1.引言

　　腦機(jī)接口（Brain-Computer Interface，BCI）是一種不借助肌肉組織或外周神經(jīng)等常規(guī)腦信息輸出途徑而實(shí)現(xiàn)大腦與電子設(shè)備信息交換的新型人機(jī)交互技術(shù)[1]，它可以作為大腦思維正常但運(yùn)動(dòng)功能殘障的患者與外界溝通的有效方式。BCI技術(shù)通常服務(wù)于肢體康復(fù)[2]、意識(shí)障礙[3]、緩解疼痛[4]等恢復(fù)醫(yī)療及護(hù)理醫(yī)療領(lǐng)域，旨在使用大腦意念對(duì)外界信息進(jìn)行感知和操控。根據(jù)接口端與大腦端的連接方式，它可以分為侵入式BCI、非侵入式BCI和半侵入式BCI[5]。其中，基于腦電圖（electroencephalogram，EEG）的非侵入式BCI是目前最具有商業(yè)化前景的BCI技術(shù)，而智能家居系統(tǒng)正是這種BCI技術(shù)產(chǎn)業(yè)化落地的良好載體。最近，隨著信息技術(shù)的蓬勃發(fā)展，各種基于無線通信傳感器的智能家居系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，智能家居以互聯(lián)網(wǎng)或物聯(lián)網(wǎng)為媒介將各種家庭設(shè)備有效連結(jié)，為用戶提供如家電控制、環(huán)境檢測、紅外轉(zhuǎn)發(fā)等多種家居服務(wù)。

　　近年來，隨著基于EEG的BCI技術(shù)與智能家居系統(tǒng)不斷融合，面向殘障用戶的人機(jī)交互新范式逐漸成為新的研究熱點(diǎn)。本文系統(tǒng)性地回顧了BCI技術(shù)在智能家居系統(tǒng)中的應(yīng)用及研究現(xiàn)狀，討論了其優(yōu)勢(shì)和挑戰(zhàn)。

　　2. BCI-智能家居系統(tǒng)的構(gòu)成

　　傳統(tǒng)的BCI系統(tǒng)和智能家居系統(tǒng)是兩部分獨(dú)立的系統(tǒng)，它們通過各種通信協(xié)議進(jìn)行通信協(xié)作。BCI系統(tǒng)由刺激范式模塊、腦電信號(hào)采集模塊、腦電信號(hào)特征提取與分析模塊、指令輸出模塊等部分構(gòu)成。智能家居系統(tǒng)由家居網(wǎng)絡(luò)、家居布線、家居軟件、智能電器等部分構(gòu)成。本征的智能家居是基于現(xiàn)實(shí)世界設(shè)計(jì)的，但由于其研制成本較高、建立位于體外的原位條件較為困難[6]等實(shí)際因素，因此也產(chǎn)生了許多基于三維環(huán)境仿真的虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）技術(shù)而建立的智能家居系統(tǒng)。下圖所示為通常情況下基于EEG的BCI-智能家居系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成。

　　當(dāng)使用基于EEG的BCI-智能家居系統(tǒng)時(shí)，用戶需要在配合用于激發(fā)特定腦電波的實(shí)驗(yàn)范式的同時(shí)穿戴具有陣列式腦電極布局的腦電帽。腦電帽后端連接著各種如信號(hào)放大器、信號(hào)濾波器等精密復(fù)雜的電子器件，以進(jìn)實(shí)現(xiàn)多通道、高質(zhì)量的不同腦區(qū)細(xì)胞群自發(fā)性、節(jié)律性電位活動(dòng)的高質(zhì)量記錄。被記錄的腦電信號(hào)經(jīng)過人工智能算法處理分析可用于識(shí)別用戶的腦思維意圖，并輸出相應(yīng)的控制信號(hào)，從而通過各種通信協(xié)議以信號(hào)傳遞的方式觸發(fā)智能家居中的場景事件。

