本實用新型屬于身份安全驗證領域，基于智慧衣這種可穿戴設備來提供用戶的身份驗證信息，是一種身份安全與可穿戴設備智慧衣相結合的實用新型。

背景技術：

在過去十年中，利用心電圖在生物識別的研究的數量不斷增加。心電圖唯一性的特點使得它非常適合識別領域。然而，盡管在文獻中所找到用于識別的方法甚多，但是對于一直都能找到最適當的方法。而且對于如何在實踐中充分利用ECG信號特性也沒能找到完美的解決方案。目前主流的身份驗證手段主要集中在人臉識別驗證和指紋識別驗證領域。

蘋果手機的Touch ID就是用于指紋用于身份驗證的例子，事實上，指紋并不那么可靠，最近有用戶利用指紋貼成功解鎖，另一種方案是人臉識別，這種方法受到光照，樣本集，邊緣問題的影響較大，而且人臉識別系統(tǒng)的工作過程大多基于靜止圖像，通過與人臉數據庫的比對來進行人臉識別，適用于實時性要求不高的場景?；谝曨l的人臉識別，則需要動態(tài)的從視頻中提取出靜態(tài)圖像，進而實現人臉識別，它的過程較為復雜而且對系統(tǒng)的計算能力和內存開銷要求較高。不適合大數據時代的要求，而且準確度難以把控。

而最近新出現的身份驗證手段-ECG身份驗證逐漸得到廣泛的重視，ECG身份識別作為生物識別技術，是利用統(tǒng)計方法根據用戶的生理和行為特征進行識別的技術。它主要用于解決訪問控制的問題，提供了比現有的認證方法更可靠、更安全的替代品。在過去十年中，心電圖(ECG)已被確認為適合于身份識別的體征數據。使用ECG心電圖進行識別具有其獨特的優(yōu)勢：在生物識別技術中心電圖是具有普遍性并且很難偽造。在整體精度的測量中，我們計算了驗證方案的識別率和錯誤率的加權平均值。識別率的結果和錯誤率分別為94.95％，0.92％。

技術實現要素：

本實用新型提供了一種基于ECG信號的身份驗證智慧衣，將智慧衣與ECG信號的身份驗證技術相結合，達到準確率極高的身份識別，可以很完美地解決現有技術存在的實時性、準確性不高的缺陷。

本實用新型提出的一種ECG身份驗證智慧衣，包括衣服、紡織干電極、ECG信號處理系統(tǒng)和終端，其中：

所述衣服主要成分為紡織材料及編織于其內的導電纖維，作為ECG信號處理系統(tǒng)的載體；

所述終端為個人終端或云平臺，用于處理身份識別裝置發(fā)出的請求，并將身份驗證結果發(fā)送回ECG信號處理系統(tǒng)；

所述紡織干電極左右各設一個，其由柔性導電纖維制成，兩塊干電極分別縫合在衣服內靠近胸部的左右兩側，用于接觸人體，采集人體ECG信號；

所述ECG信號處理系統(tǒng)包括數據處理模塊、數據存儲模塊、通信模塊、身份驗證模塊、警報模塊和電源模塊；這些模塊共同協作完成整個身份識別過程；其中：所述數據處理模塊，用于對紡織干電極采集的ECG原始信號進行去噪，以保證測量結果的準確性；

所述數據存儲模塊，用于保存數據處理模塊處理后的ECG信號；

所述身份驗證模塊，用于對數據處理模塊去噪處理后的ECG信號進行分析，提取特征數據，傳給通信模塊；由通信模塊與遠端數據庫進行匹配并得出相應結果；

所述通信模塊與終端通信連接，用于完成ECG信號處理系統(tǒng)與終端的數據傳輸，將身份驗證模塊提取的特征數據與終端數據庫進行匹配，得到驗證結果，并將結果傳回通信模塊；

所述警報模塊與通信模塊相連，收到驗收通過消息時，發(fā)出驗收通過信號；收到驗收未通過信號時，發(fā)出驗證未通過信號。

進一步的，所述電源模塊為薄型電池模組，其包括電池本身和電極；所述電池通過按扣裝在衣服外側，所述電極為柔性導電纖維組成的高舒適度的紡織干電極，該紡織干電極集成在衣服內側。

