Описание переделки белой нейрогарнитуры NeuroSky MindWave в совместимую с Android и Windows

     На этой странице приведена инструкция для мастеров по ремонту микроэлектроники по переделке белой немобайловой нейрогарнитуры NeuroSky MindWave в совместимую с устройствами Android и Windows (без обеспечения совместимости с устройствами iOS и MacOS). Общие вопросы ЭЭГ-медитации и различные приложения рассматриваются в этой статье.

     Многие пользователи по разным причинам приобрели белую немобайловую нейрогарнитуру NeuroSky MindWave. Во-первых, до 2019 года она долгое время была дешевле – примерно $80 вместо $100 за чёрную нейрогарнитуру NeuroSky MindWave Mobile. Во-вторых, много лет на AliExpress продавалась только такая белая нейрогарнитура (чёрная мобайловая там отсутствовала), и, с учётом доступности доставки во все страны мира и большего количества доступных способов оплаты многие были вынуждены купить там белую немобайловую нейрогарнитуру, так как предложения продавцов на Amazon и Ebay обычно имеют соответствующие ограничения.

     Самый существенный недостаток белой нейрогарнитуры – она не совместима с мобильными устройствами Android и iOS. Ранее это не было настолько критичным недостатком, но, после появления бесплатного приложения «ЭЭГ-Медитация» для Android (впоследствии появились похожие бесплатные приложения для Windows и iOS) и особенно после появления увлекательного бесплатного приложения «Маленький Будда» для Android многие интересующиеся медитацией обладатели белой нейрогарнитуры NeuroSky MindWave хотели бы использовать эти приложения.

     В данной статье предлагается способ переделки (за $3 + работа) белой нейрогарнитуры в частично мобайловую – совместимую с Android и Windows, но без обеспечения совместимости с устройствами iOS и MacOS. Сразу хочу сказать, что такую переделку должен выполнять квалифицированный мастер по ремонту микроэлектроники, который имеет опыт использования паяльника и хорошо понимает, что он делает. В противном случае есть высокий риск повредить имеющуюся нейрогарнитуру и, соответственно, не получив андроидно-виндосовскую версию, остаться даже без белой виндосовской. Совместимость с iOS в нейрогарнитуре NeuroSky MindWave Mobile обеспечивается специальным управляющим соединением чипом, который каждый производитель гарнитур и устройств с блютусом версии 2 или 3 был вынужден заказывать со своими отличительными характеристиками у компании Apple (стоимость за штуку около $5). Совместимость с iOS в нейрогарнитурах версий NeuroSky MindWave Mobile+ и NeuroSky MindWave Mobile 2 с блютусом 4-й версии обеспечивается без специального чипа – за счёт многочисленных алгоритмов управления соединением ("сервисов"), реализованных в программируемом контроллере блютуса. К сожалению, информации об этих сервисах в открытом доступе нет, что не позволяет сделать самому нейрогарнитуру, совместимую с имеющимися приложениями для iOS.

     Себестоимость переделки, не считая трудозатрат опытного мастера по ремонту микроэлектроники, составляет примерно $3 или чуть больше. Она включает в себя покупку блютус-модуля SPP-C (имеется здесь примерно за $2), преобразователя USB-TTL PL2303 (имеется здесь примерно за $1; нужен только на несколько минут для обязательного перепрограммирования блютус-модуля SPP-C со стандартной скорости 9600 бод на 57600 бод, а также для необязательной смены названия блютус-модуля и пин-кода сопряжения), а также любого небольшого светодиода (например, синего цвета; примерно $0.1) и резистора сопротивлением около 330 Ом 0.125 Вт (номинал может отличаться в несколько раз; примерно $0.05).

     Кроме того, потребуются тонкие многожильные провода в изоляции, термоусадочный кембрик, паяльник, припой, канифоль и умение за короткое время припаивать и выпаивать мелкие детали. Перечисленное в последнем предложении не нужно, если у вас есть возможность обратиться к мастеру по ремонту микроэлектроники, который проделает всю эту работу за вас примерно за 5-10 минут.

