基于雙電極的手指心電身份識(shí)別系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于雙電極的手指心電身份識(shí)別系統(tǒng)。生物識(shí)別技術(shù)常用的生理特征包括：指紋、掌型、虹膜、視網(wǎng)膜、臉型、手腕/手的血管紋理和DNA等。本發(fā)明由下位機(jī)和上位機(jī)兩部分組成，下位機(jī)為基于雙電極的手指心電信號(hào)的采集模塊，上位機(jī)為基于Android智能手機(jī)的心電身份識(shí)別應(yīng)用軟件。其中，下位機(jī)手指心電采集模塊主要由雙電極傳感器、前置濾波器、電源電路，BMD101芯片電路、藍(lán)牙模塊電路組成。本發(fā)明使用基于雙電極的手指心電采集模塊實(shí)現(xiàn)人體生物特征身份識(shí)別系統(tǒng)，提供了一種利用采集手指處ECG信號(hào)實(shí)現(xiàn)身份識(shí)別新方法，該系統(tǒng)具有操作簡單、穩(wěn)定度高、可靠性強(qiáng)、便攜、成本低、容易實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)。
【專利說明】基于雙電極的手指心電身份識(shí)別系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于人體生物特征身份識(shí)別領(lǐng)域，具體涉及一種基于雙電極的手指心電身份識(shí)別系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]在高度信息化的現(xiàn)代社會(huì)，隨著交通、通訊和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，人類的活動(dòng)范圍越來越大，身份鑒別的難度和重要性也越來越突出，對(duì)人類自身身份識(shí)別的準(zhǔn)確性、安全性與實(shí)用性提出了更高的要求。與傳統(tǒng)的基于密碼或10卡的認(rèn)證方式相比，生物識(shí)別技術(shù)(81006廿丨⑶)具有更高的安全度與可靠度，已逐漸成為國際研究的熱點(diǎn)，并逐漸在不同的領(lǐng)域發(fā)揮著舉足輕重的作用。生物識(shí)別技術(shù)常用的生理特征包括:指紋、掌型、虹膜、視網(wǎng)膜、臉型、手腕/手的血管紋理和0嫩等；行為特征包括:語音、簽名、行走的步態(tài)和擊打鍵盤的力度等。目前商業(yè)上采用的生物識(shí)別方法主要:人臉識(shí)別、虹膜識(shí)別、指紋識(shí)別和聲音識(shí)別等。但是這些識(shí)別方法的共同缺陷是易于被各種偽裝騙過而降低安全性，指紋易被遺留在抓取的物體上而被別人盜用，臉形容易從用戶的相片中提取出來，聲音容易被模仿等等。因此，為了增加生物識(shí)別技術(shù)的可靠性和安全性，探索新的生物識(shí)別方法是身份識(shí)別領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。因此，基于人體心電信號(hào)的生物特征識(shí)別方法就是在這樣的背景下由國外學(xué)者和專家提出的。
[0003]心電圖取'肅，簡稱￡06)是人的心臟跳動(dòng)產(chǎn)生的生物電勢，反映了心臟興奮的電活動(dòng)過程，它對(duì)心臟基本功能及其病理研究方面，具有重要的參考價(jià)值。心電信號(hào)具有唯一性的特點(diǎn)，對(duì)人體的心電信號(hào)進(jìn)行分析，其結(jié)果不但可以用來作為臨床醫(yī)學(xué)診斷的依據(jù)，也可以作為一種生物特征，用來識(shí)別人的身份。由于人與人之間的心臟位置、大小、形狀、胸部構(gòu)造、年齡、性別、體重、情緒和運(yùn)動(dòng)狀況等因素都不相同，因此每個(gè)人的心電信號(hào)都是獨(dú)一無二的，￡(?波形必然不盡相同，所以可利用￡(?識(shí)別個(gè)人的身份。
[0004]相比傳統(tǒng)的生物識(shí)別技術(shù)，基于￡(?的身份識(shí)別技術(shù)具有以下獨(dú)特的優(yōu)勢。首先，信號(hào)來自于人的心臟，只用于活體身份識(shí)別，不易被仿制；其次，任何人都有具備普適性，不易被忘掉或丟失；第三，￡(?是人體內(nèi)部特征，和很多因素有關(guān)，每個(gè)人的￡(?都不一樣，很難被別人掌握或仿制；第四，￡06是一維信號(hào)，處理簡單，數(shù)據(jù)量小，節(jié)省存儲(chǔ)空間；第五，由于￡(?信號(hào)頻繁應(yīng)用于病人的身體狀況監(jiān)測中，因此￡(?身份識(shí)別在醫(yī)療保健應(yīng)用中方便、有效，不需要附加數(shù)據(jù)就可以在醫(yī)療記錄、藥物管理或其他遠(yuǎn)程醫(yī)療中識(shí)別人的身份；第六，￡(?都可以快速的非侵入的即時(shí)測量。￡(?所具有的獨(dú)特生理特征使其有望成為有巨大應(yīng)用前景的新型身份識(shí)別方法之一。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種基于雙電極的手指心電身份識(shí)別系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅具備識(shí)別率高，可靠性強(qiáng)，穩(wěn)定性突出等特點(diǎn)，還具有便攜簡單的優(yōu)勢，只需使用雙手觸摸傳感器電極即可進(jìn)行心電身份識(shí)別。