進一步的，所述ECG信號處理系統(tǒng)的與衣服外側通過按扣相連接，以方便ECG信號處理系統(tǒng)的安裝與拆卸。

進一步的，所述身份驗證模塊所提取的特征值包括周期、波峰值和波谷值。

進一步的，所述通信模塊和終端之間，采用有線、藍牙或WIFI技術實現。

進一步的，所述身份驗證模塊包括下述依次通過信號連接的子模塊：

(1)濾波去噪子模塊：使用濾波公式Y₁＝0.985*(X₁-X₀+Y₀)對初始信號進行濾波，去掉偏離平均值20％的數據；X₀,Y₀初始值均為0。公式中Y₁表示本次處理的濾波結果，Y₀表示上一步的濾波中間值，X₁表示本次的濾波結果，X₀表示上一步濾波的中間值；

(2)消除干擾子模塊：采用0.05Hz到100Hz的帶通IIR濾波器完成濾波，消除基線漂移、工頻干擾、肌電干擾和電磁噪聲帶來的干擾；

(3)求特征值子模塊：求出濾波后的訓練數據的特征值，包括平均值、協方差矩陣和協方差矩陣特征值，操作如下：

計算平均值

其中是事先采集的ECG信號訓練樣本集,M＝N*K表示樣本總數，i＝1,2,…,N，N表示訓練集合中的總體人數，也即是要區(qū)分的類別數，j＝1,2,…,K,K表示每個用戶的ECG信號數據個數，表示第i個人的第j個ECG信號數據；

計算協方差矩陣M_w，

求出訓練樣本協方差矩陣的特征值λ_i，i＝1,2…p；p是協方差矩陣特征值的個數；選取最大特征值對應的正交特征向量X₁…X_p作為投影空間，正交特征向量由公式λM_w＝XM_w求得，其中λ為特征值，X為特征向量；

將所有的訓練樣本向X₁…X_p空間上投影，得到投影后矩陣

(4)求協方差矩陣子模塊：求出協方差矩陣的類間離散度矩陣S_b；采用LDA方法，公式如下：

式中矩陣S_b維度為N*K；利用特征分解的方法尋找最佳投影矩陣：

S_bX_i＝λM_wX_i

其中，X_i為正交特征向量，λ為矩陣M_wX_i所對應的特征值，按照公式λM_wX_i＝wM_wX_i，求出所對應的特征向量組w₁…w_p及其構成的投影矩陣W；

將樣本向投影矩陣w投影得出投影特征矩陣Ω＝W^TY

Ω_j＝[Ω_j(1)…,Ω_j(p)]；

(5)識別子模塊：設測試樣本為Q，向第(4)步中最大特征值對應的正交特征向量組投影如下公式得到矩陣N＝Q^TX,將N向投影特征矩陣W投影，得到L＝N^TW；利用最近鄰分類器對矩陣Ω和L進行分類判別，以得出分類結果，得到通過與不通過兩類結論。

本實用新型具有的優(yōu)點和積極效果是：利用ECG生理信號和智慧衣等新型技術，實現除人臉識別，指紋識別的第三種身份認證—ECG身份驗證，本實用新型成本低廉，身份認證級別高，0.49％的錯誤率使得本產品能很好的處理日常的安全身份認證需求。并且通過設計的低成本ECG傳感器很好降低了整體的產品成品，用高舒適度的紡織干電極代替普通的醫(yī)學電極，并將其集成在衣服內，用戶感覺不到其存在。將用于電極導聯的導線也集成在衣服里，使得整套智慧衣裝置都融合在衣服上，此外，將穿戴者的生理信號實時上傳到智能設備或者云，如果出現異常身份認證信息，隨時提供對用戶提供設備鎖定服務，最大限度的保護用戶的安全。

附圖說明

圖1為本實用新型所述智慧衣示意圖；

圖2為本實用新型所述ECG信號處理系統(tǒng)模塊圖

圖3為濾波去噪子模塊結構示意圖；

圖4為ECG身份驗證示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本實用新型的具體實施方式作進一步說明。在此需要說明的是，對于這些實施方式的說明用于幫助理解本實用新型，但并不構成對本實用新型的限定。此外，下面所描述的本實用新型各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。