　　BCI-智能家居系統(tǒng)誕生至今的時(shí)間并不長，2008年Hoffmann等以電視、電話、燈等6部家居設(shè)備的圖像作為示例，基于BCI技術(shù)設(shè)計(jì)了一套基礎(chǔ)性智能家居控制范式，并滿足了嚴(yán)重殘疾被試者們的某些需要[7]。2009年Holzner等成功使用了具有上百個(gè)指令的BCI范式對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)智能家居場景中的燈光、收音機(jī)等電器設(shè)備進(jìn)行操縱[8]。2010年 Carabalona等建立了可通過BCI控制的真實(shí)智能家居環(huán)境[9]。2014年Hu和Mu通過分析用戶注視自己物品的照片而觸發(fā)的視覺誘發(fā)電位，實(shí)現(xiàn)了智能家居門禁系統(tǒng)對(duì)戶主的身份識(shí)別[10]。2018年，Gao等提出了一種新的BCI落地方案，他們將基于局域網(wǎng)的供電（Power over Ethernet）系統(tǒng)與BCI技術(shù)相結(jié)合，拓展了有源以太網(wǎng)的功能多樣化，為智能家居系統(tǒng)提供了新視角[11]。

　　3. 評(píng)價(jià)指標(biāo)

　　BCI-智能家居的性能通常通過準(zhǔn)確率、單次耗時(shí)、可提供命令數(shù)和信息傳輸率等指標(biāo)評(píng)定，下面的章節(jié)中將對(duì)這些指標(biāo)進(jìn)行詳細(xì)的介紹。

　　3.1 準(zhǔn)確率

　　準(zhǔn)確率是評(píng)價(jià)BCI-智能家居系統(tǒng)可靠性時(shí)最基本的指標(biāo)，它是根據(jù)用戶的思維意圖與其腦電信號(hào)分析的結(jié)果對(duì)照而得到的。BCI準(zhǔn)確率可分為在線準(zhǔn)確率和離線準(zhǔn)確率，二者均根據(jù)用戶產(chǎn)生系統(tǒng)所能夠解釋的腦電信號(hào)而計(jì)算的。當(dāng)使用在線BCI系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)把完成分析的信號(hào)轉(zhuǎn)化為控制命令，并且用戶能及時(shí)收到反饋以便其確定下一步需要進(jìn)行的思維想法。當(dāng)使用離線BCI系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)先將采集到的腦電信號(hào)進(jìn)行儲(chǔ)存，之后再將這些信號(hào)作為樣本數(shù)據(jù)導(dǎo)入各種人工智能算法模型中進(jìn)行處理分析。在對(duì)BCI-智能家居系統(tǒng)的測試中，在線準(zhǔn)確率通常被用來評(píng)估系統(tǒng)的實(shí)時(shí)閉環(huán)性能，而離線準(zhǔn)確率常被用來驗(yàn)證或優(yōu)化腦電分析算法。研究表明，BCI系統(tǒng)的指令集準(zhǔn)確率在70%以上才能滿足它基本的功能需求[37]。

　　3.2 單次耗時(shí)

　　單次耗時(shí)是評(píng)價(jià)BCI-智能家居系統(tǒng)工作效率及處理速度時(shí)的重要指標(biāo)。在BCI實(shí)驗(yàn)中，系統(tǒng)通常會(huì)以十字符號(hào)或蜂鳴震動(dòng)作為信號(hào)，之后顯示設(shè)備會(huì)進(jìn)行隨機(jī)命令提示，被試用戶接收到命令提示后立即執(zhí)行提示的命令并以此控制BCI系統(tǒng)。以隨機(jī)命令提示作為開始計(jì)時(shí)時(shí)間節(jié)點(diǎn)，以BCI系統(tǒng)執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作結(jié)束為計(jì)時(shí)結(jié)束節(jié)點(diǎn)，計(jì)時(shí)時(shí)間即單次耗時(shí)。單次耗時(shí)越少則說明系統(tǒng)處理速度越快。

　　3.3 可提供命令數(shù)

