К.ф.м.н. Ланина
Э.П., Нгуен Ба Тхай
Научный исследовательский Иркутский Государственный Университет
О структуре системы мониторинга психофизиологических параметров обучающихся
во время восприятия потока информации
Постановка задачи
Человек представляет собой сложную систему, обладающую высокой устойчивостью к внешним воздействиям. При превышении некоторых пороговых значений нагрузки, человеческая система, как и любая другая, дает сбой. Это справедливо как по отношению к физическим нагрузкам, так и по отношению к нагрузкам психическим. При обучении человек прилагает умственные усилия, которые могут приводить не только к усталости, но и к поражению некоторых функций организма. Влияние мыслительной деятельности человека на состояние его психофизиологических параметров недостаточно изучено в настоящее время. Тем не менее, процесс обучения проходит каждый человек. И у каждого этот процесс протекает по-разному, кто-то быстро воспринимает информацию, кто-то медленно. Развитие образования, использование электронных средств обучения приводит к тому, что обучение можно сделать адаптивным, подстраивающимся под параметры человека. Как это делать, какие параметры важно учитывать, как влияет процесс обучения на психофизиологические параметры человека, это вопросы, на которые мы надеемся получить ответ, разработав систему мониторинга состояния обучающихся в процессе обучения. В работе [1] рассматриваются основные подходы к проблеме математического моделирования работы адаптивной системы мониторинга, анализа и управления процессом обучения, учитывающей основные психофизиологические характеристики обучаемых. Полагается, что система должна строиться на общих принципах теории управления c учетом обратной связи обучаемого объекта с процессом обучения.
На основе такого подхода была предложена структурная схема адаптивной системы мониторинга, анализа и управления процессом обучения (рис.1.).
Рис.1. Структура адаптивной системы мониторинга, анализа и управления
процессом обучения
Остановимся на двух блоках этой структуры. Сегодня нас интересует система датчиков в блоке объект обучения, и блок – система мониторинга.
Выбор технологической платформы для построения системы
мониторинга
В настоящее время в системах мониторинга для сбора и
передачи информации, полученной с датчиков, широко применяются беспроводные
технологии. Кабельные системы привязывают датчик к прибору регистрации. Это
позволяет получить более качественные сигналы без значительных помех, но
ограничивает мобильность датчиков. В тоже время, нам все чаще требуются
аппаратные средства для наблюдения за состоянием спортсменов, больных, не
привязанных к постели или, как в нашем случае, для наблюдения изменения
психофизиологических параметров обучающихся во время восприятия потока информации.
В частности, нашей работе рассматриваются возможности применения беспроводных
технологий для мониторинга состояния группы обучающихся в процессе обучения.
Для обработки аналоговых данных, получаемых с
датчиков, необходимо преобразование их в цифровую форму и передача по
беспроводному интерфейсу на компьютер, где цифровые данные будут обработаны и преобразованы
в визуальную форму для наблюдения и исследования полученных сигналов.
Техническое
решение
Разрабатываемая система имеет
структуру, приведенную на рис 2.
Рис. 2. Структура беспроводной сети
Беспроводные сенсорные узлы выполняют нормализацию и аналого-цифровое преобразование (АЦП) сигналов, поступающих от подключенных к ним датчиков сопротивления (ЭКС). Оцифрованные данные в виде пакетов передаются по радиоканалу контроллеру. Полученные данные контроллер передает в компьютер. В компьютере фиксируется время приема пакета, осуществляется программная обработка полученных данных и визуализация временных диаграмм.
Выбор датчика и
преобразователя
Для оценки психофизиологического
состояния измеряется кожно-гальваническая реакция, так как эта
реакция отражает мыслительную деятельность человека. Как показали эксперименты [2] с непрерывной многосуточной
деятельностью испытуемых, “уровень сигнала кожно-гальванической реакции у
одного и того же испытуемого, в зависимости от его физического состояния, может
изменяться в 100 и более раз. В соответствии с экспериментальными данными,
можно условно принять, что у большинства испытуемых в невозбужденном состоянии
величина сопротивления определяется в области 100 кОм. А поскольку реально
достижимая точность измерений при этом не превышает 1%, то 1 кОм удобно принять
за единицу для оценки КГР”.
В качестве датчика будем использовать электроды, выполненные из фольги и закрепляемые на пальцах испытуемых.
Для
преобразования аналоговых сигналов электрокожного сопротивления в цифровую
форму выбрана микросхема AD5933.
Выбор приемопередатчика
RFD21733 - готовый к использованию радио-модуль компании RF Digital Corporation, с диапазоном 2,4 ГГц на базе нового трансивера nRF24LE1, со встроенной антенной. Благодаря встроенному интерфейсу RFDP8, эти модули легко конфигурируются под требования пользователя без использования дополнительного программного обеспечения.
С их помощью реализуются различные схемы организации связи типа точка-точка, точка-многоточие, звезда. Они могут применяться как для передачи данных, так и для простого удаленного управления без использования внешних компонентов.
Выбор контроллера
В качестве базовой станциии, отвечающий за управление сенсорами, прием и накопление данных используем плату Arduino Mega 2560.
Плата Arduino Mega построена на микроконтроллере ATmega2560 и имеет 54 цифровых входа-выхода, 16 аналоговых входов, 4 последовательных порта UART, кварцевый генератор 16 МГц, USB коннектор, разъем питания, разъем ICSP и кнопку перезагрузки. Связь модуля с компьютером осуществляется посредством кабеля USB.
Функции компьютера
Программное обеспечение комплекса должно содержать
программы автоматической обработки полученных данных и анализа состояния
каждого обучающегося в процессе обучения в режиме реального времени или близком
к нему.
Заключение
На кафедре вычислительной техники ИрГТУ были проведены первые эксперименты с измерением электро-кожного сопротивления, однако результаты экспериментов рано комментировать, необходимо работать над выделением сигнала на уровне помех и программной обработкой сигнала для его интерпретации, разработать систему калибровки измерителя. При модернизации системы мониторинга необходимо учесть результаты, полученные в работе [2], было обнаружено, что при измерениях кожно-гальванической реакции с низким значением электро-кожного сопротивления, величина электрического тока через кожу возрастает настолько, что получаемый сигнал искажается а у испытуемых с большим значением электрокожного сопротивления, такая же величина напряжения на датчиках оказывается недостаточной для обеспечения необходимой точности измерений, связанной, прежде всего с помехами от электрической сети.
Таким образом, определен круг вопросов, которые необходимо решить для продолжения работы в данном направлении.
Литература
1. Э.П. Ланина. О проблеме математического моделирования работы адаптивной системы мониторинга, анализа и управления процессом обучения, учитывающей основные психофизиологические характеристики
2 . В.В.Суходоев. Модифицированная методика
измерений и оценки кожно-гальванических реакций человека. URL: http://www.osoznanie.biz/info /concept_ n_5.pdf