     Также имеется возможность сделать подобную совместимую с Android и Windows нейрогарнитуру из отдельных покупных модулей и деталей, минимальная себестоимость которых вместе с контактами-сенсорами и прочим составит около $50, подробнее об этом рассказано в конце статьи. Нечто похожее на такую конструкцию продают китайцы здесь, но без элементов крепления всей конструкции на голове, в варианте с двумя неудобными и ненадёжными клипсами вместо одной, со слабым экранированием кабелей от электродов и преобразователем DC-DC сравнительно низкого качества, из-за чего сравнительно часто теряются отдельные данные.

     Далее описана необходимая последовательность действий для переделки нейрогарнитуры NeuroSky MindWave.

     1. Для подобной переделки подходит только блютус-модуль SPP-C (всевозможные распространённые блютус-модули вроде HC-05 и HM-10 и все остальные не подходят в данном случае вообще никак). Необходимо подпаять 4 очень тонких (желательно многожильных) провода к блютус-модулю SPP-C к контактам 1, 2, 12 и 13 для того, чтобы подключить его к преобразователю USB-TTL PL2303 для перепрограммирования блютус-модуля (см. фото ниже). Впоследствии желательно будет подпаять ещё 2 провода к контактам 22 и 24 для подключения светодиода с резистором. Делать это надо очень аккуратно и быстро, так как контактные площадки на торце модуля держатся сравнительно слабо, и именно поэтому необходимо использовать очень тонкие и желательно многожильные провода, чтобы толстый одножильный провод случайно не отломал контактную площадку от модуля. Затем необходимо подпаять эти тонкие провода к более толстым кабелям Dupont, которые используются для Arduino, с разъёмом «мама» на их концах. Если припаять провода кабеля Dupont непосредственно к модулю блютуса, то они отломают его контактные площадки или сразу, или в процессе монтажа в корпус нейрогарнитуры.

Модуль блютуса SPP-C

     2. Необходимо подключить модуль блютуса к разъёмам преобразователя USB-TTL PL2303. Провода от контактов 1, 2, 12 и 13 модуля блютуса SPP-C необходимо подключить к контактам RXD, TXD, 3V3 и GND преобразователя USB-TTL PL2303 соответственно. Очень важно не перепутать провода, в том числе не перепутать контакт 3V3 с +5V. Обратите внимание, что контакт RxD одного модуля подключается к контакту TxD другого модуля, и наоборот. Это особенность подключения портов COM друг к другу.

Модуль блютуса SPP-C, подключённый к преобразователю USB-TTL PL2303

     Для перепрограммирования модуля блютуса посредством подачи AT-команд можно воспользоваться одной из различных бесплатных утилит из интернета, но, если вы не хотите рисковать подцепить при этом компьютерный вирус, то можно установить бесплатную среду Arduino, в которой есть сервисная утилита «Монитор порта».

Интерфейс среды Arduino

     Если вы приобрели совершенно новый блютус-модуль SPP-C, то скорость порта COM у него по умолчанию составляет 9600 бод, и необходимо подавать символы NL и CR в конце каждой AT-команды. Эти значения нужно выбрать в утилите «Монитор порта» так, как показано на скриншоте. Проверить работоспособность модуля можно подачей команды AT+PIN, после чего он выдаст в ответ текущий PIN-код, который у нового модуля равен 1234.

Интерфейс утилиты "Монитор порта" среды Arduino с базовыми настройками

     Действительно необходимая AT-команда, которую необходимо подать на модуль, только одна – это AT+BAUD7 (её необходимо набрать именно так – AT+BAUD7 – и нажать Enter) для изменения скорости порта COM на новое значение 57600 бод. Именно с такой скоростью передаёт данные модуль TGAM. После подачи этой команды необходимо изменить в утилите «Монитор порта» скорость порта для работы с модулем на 57600.