　　可提供控制命令數(shù)是評(píng)價(jià)BCI-智能家居系統(tǒng)復(fù)雜程度的重要指標(biāo)。通常情況下，可提供命令數(shù)越多，BCI-智能家居系統(tǒng)的操作自由度就越高，場景控制功能就越加豐富。最基本的智能家居設(shè)備應(yīng)具備遙控開關(guān)的功能，以滿足日常家居生活的基本需求。

　　3.4 信息傳輸速率

　　傳統(tǒng)的信息傳輸速率用于定量評(píng)估通信通信系統(tǒng)的計(jì)算速率，2004年這一概念被引入腦機(jī)接口領(lǐng)域[38]。在BCI-智能家居系統(tǒng)中信息傳輸速率是一個(gè)綜合了準(zhǔn)確率、單次耗時(shí)和可提供命令數(shù)的客觀公正的指標(biāo)，用來評(píng)估單位時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)傳輸?shù)男畔⒘?，其單位通常為bits/min。

　　4. BCI-智能家居系統(tǒng)的控制范式

　　BCI范式是在BCI研究領(lǐng)域中普遍被研究者們所接受的固定流程與程序。在下文中將回顧應(yīng)用于智能家居系統(tǒng)的三種BCI控制范式，即P300范式、穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位（Steady-StateVisual Evoked Potential, SSVEP）范式和運(yùn)動(dòng)想象（MI，Motor Imagery）范式。

　　4.1 基于P300范式的BCI-智能家居系統(tǒng)

　　P300范式因被試者接受到視覺刺激后300毫秒左右會(huì)產(chǎn)生大小為5到10微伏的正向腦電波而得名[12]。典型的P300范式是基于怪球范式（oddball）設(shè)計(jì)的，即在大概率呈現(xiàn)的刺激序列中出現(xiàn)新異的小概率刺激，從而激發(fā)被試者對(duì)于這一刺激的P300腦電信號(hào)。這種腦電信號(hào)是事件相關(guān)電位（ERP，event-related potentials）的一種,在Pz，Cz和 Fz電極位置（國際10-20腦電帽系統(tǒng)）對(duì)應(yīng)的腦區(qū)中幅度較為明顯。

　　P300范式的重要優(yōu)點(diǎn)是，大多數(shù)用戶在訓(xùn)練較少的情況下就可以實(shí)現(xiàn)高精度的使用效果，并可以在幾分鐘內(nèi)對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)[13]。因此，基于P300范式的BCI-智能家居系統(tǒng)相關(guān)研究啟動(dòng)較早，并且這一研究方向也得到了許多研究者們的青睞。

　　早在2003年，Bayless就已經(jīng)使用P300組件在VR環(huán)境對(duì)虛擬公寓中的幾個(gè)對(duì)象和組件進(jìn)行控制。研究表明，沉浸在VR中的用戶和緊盯計(jì)算機(jī)顯示器的用戶之間的P300信號(hào)沒有明顯差異[14]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展及日益精細(xì)化的場景渲染，2009年，Guger Technologies公司與加泰羅尼亞理工大學(xué)的研究人員們使用P300范式在XVR（extreme VR, University of Pisa）系統(tǒng)智能家居實(shí)例中合作開發(fā)了一種新型人機(jī)交互界面。他們分別使用基于怪球范式的字符拼寫器和圖標(biāo)拼寫器實(shí)現(xiàn)了如位置移動(dòng)、開關(guān)門窗、播放音樂、撥打電話等上百種家居控制命令輸出。研究表明，VR系統(tǒng)與BCI系統(tǒng)的結(jié)合是一種測試家居環(huán)境的經(jīng)濟(jì)且高效的方法，同時(shí)VR環(huán)境有助于提升BCI系統(tǒng)的自由度和信息傳輸率[15]。之后，Carabalona等使用類似范式，以殘障人士作為被試用戶在真實(shí)場景下實(shí)現(xiàn)了對(duì)燈光、收音機(jī)、鈴鐺的控制，驗(yàn)證了P300-BCI-智能家居的現(xiàn)實(shí)可行性。研究發(fā)現(xiàn)，圖標(biāo)拼寫器較字符拼寫器效果較差，這可能是由于使用圖標(biāo)時(shí)用戶需進(jìn)行更多的認(rèn)知努力而導(dǎo)致的[16-17]。2011年，Edlinger等在在XVR系統(tǒng)中將SSVEP范式作為撥動(dòng)開關(guān)對(duì)P300范式進(jìn)行啟動(dòng)和停止的操控，進(jìn)一步的提高了P300-BCI-智能家居的可靠性[18]。2014年Kthner等基于P300范式設(shè)計(jì)了一種可以在娛樂功能和智能家居控制之間切換控制的多應(yīng)用BCI系統(tǒng)[19]。同年，Corralej等設(shè)計(jì)了一種擁有113個(gè)命令的P300-BCI-智能家居系統(tǒng)用以管理家庭中常見的八個(gè)真實(shí)設(shè)備，參與實(shí)驗(yàn)的15名殘障受試者中有8人達(dá)到了95%以上的控制精度，這及大的增加了殘障人士的生活自主權(quán)和生活獨(dú)立性[20]。2019年，Zhao等將自適應(yīng)貝葉斯線性判別（SA-BLDA，Self Adaptive Bayes Linear Discriminant Analysis）算法融入VR-P300-BCI-智能家居的信號(hào)分析系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了96.77%平均判定精度，并根美國航空航天局任務(wù)負(fù)荷指數(shù)（NASA RLX）量表對(duì)被試人員精神狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，結(jié)果表明這是一套高效、安全的系統(tǒng)[21]。