本實用新型可以對用戶的ECG數據進行采集、處理并傳輸至個人終端設備，通過任何運行對應App的智能設備都可以完成對用戶的身份信息認證，當分析ECG信號發(fā)現身份信息有誤，就會通知智能設備本用戶存在危險訪問，并鎖定智能設備報告云端數據中心，如果認證成功，智能設備即可解鎖，這樣本ECG身份驗證智慧衣就可以達到用戶身份的ECG認證的目的。

為了實現上述目的，本實用新型采用硬件技術方案如下：

智慧衣ECG集成模塊：由衣物本身、紡織干電極、紡織柔性導線組成。

所述智慧衣，用于作為其他部件的載體，衣服在材質上與普通紡織衣物一致不會影響用戶的舒適度。

所述紡織干電極，數量至少為兩個，分別位于智慧衣內側胸腔左右兩邊并縫合在智慧衣內，用于采集用戶的ECG信號數據并將原始雜波數據經過簡單的頻段分析剔除無關信息。若采用更多數量的干電極可以提高數據的準確性，本專利中使用兩個干電極。

所述紡織柔性導線，用于連接紡織干電極和ECG信號處理器。

ECG信號處理系統(tǒng)，用于對紡織干電極采集到的ECG數據進行處理并存儲，裝置通過按扣掛載智慧衣外側。所述ECG信號處理系統(tǒng)包括數據處理模塊、數據存儲模塊、通信模塊、身份驗證模塊、警報模塊、電源模塊。

所述數據處理模塊，用于對紡織干電極采集的ECG原始信號進行去噪，人體信號的頻率和幅度都比較低，很容易受到空間電磁波以及人體其它生理信號的干擾，因此在對其進行變換、分析、存儲、記錄之前，應該進行一些預處理，以保證測量結果的準確性。

由于人體信號的頻率和幅度都比較低，很容易受到空間電磁波以及人體其它生理信號的干擾，因此在對其進行變換、分析、存儲和記錄之前，應該進行一些預處理，以保證測量結果的準確性。一般預處理包括，利用過壓保護電路防止輸入信號過大，防止人體其它生理號干擾，但最主要的是將傳感器獲得的信號加以放大，同時減小嗓聲和干擾信號以提高信噪比，對有用的信號實現采樣、調制、解調等。信號預處理中首先要做的是信號放大。在本實用新型中，由于從傳感器取得的信號很微弱，且混雜了一些其他的干擾信號。因此放大電路的主要功能是，濾除一些共模干擾信號，同時進行一定的放大。

預處理包括，利用過壓保護電路防止輸入信號過大，防止人體其它生理號干擾，但最主要的是將傳感器獲得的信號加以放大，同時減小嗓聲和干擾信號以提高信噪比，對有用的信號實現采樣、調制、解調等。

信號放大，從傳感器取得的信號很微弱，且混雜了一些其他的干擾信號。因此放大電路的主要功能是，濾除一些共模干擾信號，同時進行一定的放大。

進行去噪，放大，數據濾波，特征提取操作，將數據分析結果實時傳。送給顯示模塊和身份認證分析模塊。

所述數據存儲模塊，用于保存數據處理模塊處理后的ECG信號。

所述通信模塊，用于完成ECG信號處理系統(tǒng)與個人終端或云平臺的數據傳輸，傳輸內容主要包括經過處理的特征ECG信號和遠端傳回的反饋信息，通過藍牙和WIFI技術實現。

所述身份驗證模塊，對預處理過后的ECG信號進行分析，得出特征數據，并通過通信模塊與遠端數據庫進行匹配并得出相應結果。具體步驟如下：

ECG特征提取，該特征一般都基于ECG波形形態(tài)，本研究中提取所有ECG信號，求出平均周期的波形圖；

ECG特征選擇,在一個平均周期中有多個不同的波峰，分為P,Q,R,S峰值，通常不同的人擁有不同的PQRS間隔，本研究中選取PQ，PQS，QS，RS間隔作為特征參數；