Интерфейс утилиты "Монитор порта" среды Arduino с установленными настройками модуля Bluetooth

     Также дополнительными командами можно изменить название модуля и PIN-код. Для смены названия со стандартного SPP-CA на, например, MindWaveA необходимо подать команду AT+NAMEMindWaveA, а для изменения PIN-кода со стандартного значения у нового модуля 1234 на 0000, которое используется во всех блютусных нейрогарнитурах NeuroSky, необходимо подать команду AT+PIN0000. После каждой поданной команды модуль должен возвращать в ответ новое установленное значение. После успешной подачи этих команд преобразователь USB-TTL PL2303 больше не нужен.

     В последние месяцы 2020 года оригинальные блютусные модули SPP-C без колодки, используемые для переделки белой нейрогарнитуры в андроидно-виндовую или для изготовления нейрогарнитуры из отдельных модулей, практически исчезли из продажи как на aliexpress, так и в магазинах других стран. Этот продавец https://aliexpress.ru/item/32610584199.html практически последний, и даже он в январе отменил заказ на эти модули.

     В то же время многие продавцы (и китайские, и на prom.ua) под видом оригинального модуля SPP-C в последние месяцы начали отправлять другой модуль – не на чипе BK3231, а на чипе BK3432 с другим расположением элементов на плате. Некоторые пользователи сообщают, что модули не поддерживают все AT-команды, например, здесь: https://aliexpress.ru/item/32741840718.html.

Модуль блютуса SPP-C на чипе BK3432

     Мне удалось проверить этот новый модуль (очень похожий на китайский по ссылке выше, отличающийся только расположением двух конденсаторов и одного резистора ближе к антенне, см. фото), и выяснилось, что распиновка и основные AT-команды совпадают – изменение скорости на 57600 бод командой AT+BAUD7, изменение названия модуля при сопряжении – AT+NAMEMINDWAVE, изменение пароля при сопряжении – AT+PIN0000. Заводские настройки модуля – скорость 9600 бод, добавлять CR + LF в конце каждой AT-команды.

     При подключении к модулю TGAM он оказался работоспособной заменой старой версии модуля SPP-C, нейрогарнитура с таким модулем блютуса работала.

     У многих продавцов висит фото старого модуля на чипе BK3231, и он даже упоминается в текстовом описании, но на деле они уже отправляют модули на чипе BK3432. Если это случится, не переживайте, новая версия модуля полностью подходит для переделки белой нейрогарнитуры на андроидно-виндовую версию, или для изготовления нейрогарнитуры из отдельных модулей.

     После успешного перепрограммирования модуля блютуса можно перейти к более ответственному этапу разборки и переделки нейрогарнитуры.

     Внимание! Если вы никогда не паяли микроэлектронику, то ни в коем случае не разбирайте нейрогарнитуру сами.

     3. Для разборки нейрогарнитуры необходимо вначале поддеть очень тонкой плоской отвёрткой (или чем-то похожим) выступающий со стороны отсека батарейки край каплевидной синей пластиковой наклейки с надписями, за этот поддетый край с усилием оттянуть и отклеить её, после чего открутить 4 шурупа маленькой крестовидной отвёрткой и снять верхнюю крышку, подцепив её за край со стороны отсека батарейки. После этого также можно полностью вытащить и убрать в сторону верхнюю дужку (см. фото).

Нейрогарнитуры NeuroSky MindWave со снятой крышкой

     Затем необходимо осторожно и аккуратно, не задев и тем самым не повредив крошечные детали микроэлектроники на плате, открутить очень маленькой крестовидной отвёрткой 2 крошечных шурупа, которые крепят припаянные друг к другу 2 печатные платы к корпусу нейрогарнитуры.