　　4.2 基于SSVEP范式的BCI-智能家居系統(tǒng)

　　日常生活中，人們的腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)無時(shí)不刻地在散發(fā)雜亂無章的自發(fā)性腦電波。但當(dāng)施加一個(gè)恒定頻率（1~100Hz）的外界視覺閃爍刺激時(shí)，中央視網(wǎng)膜上接收到的刺激就會(huì)與腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生諧振，從而出現(xiàn)一定模式的明顯腦電位變化，這就是SSVEP信號(hào)[22]。

　　SSVEP范式是一種可在無訓(xùn)練的情況下使用的范式，此外，SSVEP頻率可以比ERP更可靠地被分類。但是，持續(xù)閃爍的刺激可能會(huì)導(dǎo)致用戶迅速疲勞，這一現(xiàn)象主要集中在使用較低的閃爍頻率被使用時(shí)[23]。

　　2014年，趙麗等設(shè)計(jì)了以單片機(jī)作為控制模塊，LED燈光作為刺激器，單片射頻收發(fā)器作為信號(hào)傳輸裝置、繼電器作為家居開關(guān)控件的SSVEP-BCI-智能家居系統(tǒng)，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)臺(tái)燈等智能家電的控制，其單條指令響應(yīng)時(shí)間5秒以內(nèi)，正確率可達(dá)100%，傳輸控制距離可達(dá)50米，表明了基于SSVEP范式的BCI-智能家居的實(shí)時(shí)性與實(shí)用性[24]。2017年，Virdi等也基于離線SSVEP數(shù)據(jù)進(jìn)行了類似的試驗(yàn)[25]。Saboor等將SSVEP視覺刺激嵌入增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR，Augmented Reality）眼鏡中，并通過二維碼識(shí)別BCI要控制的設(shè)備，成功實(shí)現(xiàn)了電燈開關(guān)、電梯選層、咖啡機(jī)選擇等常見生活情景指令[26]。2019年，Park等在AR系統(tǒng)中測試了模式反轉(zhuǎn)棋盤刺激（PRCS，pattern-reversal checkerboard stimulus），閃爍刺激（FS，flicker stimulus）和生長收縮刺激（GSS，grow and shrink stimulus）三種類型的SSVEP刺激研究發(fā)現(xiàn)，相較于傳統(tǒng)的PRCS刺激和FS刺激，能以恒定頻率閃爍的同時(shí)將圖片以相同頻率從小（變大）變大（變?。┑腉SS刺激能更好的激發(fā)用戶的誘發(fā)電位。并基于這種刺激設(shè)計(jì)了以眨眼信號(hào)作為BCI開關(guān)的性能優(yōu)異的BCI-智能家居系統(tǒng)，信息傳輸速率可達(dá)37.4bits/min[27]。Puteze等則在AR系統(tǒng)中SSVEP的閃爍按鍵集成了功能文字描述等相關(guān)元素，設(shè)計(jì)了更容易被用戶接受的界面[28]。以上這些SSVEP-BCI-智能家居系統(tǒng)的測試用戶均為健康人，但其設(shè)計(jì)初衷是為了方便殘障人士的生活。為了使BCI技術(shù)更好的走向產(chǎn)業(yè)化和集成化，多電生理信號(hào)控制的混合范式逐漸走入人們的視野。