利用PQ，PQS，QS，RS間隔與移動智能設備本地數據庫進行模式匹配,選擇最接近的樣本；

采用遠程的醫(yī)療數據中心實時的進行數據交互來鑒別用戶的身份信息k,選擇最接近的樣本,驗證本地認證結果。

所述警報模塊，當身份驗證模塊分析出的結果和遠程數據中心的數據不匹配或當數據中心分析出異常身份認證信息時，系統(tǒng)會做出一些反饋行為，例如立刻通知Android終端采取措施，鎖定設備訪問權限，并包括將事先錄制的語言通過電話播放出去，同時打電話給親屬或者報警。當身份驗證模塊分析出的結果和遠程數據中心的數據不匹配或當數據中心分析出異常身份認證信息時，系統(tǒng)會做出一些反饋行為，例如立刻通知Android終端采取措施，鎖定設備訪問權限，并包括將事先錄制的語言通過電話播放出去，同時打電話給親屬或者報警。

所述電源模塊，用于給ECG信號處理系統(tǒng)提供電源，電源模塊還包括充電功能。

如圖1所示，本實用新型提供的基于ECG身份驗證智慧衣裝置由衣服本身101，柔性紡織導線102、103，兩塊紡織干電極104、105，ECG信號處理系統(tǒng)106，按扣107、108組成。

其中，智慧衣101由緊身紡織面料組成，屬于貼身衣物，滿足用戶對舒適度的要求。柔性紡織導線102、103將兩塊紡織干電極104、105和ECG信號處理系統(tǒng)106相連接，為ECG信號處理系統(tǒng)106提供由干電極104、105所采集到的信號數據。柔性紡織導線102、103縫合在智慧衣內側，用戶不會察覺到柔性紡織導線102、103的存在。紡織干電極104、105用于采集用戶的ECG信號，兩枚干電極分別位于衣服的左右兩側，縫合在智慧衣101內側，由于體積較小并且重量較輕，不會對穿戴者造成重量上的負擔。ECG信號處理系統(tǒng)通過按扣107、108固定在智慧衣上，拆卸安裝極為方便。

如圖2所示ECG信號處理系統(tǒng)包括數據處理模塊201，數據存儲模塊202，通信模塊203，身份驗證模塊204，警報模塊205和電源模塊206。數據處理模塊201，用于接收采集到的原始ECG數據并進行預處理，并將處理后的數據發(fā)送到數據存儲模塊202，當用戶需要查看歷史數據時，數據存儲模塊202會將數據轉移至通信模塊203發(fā)送至個人終端。通信模塊203用于實現ECG信號處理系統(tǒng)和個人手機之間的通信，主要采用了藍牙技術，實現了低功耗短距離數據傳輸的功能。身份驗證模塊204，用于分析從數據處理模塊201接收到的數據，對ECG數據波形進行一系列的特征提取、特征選擇等操作后，得到用戶信號的特征向量數據。將該特征向量數據傳輸至通信模塊203并上傳至個人終端與遠端數據庫或云平臺中已保存數據進行匹配。將匹配數據傳回至通信模塊203再傳輸至身份驗證模塊204，身份驗證模塊204根據匹配結果來做出相應操作，若匹配結果不一致，則發(fā)送信號至警報模塊205做出相應警報措施，例如立刻通知Android終端采取措施，鎖定設備訪問權限，并包括通過電話播放事先錄制的語言，同時撥打緊急電話給親屬或警察。

除此以外，本實用新型還給出了一種自主設計的ECG身份驗證模塊，其結構如圖4所示，對樣本ECG數據、終端或云端ECG身份數據庫中的數據分別進行2DPCA投影，并且在2DPCA特征空間中對這些特征向量進行LDA投影。在LDA特征空間中，使用歐氏距離的不同進行分類，可以得到樣本ECG數據的分類結果，以此來判斷用戶的身份。

本實用新型的優(yōu)點是利用ECG信號完成身份驗證的過程，具有成本低廉、準確性高低錯誤率的特點。在用戶的日常生活中很簡單地實現了安全身份認證的需求。產品使用了高舒適度的紡織干電極代替了普通的醫(yī)學電極并縫合在衣物內部，使其在外觀與穿戴感覺上與普通的衣物幾乎無差。此外，本實用新型還有與之配套的軟件平臺，可以實時地將生理信號傳到智能設備或者云端，如果身份認證信息出現異常，可以提供設備鎖定服務，最大程度地保護用戶的信息安全。