的可信度更高,本研究提出了穿戴式生理參數(shù)采集系統(tǒng)的概念。

2 生理指標(biāo)特征選取

由于自主神經(jīng)系統(tǒng)的活動，當(dāng)有機體處于某種情緒狀態(tài)時，其內(nèi)部會發(fā)生一系列的生理變化，測量這些變化的指標(biāo)就是生理指標(biāo)(physiologicalindex)。大量的研究表明，除了少數(shù)情況外，生理指標(biāo)的測量并未為特定的情緒提供明確的模式。陳繼華等[1]指出，最為常用的生理指標(biāo)有：皮膚電反應(yīng)，體溫，循環(huán)系統(tǒng)的指標(biāo)(心電信號)。

由于各類生理指標(biāo)信號是非平穩(wěn)信號,其個體差異很大。不同人之間,心電、體溫、皮膚電阻值都不同,其中心電信號的個體差異最為顯著。因此,為實現(xiàn)情緒狀態(tài)的識別,我們必須從所采集的心電信號、皮膚電反應(yīng)、體溫3個生理信號中提取出最有效的特征來用于分類。

本系統(tǒng)利用情緒神經(jīng)心理學(xué)方面專家的知識挑選出那些對分類最有影響的特征。

依據(jù)文獻(xiàn)[2]中資料顯示，伍德和霍根森(Wood&Hokanson，1965)曾用心率作為緊張的指標(biāo)，研究操作和激動水平的關(guān)系。實驗用握力計來誘發(fā)緊張，即被試者的緊張程度隨握力計壓力的增加而加強。隨著心率的不斷增加，操作水平亦隨之提高；但到一定程度之后，心率的增加反使操作水平下降。韋克斯勒(Wechsler，1925)和塞茲(Syz，1926)所做有關(guān)皮膚電反應(yīng)與情緒的研究表明，有情緒色彩的詞能引起皮膚電反應(yīng)，而重復(fù)刺激則能降低這種反應(yīng),結(jié)果見表1。戴星格(Dysin-ger，1931)曾用能引起愉快感受的詞(如：親愛的、休假)、引起不愉快感受的詞(如：嘔吐、自殺)和無關(guān)的詞(如：筐子、作用)作為情緒刺激進(jìn)行實驗。與無關(guān)刺激相比，愉快和不愉快刺激均能引起皮膚電反應(yīng)提高；而不愉快刺激引起的皮膚電反應(yīng)更為明顯。周建中[3]的研究表明，心電波形中的R波幅度及其寬度會隨著情緒狀態(tài)的變化而發(fā)生明顯變化。此外，根據(jù)文獻(xiàn)[3]所述，北大心理學(xué)系在1973年的研究表明，在情緒狀態(tài)改變時，呼吸系統(tǒng)在速度和深度上會有所變化,繼而引發(fā)血管容積發(fā)生變化。無論血管是處在收縮狀態(tài)還是處在舒張狀態(tài)，它都將引起人體溫度的變化。李豪等[4]指出，當(dāng)人呼吸變得急促，交感神經(jīng)系統(tǒng)促使皮膚豎毛肌收縮，汗腺的汗液分泌量增大，皮膚電阻值下降，通過測量電路可以比較容易地檢測出這種變化。由此，本系統(tǒng)選擇心率作為第一個特征,心電波形中的R波幅度及其寬度作為第二和第三特征,體溫為第四個特征,皮膚電阻值列為第五特征。

3 兒童情緒生理參數(shù)檢測系統(tǒng)的構(gòu)成

兒童情緒生理參數(shù)檢測系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集模塊、信號處理模塊和數(shù)據(jù)收發(fā)模塊構(gòu)成，見圖1。

表1 韋克斯勒和塞茲的研究結(jié)果

數(shù)據(jù)采集模塊主要由溫度傳感器、皮膚電阻、心電信號檢測傳感器、濾波放大模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊等子模塊構(gòu)成，其目的是利用傳感器將被測量的模擬量進(jìn)行放大、濾波、反饋補償、模數(shù)轉(zhuǎn)換等處理。

本系統(tǒng)選用的情緒活動的生理指標(biāo)有：皮膚電反應(yīng)、心電、體溫。

3.1 心電信號 (electrocardiogram，ECG)

原始的心電信號非常微弱，幅度只有0～4 mv，頻帶為0.05～100 Hz，并且混雜有大量的干擾噪聲，其中50 Hz工頻干擾最為厲害。除此以外，還有電極接觸噪聲，肌電噪聲，放大器直流溫漂，呼吸引起的基線漂移等干擾。

3.2 皮膚電反應(yīng)

皮膚電阻的個體差異較大(2～I(xiàn) MΩ)，并且隨著測量方式的不同，得到的值也不同。由于皮膚電阻的個體差異達(dá)到二、三十倍以上，對特定個體的定量計算不具備普遍性與代表性，只能進(jìn)行定性分析。所以，本系統(tǒng)中GSR不作為情緒判別依據(jù)，而作為情緒生理喚醒的標(biāo)志。

3.3 皮表體溫

體溫是個變化十分緩慢的生理信號，在頻譜上可以把它看成一個直流信號，所以，用于體溫采集電路的放大器，其本質(zhì)是一個直流放大器。

處理器模塊是系統(tǒng)的計算核心，由微控制器(CC2530片上系統(tǒng)8051)作為中心，是數(shù)據(jù)采集模塊與無線通訊模塊相連接的橋梁。

無線通信模塊通過TI公司的CC2530射頻芯片完成信號的發(fā)射與接收，以 Microchip ZigBee協(xié)議棧實現(xiàn)數(shù)據(jù)無線傳輸。