2020年，Chai等將來自顳肌單通道的幾種特定的咬合肌電圖（EMG）信號(hào)與SSVEP集成以緩解視覺壓力，設(shè)計(jì)了一種含32個(gè)命令按鈕的智能家居系統(tǒng)，其中SSVEP用于識(shí)別預(yù)期命令選擇，EMG用來確定所選功能。對(duì)于五位癱瘓者用戶的實(shí)驗(yàn)，其平均目標(biāo)選擇準(zhǔn)群率和確定選擇準(zhǔn)群率分別達(dá)到83.6%和96.9%，二者結(jié)合實(shí)際控制準(zhǔn)確性可達(dá)100%[29]。Zhang等開發(fā)了一種面向智能家庭服務(wù)的多傳感器融合機(jī)器人系統(tǒng)，用戶可以通過SSVEP范式控制機(jī)器人完成目標(biāo)抓取的工作，并通過緊握牙齒產(chǎn)生的EMG信號(hào)控制機(jī)器人進(jìn)行定點(diǎn)自主導(dǎo)航[30]，提高了殘障用戶對(duì)BCI-智能家居使用的無障礙程度，對(duì)其生活品質(zhì)升級(jí)具有建設(shè)性指導(dǎo)意義。Yang等通過眨眼和SSVEP范式，僅使用單通道電極實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確率達(dá)96.92%的家庭自動(dòng)化控制，信息傳輸速率達(dá)到了驚人的146.67bits/min，極大的擴(kuò)展了BCI設(shè)備的便攜性[40]。

　　4.3 基于MI范式的BCI-智能家居系統(tǒng)

　　當(dāng)人們通過大腦幻想自我肢體運(yùn)動(dòng)但沒有實(shí)輸出實(shí)際運(yùn)動(dòng)時(shí)，C3和C4電極位置（國際10-20腦電帽系統(tǒng)）對(duì)應(yīng)的腦區(qū)會(huì)產(chǎn)生較為明顯的事件相關(guān)去同步（ERD，event-related desynchronization）和事件相關(guān)同步（ERS，eventrelated synchronization）電位[31]。這種基于ERD/ERS的特征模式解讀被試者意圖的實(shí)驗(yàn)范式被稱MI范式。

　　MI信號(hào)分類指令通?；谑植?、腳部動(dòng)作的想象運(yùn)動(dòng)，因此其分類指令集較少[32]，且與其他BCI范式相比信號(hào)分類準(zhǔn)確率較低[33]。在BCI-智能家居系統(tǒng)中通常與其他范式配合使用。Su等基于MI-P300混合范式設(shè)計(jì)了一套虛擬智能家居系統(tǒng)，用戶可以通過左右手與腳部動(dòng)作的MI控制虛擬現(xiàn)實(shí)場景中導(dǎo)航系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)與前進(jìn)，并通過P300范式控制電視頻道的切換與立體音響播放歌曲的選擇。與單一范式的BCI-智能家居系統(tǒng)相比，用戶可以在虛擬環(huán)境中通過類似的混合范式完成更復(fù)雜的任務(wù)[34]。2018年，范恩勝等通過左右方向想象的MI范式與Zigbee網(wǎng)絡(luò)傳輸成功控制了以電燈、 窗簾、 電扇為代表的智能家居電器的開關(guān)狀態(tài)，并得到了5秒左右的單次耗時(shí)和90%以上的操作正確率，這驗(yàn)證了基于單一MI范式的BCI-智能家居系統(tǒng)方案的可行性和穩(wěn)定性[35]。隨后李逸軒等在2020年也得到了類似的結(jié)果[36]。