     4. Далее будет один из самых трудных этапов – необходимо отпаять радиомодуль от базовой платы нейрогарнитуры. В идеале для этого нужен паяльник с ровным жалом с длиной залуженной части 10 мм. При определённой сноровке это можно проделать с любым паяльником, сравнительно быстро двигая жалом по ряду разъёмов радиомодуля и одновременно отгибая и отделяя его от базовой платы. Радиомодуль не приклеен к ней, он держится только за счёт одиночного ряда восьми припаянных контактов.

     Если не отпаять радиомодуль, то мощности преобразователя напряжения с 1.5 В до 3.3 В не будет хватать на оба радиомодуля – штатного и нового блютуса, и в результате напряжение будет заметно проседать много раз в секунду, создавая пульсации и помехи ЭЭГ-модулю TGAM, что будет искажать данные ЭЭГ и ускоренно расходовать запас батареи.

Радиомодуль с рядом контактов выделен красным цветом, также стрелкой обозначен светодиод D1.

     Также можно отпаять светодиод D1 с базовой платы. Если удастся отпаять его и при этом не повредить, то его можно будет использовать для подключения к модулю Bluetooth для световой индикации работы, но для этого понадобится специальное двустороннее жало паяльника, которое стоит намного дороже нового светодиода.

     Если вы отпаяли светодиод D1 с базовой платы, то следует подпаять новый (или сохранившийся старый) светодиод с резистором 330 Ом 0.125 Вт к 24 и 22 пинам блютус-модуля SPP-C.

     5. Далее необходимо подпаять модуль блютуса к 3 контактам на модуле TGAM. Круглые контакты "Т" и "V" и квадратный контакт в центре снизу, как показано на рисунке далее, необходимо подпаять тонкими проводами к пинам (контактным площадкам) 2, 12 и 13 блютус-модуля SPP-C соответственно. Следует отметить, что имеющийся преобразователь напряжения DC-DC в нейрогарнитурах NeuroSky MindWave выдаёт не 3.3 В, а примерно 2.8 В. Тем не менее, нейрогарнитура хорошо работает и при таком напряжении, в том числе и в переделанной версии.

     Кроме того, раз уж вы решились разобрать модуль, весьма желательно запаять перемычку 50/60 Гц заградительного фильтра помех бытовой сети. На рисунке внизу она подписана, для положения 60 Гц (США) необходимо соединить перемычкой первый прямоугольный контакт со средним круглым, для положения 50 Гц (Евразия) необходимо соединить перемычкой два круглых контакта справа. В последней версии R2.9 модуля TGAM к этим трём контактам добавлен ещё один (4-й) справа. Его предназначение неизвестно, в самой схеме он не задействован, и данный модуль встречается только в нейрогарнитурах последних версий NeuroSky MindWave Mobile+ и NeuroSky MindWave Mobile 2, которые не нуждаются в переделке.

3 контакта на модуле TGAM для соединения с модулем блютуса, и перемычка 60/50 Гц

     Переделанное устройство будет выглядеть примерно так, как показано на фотографиях ниже. Модуль блютуса для обеспечения электрической изоляции можно обмотать небольшим куском полиэтиленового пакета, зафиксировав его скотчем, или же зафиксировать его клеевым пистолетом так, как это сделали китайцы на фото. В любом случае его необходимо разместить под основной платой устройства.

Переделанная нейрогарнитура NeuroSky MindWave, виден светодиод с резистором	Переделанная нейрогарнитура NeuroSky MindWave
Вариант переделки нейрогарнитуры китайцами. Светодиод D1 выпаян с платы и припаян непосредственно к контактам 22 и 24 блютус-модуля снизу.

     Также в рамках улучшения нейрогарнитуры NeuroSky MindWave можно ослабить давление верхней дужки на голову. Для этого можно взять нейрогарнитуру за основную часть корпуса (на которой размещён выключатель и синяя наклейка), упереть конец верхней дужки с круглой резиновой накладкой в верхнюю часть края стола и сравнительно сильно изогнуть её в обратную сторону, тем самым сделав её не настолько изогнутой, после чего подержать нагретый паяльник примерно минуту в 1 см под дужкой (ни в коем случае не касайтесь паяльником дужки) примерно в 5-10 см от конца дужки. После того, как дужка начнёт немного деформироваться в результате нагрева в таком положении, необходимо убрать паяльник и подержать дужку в том же положении ещё минуту или чуть дольше, пока она не остынет.