4 硬件設(shè)計

圖2為ZigBeeCC2530單芯片模塊的基本框圖。CC2530自帶的8051微控制器處理ADC模塊采集的各類傳感器信息，通過SPI總線實現(xiàn)RF收發(fā)器與另一塊RF收發(fā)器之間的數(shù)據(jù)傳輸。

圖2 CC2530單芯片模塊的基本框圖

5 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵，包括采集子系統(tǒng)和傳輸子系統(tǒng)。

采集子系統(tǒng)由A /D 采集程序、定時器中斷程序、數(shù)據(jù)處理程序組成。由A /D 采集程序通過CC2530集成的ADC模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作，并使用定時器中斷程序控制采集次數(shù)和時間間隔。各個參數(shù)通過濾波、除噪電路已濾去大部分干擾，但仍需在軟件上進(jìn)行更細(xì)致的除雜處理。數(shù)據(jù)處理程序便是將采集得到的傳感器參數(shù)通過程序上的均值濾波和尖峰濾波，進(jìn)一步得到優(yōu)化。數(shù)據(jù)處理程序還包括將數(shù)據(jù)存儲到外圍存儲設(shè)備的子程序。

根據(jù)文獻(xiàn)[5]所述，傳輸子系統(tǒng)由通信管理程序組成，由TI公司提供的協(xié)議棧作為通信管理協(xié)議棧，完成傳輸模塊的初始化和節(jié)點信息處理。

6 生理指標(biāo)特征的檢測和分析

本系統(tǒng)采集的生理信號有皮膚電反應(yīng)，心電信號，皮膚溫度。

6.1 皮膚電反應(yīng)的檢測與分析

GSR信號檢測電路圖見圖3，BODY為被測部位皮膚電阻值。由于GSR的個人差異性，本系統(tǒng)將GSR數(shù)據(jù)對時間微分后,取其變化幅度作為對相應(yīng)靶情緒分析的起始信號。

6.2 皮膚溫度的檢測與分析

圖4為SKT信號檢測電路圖，SKT的數(shù)值精度要求高，所以采用溫敏電阻檢測皮膚溫度。對SKT去除粗大誤差后，將一分鐘內(nèi)的數(shù)據(jù)取其平均值，最大值，最小值和變化幅度(微分值)。

圖3 心電信號檢測電路

圖4 皮膚電反應(yīng)檢測電路

6.3 心電信號的檢測與分析

圖5為心電信號檢測電路圖，此電路參考自文獻(xiàn)[6],并稍作改進(jìn)。本系統(tǒng)要求從心電圖信號中提取出識別情緒所需的三個特征：心率、R波幅度及其寬度。王恒迪等[7]指出，心率的計算公式為 60/(R-R間期)。因此，可以通過檢測心電信號中的R波分布來計算R波幅度、R波寬度以及R-R間期。圖5是基線漂移心電圖，本研究采用一種綜合利用了前后幅值差法、半波寬法以及R-R間期法的算法檢測R 波。即進(jìn)行 R 波檢測時, 先利用前后幅值差法進(jìn)行判斷,找出備選的R波, 再分別利用半波寬法和R-R間期法去除各種偽信號。

圖5 基線漂移心電圖

7 情緒檢測系統(tǒng)應(yīng)用

進(jìn)行情緒判別前要先設(shè)計分類器，即給所要研究的幾種情緒做生理特征上的區(qū)分。方案如下：將3～5歲幼兒園兒童每人分別在愉悅、憤怒、恐懼和輕松四種情緒狀態(tài)下采樣100組的數(shù)據(jù)后，取均值，得到相應(yīng)情緒的樣本。采集基礎(chǔ)樣本過程中，應(yīng)確保穿戴該設(shè)備的兒童身體狀況正常，并且給予相應(yīng)的情緒上的刺激，即播放對應(yīng)情緒的音樂和圖像信息，研究人員需隔離在另一個房間監(jiān)控并根據(jù)表情、肢體動作等外部表現(xiàn)挑選三至五位對外界刺激的反應(yīng)較為清晰的兒童，將他們的數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)樣本，將基礎(chǔ)樣本做除雜和均值處理后，用來設(shè)計分類器。其余作為測試樣本，測試樣本用來檢測分類器的性能。

分類系統(tǒng)制作完成后，投入幼兒園兒童的日?；顒又?，在幼兒園中找到一位相對較為內(nèi)向，不善表達(dá)的兒童，跟蹤記錄其一天的行為活動并實時采集其生理參數(shù)變化情況。最后根據(jù)數(shù)據(jù)分析其一天的情緒狀況，另一方面根據(jù)錄像中的行為表情分析出情緒狀況，以后者的數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)來檢驗前者并調(diào)整分類器系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過反復(fù)修改調(diào)整，系統(tǒng)愈趨完善后，再次對測試樣本進(jìn)行測試，其對愉悅的判別準(zhǔn)確率為91.8%，恐懼的為87.1%,輕松的為80.2%，對憤怒的為84.7%。

8 結(jié)語

兒童時期的情緒變化對其成長時期的學(xué)習(xí)和記憶產(chǎn)生重大的影響，我們設(shè)計的兒童生理參數(shù)采集與情緒檢測系統(tǒng)對于及早發(fā)現(xiàn)兒童情緒波動有著重要的實用價值。但基于生理信號的情緒與情感識別是一個綜合生理學(xué)、心理學(xué)、認(rèn)知科學(xué)以及信息處理的多學(xué)科交叉課題，在將來的研究中要進(jìn)行多傳感器數(shù)據(jù)的融合，把語音、面部表情和生理參數(shù)融合處理，結(jié)合多種分類器，得到更為精確、更為可信的結(jié)論。