　　5. 總結(jié)與展望

　　近年來，BCI技術(shù)的迅猛發(fā)展使人們實(shí)現(xiàn)可以通過意念控制周圍環(huán)境的夢(mèng)想。BCI-智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)初衷是使行動(dòng)困難的老人或殘障患者在日常起居中具有獨(dú)立生活的能力，其出現(xiàn)在提高殘疾人生活質(zhì)量的同時(shí)也豐富了普通民眾生活方式。

　　但時(shí)至今日，BCI-智能家居距離投入到實(shí)際家居生活運(yùn)作的商業(yè)化水平仍有一定差距。造成這一現(xiàn)象主要由于整體系統(tǒng)架構(gòu)集成度較差、智能家居智能程度欠缺、腦電信號(hào)識(shí)別準(zhǔn)確率浮動(dòng)較大等原因造成的。

　　目前，BCI-智能家居系統(tǒng)通常是由獨(dú)立的BCI系統(tǒng)和智能家居系統(tǒng)組成的驗(yàn)證性原型樣機(jī)，為提高其處理效率和便捷性，設(shè)計(jì)開發(fā)集成化嵌入式BCI-智能家居處理設(shè)備尤其重要。

　　已報(bào)道的BCI-智能家居系統(tǒng)的智能家居功能大多僅限于開關(guān)控制或?qū)Ш揭苿?dòng)等家庭自動(dòng)化業(yè)務(wù)。未來，BCI-智能家居系統(tǒng)可融合多傳感器技術(shù)，對(duì)家居室內(nèi)溫度、濕度、光強(qiáng)、煙霧濃度及BCI用戶習(xí)慣等相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)環(huán)境的自我調(diào)配、反饋和進(jìn)化，對(duì)提高BCI-智能家居系統(tǒng)的人工智能等級(jí)具有重大意義。

　　當(dāng)不同被試用戶使用同一BCI-智能家居系統(tǒng)時(shí)，得到的準(zhǔn)確率往往不同。其中一個(gè)重要的原因是，不同被試用戶對(duì)同一實(shí)驗(yàn)刺激范式的應(yīng)激反應(yīng)程度不同[27]。經(jīng)過專業(yè)算法分析及定制化服務(wù)，對(duì)不同用戶使用特定適宜的刺激范式，對(duì)BCI-智能家居系統(tǒng)的穩(wěn)定性有極大的幫助。

　　此外，現(xiàn)有的BCI-智能家居系統(tǒng)均基于獨(dú)立的虛擬現(xiàn)實(shí)場景或?qū)嶋H現(xiàn)實(shí)場景。近年來，隨著數(shù)字孿生（DW，Digital Twin）的概念被提出[39]，通過產(chǎn)品物理模型、多傳感器融合、產(chǎn)品運(yùn)行狀態(tài)及歷史等數(shù)據(jù)將現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品映射在虛擬場景中以反映實(shí)體產(chǎn)品的全生命周期過程的信息鏡像模型逐漸成為工業(yè)領(lǐng)域中新的研究熱點(diǎn)。將數(shù)字孿生技術(shù)與BCI-智能家居系統(tǒng)相結(jié)合，使用戶能夠通過虛擬場景映射實(shí)時(shí)獲得整個(gè)智能家居系統(tǒng)中各設(shè)備的狀態(tài)，并據(jù)此進(jìn)行下一步指令。這一新穎的領(lǐng)域和概念有望成為BCI-智能家居系統(tǒng)擴(kuò)展便捷度及自由度的新方向。

　　相信隨著人類對(duì)大腦機(jī)理的不斷探索，在不久的將來，BCI-智能家居系統(tǒng)可以真正的走入大眾的日常生活，人與家居的關(guān)系也會(huì)更加和諧健康。