     При необходимости можно повторить эту процедуру несколько раз в разных местах дужки, чтобы сделать новый менее крутой изгиб более плавным.

Ослабленная верхняя дужка нейрогарнитуры по сравнению с исходной

     Если у вас слишком жёсткая клипса (прищепка) для мочки уха, то и её усилие можно ослабить, вытащив металлический штифт из клипсы, достав пружину (она похожа на пружину в обычной прищепке) и ослабив её сильным растяжением. Слишком слабой её делать нельзя, так как это ухудшит качество контакта двух её электродов с кожей, что ухудшит качество сигнала ЭЭГ.

     Практически идеальная во всех отношениях версия нейрогарнитуры для практики медитации, в которой ничего не нужно менять и улучшать – это NeuroSky MindWave Mobile 2, появившаяся в 2018 году.

     Также возможно собрать совместимую с Android и Windows нейрогарнитуру из трёх отдельных модулей – модуля TGAM (последняя версия 2.9 имеется здесь примерно за $40), блютус-модуля SPP-C (имеется здесь примерно за $2, также потребуется преобразователь USB-TTL PL2303 для перепрограммирования модуля) и DC-DC преобразователя 1.5В–3.3В (наилучший вариант имеется здесь примерно за $3). Также понадобятся 3 электрода (включая клипсу для мочки уха с двумя электродами) с экранированными проводами для их подключения, отсек для батарейки, выключатель, светодиод с резистором и самодельная конструкция (например, сшитая из растягивающихся лент повязка или «шапочка») для крепления собранной нейрогарнитуры на голове. Отсек с аккумуляторами скорее всего придётся размещать над верхней частью головы во избежание постоянного крошечного смещения лобного электрода из-за давления массы отсека на конструкцию при размещении его сбоку. Такое постоянное крошечное смещение электрода приводит к артефактам и помехам ЭЭГ, что снижает достоверность их первичных данных.

     При самостоятельном изготовлении нейрогарнитуры проще и дешевле не собирать её из отдельных модулей, а переделать нейрогарнитуру Mindflex Duel.

     P. S. В ранних экспериментах использовался более дешёвый преобразователь DC-DC. К сожалению, при использовании данного преобразователя выходное напряжение многократно меняется каждую секунду в диапазоне 3.22-3.23 В, что приводит к недостоверным данным модуля TGAM из-за "модуляции" помехами через напряжение питания. Конденсатор на 470 мкФ на выходе преобразователя ситуацию частично улучшил, но проблему всё равно не решил, так как данные подобной нейрогарнитуры были довольно неадекватные (судя по стабильным ментальным ощущениям в медитации) и дёрганные. Преобразователь выдаёт многократно меняющееся каждую секунду выходное напряжение в диапазоне 3.22-3.23 В, а потребляемый от аккумулятора ток меняется много раз в секунду в диапазоне значений от 142 мА до 165 мА. После добавления конденсатора на 470 мкФ на выходе преобразователя, выполняющего роль буфера, потребляемый ток также менялся много раз в секунду в диапазоне значений от 128 мА до 152 мА. Раз в несколько минут происходит обрыв связи по таймауту (даже с конденсатором), но потом при нажатии на Start нейрогарнитура соединяется и работает снова от этого же аккумулятора, причём он был практически полностью заряженный и новый. Для модуля TGAM необходимо стабильное напряжение, при этом его значение может быть любым в диапазоне 2.8-3.3 В (но при этом стабильным). Хорошая реакция нейрогарнитуры на ментальное состояние получается, если поставить прямо на выходе преобразователя на его контакты конденсатор на 1000 мкФ (между "+" и "–"), потом +3.3 В завести двумя отдельными проводами: один прямо на питание модуля блютуса (12-й пин), второй через диод Шоттки SR108 на питание модуля TGAM, поставив ещё один конденсатор на 1000 мкФ после диода на "+" и "–" питания. В такой конфигурации схема работает на голове без таймаута как минимум полчаса, правильно (как обычная нейрогарнитура) реагируя на ментальное состояние. Диоды Шоттки отличаются от кремниевых меньшим падением напряжения на них – в данной реализации при данном потребляемом токе падение напряжения составляет 0.35 В, и на модуль TGAM поступают вполне достаточные для его работы 2.88 В (примерно как в исходной схеме белой нейрогарнитуры). Такая схема с диодом и конденсатором после него позволяет снизить влияние бросков потребляемого блютусом тока на питание модуля TGAM, что позволяет избежать модулирования помехами его сигналов по цепям питания. Первый конденсатор после преобразователя положительно влияет на отсутствие таймаутов гарнитуры, создавая буферный запас для бросков потребляемого блютусом тока с учётом относительной маломощности преобразователя.

     Ещё одним из вариантов решения проблемы может быть использование в качестве источника питания трёх последовательно соединённых аккумуляторов на 1.2 В с добавлением диода для снижения выходного напряжения (замеры показали, что у трёх аккумуляторов напряжение получается 4.0 В, и соответственно нужен кремниевый, а не германиевый или диод Шоттки; подойдёт, например, 1N4007 с падением напряжения под данной нагрузкой около 0.7 В), что позволит обойтись без преобразователя напряжения.

Нейрогарнитура из отдельных модулей

     Описание изготовления своими руками из отдельных модулей нейрогарнитуры NeuroSky MindWave, совместимой с Android и Windows.

     Описание переделки нейрогарнитуры Mindflex в NeuroSky MindWave, совместимую с Android и Windows.

     Медитация с использованием обратной нейросвязи с помощью ЭЭГ NeuroSky MindWave Mobile – ускоренное самостоятельное изучение медитации. Общие вопросы ЭЭГ-медитации.

     Подробные описания ритмов, используемых в приложении Brainwave Visualizer, и примеры уровней ритмов при высоких значениях внимания и медитации.

     Вопросы и ответы по нейрогарнитуре NeuroSky MindWave Mobile в контексте практики медитации.

     Обзор приложения NeuroExperimenter (НейроЭкспериментатор).

     Обзор приложения «ЭЭГ-медитация» для Android для гарнитуры NeuroSky MindWave Mobile для практики медитации.

     Обзор приложения «ЭЭГ-медитация» для iOS для гарнитуры NeuroSky MindWave Mobile 2 для практики медитации.

     Обзор приложения «ЭЭГ-медитация» для Windows для гарнитуры NeuroSky MindWave (а также для Mobile) для практики медитации.

     Бесплатное приложение "Маленький Будда" для нейрогарнитур NeuroSky для Android.

     Обзор приложения Meditation Journal (Журнал медитации).

     Ведь можно учиться медитировать и без ЭЭГ-гарнитуры? Конечно можно. Но с гарнитурой лучше.

     "Как медитация меняет ваш мозг и вашу жизнь". Дэниел Гоулмен и Ричард Дэвидсон.

     Описание версий нейрогарнитур калифорнийской компании NeuroSky и китайской Sichiray.

     Сравнение ЭЭГ-гарнитур с точки зрения медитации: NeuroSky, Muse, Melomind, EMOTIV EPOC+, EMOTIV Insight и Neeuro SenzeBand.

     Любительский электроэнцефалограф проекта OpenEEG.

     Meditation with biofeedback using the electroencephalograph gadget NeuroSky MindWave Mobile, or accelerated self-study of meditation.

     The free 'EEG Meditation' app for Android.

     Windows PC version of this "EEG Meditation" app for white and black headsets.