[0006]技術(shù)方案:本發(fā)明由下位機(jī)和上位機(jī)兩部分組成，下位機(jī)為基于雙電極的手指心電信號(hào)的采集模塊，上位機(jī)為基于智能手機(jī)的心電身份識(shí)別應(yīng)用軟件。其中，下位機(jī)手指心電采集模塊主要由雙電極傳感器、前置濾波器、電源電路，810101芯片電路、藍(lán)牙模塊電路組成。該方案是一種以干接觸方式(區(qū)別于醫(yī)學(xué)上測量時(shí)需清潔皮膚和涂導(dǎo)電膠等物質(zhì)的濕接觸方式)測量人體心電信號(hào)，然后應(yīng)用于生物特征身份識(shí)別領(lǐng)域，這種方法的提出具備良好的市場需求和前景。
[0007]所述的雙電極傳感器主要由自制的圓形紐扣式的不銹鋼電極構(gòu)成，它將接收心臟引起的傳導(dǎo)至皮膚表面的電位，兩個(gè)電極間形成的電位差，就構(gòu)成了原始的手指心電信號(hào)，然后通過導(dǎo)線傳輸至前置濾波器。
[0008]所述的前置濾波器主要是由&!116=-1(67拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的4階有源高通濾波器，截止頻率為0.5取，它將濾除低頻干擾信號(hào)，主要有肌電信號(hào)、呼吸波等引起的干擾，從而獲得波形效果較好的手指心電信號(hào)。
[0009]所述的電源電路由電源(即8612020)構(gòu)建，提供3.3乂穩(wěn)壓電源。
[0010]所述的810101芯片電路是該模塊的核心，主要用于濾波、放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換，為后續(xù)開發(fā)提供數(shù)字心電數(shù)據(jù)。
[0011]所述的藍(lán)牙模塊電路主要由此-06模塊搭建，將八/0轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙傳輸至上位機(jī)的基于如^01(1智能手機(jī)的心電身份識(shí)別應(yīng)用軟件。
[0012]所述的基于如^01(1智能手機(jī)的心電身份識(shí)別應(yīng)用軟件主要完成的功能有藍(lán)牙快速連接、用戶注冊、用戶識(shí)別、系統(tǒng)設(shè)置等。
[0013]本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明使用基于雙電極的手指心電采集模塊實(shí)現(xiàn)人體生物特征身份識(shí)別系統(tǒng)。提供的一種利用采集手指處￡(?信號(hào)實(shí)現(xiàn)身份識(shí)別新方法，該系統(tǒng)具有操作簡單、穩(wěn)定度高、可靠性強(qiáng)、便攜、成本低、容易實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)。不僅為身份識(shí)別領(lǐng)域提供一種防偽能力強(qiáng)、識(shí)別特征具有活體攜帶，不必記憶的新型儀器，為當(dāng)前如火如荼的智慧城市之智慧安防領(lǐng)域的建設(shè)提供技術(shù)支撐，還能作為醫(yī)療輔助設(shè)備作為日常健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)觀測人體￡(?信號(hào)，保存的￡(?在線上傳，使醫(yī)生能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)護(hù)和反饋用戶的健康狀況。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)框圖。
[0015]圖2為前置濾波器電路原理圖。
[0016]圖3為電源模塊電路原理圖。
[0017]圖4為藍(lán)牙模塊電路原理圖。
[0018]圖5為即響應(yīng)流程圖。
[0019]圖6為藍(lán)牙配對(duì)流程圖。
[0020]圖7為心電身份識(shí)別系統(tǒng)功能框圖。

【具體實(shí)施方式】
[0021]以下結(jié)合附圖對(duì)該發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明:
如圖1所示，為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)框圖。雙電極傳感器主要由自制的圓形紐扣式的不銹鋼電極構(gòu)成，通過導(dǎo)線連接至前置濾波器，這是一種干接觸測量方法，避免了在接觸皮膚表面擦拭酒精、涂導(dǎo)電膠等物質(zhì)，使用方便，對(duì)被測試者的約束性小。由于人體心電信號(hào)的有效頻率范圍在0.5取-100取，屬于低頻信號(hào)，而且手指離心臟較遠(yuǎn)，采集到的信號(hào)比較微弱，通常為猜級(jí)。而且通過自制的圓形紐扣式的不銹鋼電極傳感器不可避免的會(huì)引入各種干擾噪聲，如傳感器與皮膚的接觸不良、采集設(shè)備自身的干擾、50取工頻干擾等生物體外的干擾，還包括來自生物體內(nèi)的干擾，如呼吸產(chǎn)生的基線漂移、肌電干擾、腦電信號(hào)干擾等。所以接收后的心電信號(hào)需要先通過截止頻率為0.5?的前置濾波器(即4階有源高通濾波器)，濾除一些低頻干擾信號(hào)，使得心電信號(hào)更為純凈，接著使用810101集成芯片進(jìn)行處理，片內(nèi)集成的模擬電路可完成:模擬濾波(包括低通濾波器的截止頻率100取，高通濾波器的截止頻率為0.5^),50?陷波電路(用于濾除工頻干擾?、信號(hào)放大電路、采樣及八/0轉(zhuǎn)換；集成的數(shù)字電路可完成數(shù)字域?yàn)V波、心率算法管理等功能。模數(shù)轉(zhuǎn)換為12位八/0轉(zhuǎn)換，得到的數(shù)字￡(?信號(hào)通過此-06藍(lán)牙模塊傳輸至基于如智能手機(jī)的手指心電身份識(shí)別軟件。心電信號(hào)的采樣頻率為2000取，藍(lán)牙傳輸波特率為576008^111(1。
[0022]如圖2所示，為前置濾波器電路原理圖。該高通濾波器的截止頻率為0.5取，電路具有單倍的增益。有源高通濾波器，采用的運(yùn)算放大器為0？07，外加電阻電容構(gòu)成4階8&11611-1(67拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的巴特沃斯濾波器。該濾波器的對(duì)于低頻干擾的濾除效果相當(dāng)理想，且具有很高的陡降效應(yīng)。
[0023]如圖3所示，為電源模塊電路原理圖。該模塊電路采用電源集成X (3(^2020)構(gòu)成，外加一些電容設(shè)計(jì)而成，電路簡單，能夠提供700為3.舊的穩(wěn)壓電源，且外置供電電壓乂8八I可在3.57-5.〖V之間，可用3節(jié)干電池或者蓄電池供電，具有很好的選擇性以及避免使用強(qiáng)電，在一定程度上減少了工頻干擾。
[0024]如圖4所示，為藍(lán)牙模塊電路原理圖。該電路使用此-06藍(lán)牙集成模塊設(shè)計(jì)，電路簡單，模塊接口多，可擴(kuò)充性強(qiáng)。該模塊電路能夠?qū)崿F(xiàn)￡(?信號(hào)數(shù)據(jù)的發(fā)送，使得上位機(jī)軟件能夠接收并進(jìn)行處理。
[0025]如圖5所示，為即響應(yīng)流程圖。首先，貼有即標(biāo)簽的下位機(jī)采集模塊跟內(nèi)置研1天線模塊的八11(11*01(1智能手機(jī)進(jìn)行觸碰，范圍在10(3111以內(nèi)，否則影響效果；其次，觸碰完成后，將啟動(dòng)相關(guān)的應(yīng)用。八11(11*01(1智能手機(jī)將得到一個(gè)對(duì)象并讀取^(16^16888^6對(duì)象，該對(duì)象包含相應(yīng)11006模塊嫩0地址以及八仙1081:10111^6001-(1)；接著，八仙應(yīng)用將提供手機(jī)藍(lán)牙設(shè)備的嫩地址，讀取此-06藍(lán)牙模塊的嫩地址時(shí)，系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)打開藍(lán)牙，注冊冊10 ；最后，這兩個(gè)狐0地址進(jìn)行啟動(dòng)配對(duì)，返回供連接的811161:001:111)6^106對(duì)象,便能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。
[0026]如圖6所示，為藍(lán)牙配對(duì)流程圖。接收方設(shè)備(即如智能手機(jī))打開藍(lán)牙，搜索附近設(shè)備，然后選擇此-06藍(lán)牙模組對(duì)應(yīng)的藍(lán)牙設(shè)備，獲得該模組的傲。地址，并輸入配對(duì)連接密碼后注冊冊10，通過嫩地址得到81116如0讓06？1。6對(duì)象，便能夠獲得811161:001:1130(^61:對(duì)象，調(diào)用001111601:()方法建立八仏抓1 (1智能手機(jī)和藍(lán)牙模塊的連接。由811161:001:11800^61:對(duì)象的輸入輸出流可以完成手機(jī)和11006模塊的藍(lán)牙通信。
[0027]如圖7所示，為心電身份識(shí)別系統(tǒng)功能框圖。該系統(tǒng)主要包括三大功能模塊:藍(lán)牙配對(duì)、用戶注冊、系統(tǒng)管理。藍(lán)牙配對(duì)模塊主要功能為搜索藍(lán)牙設(shè)備、配對(duì)連接。用戶注冊模塊的主要功能為基本信息注冊、信號(hào)采集和波形顯示。系統(tǒng)管理模塊的主要功能為注冊用戶查詢、波形回放和系統(tǒng)幫助。下面分別介紹這三大功能模塊。
[0028]藍(lán)牙配對(duì)模塊完成如^01(1智能手機(jī)同心音采集硬件設(shè)備的匹配連接，可以控制藍(lán)牙的開啟、關(guān)閉、搜索藍(lán)牙設(shè)備，完成藍(lán)牙配對(duì)的功能。經(jīng)過(141(:331^1281(:506芯片的八0轉(zhuǎn)換后，數(shù)據(jù)通過此-06模塊發(fā)送。手機(jī)作為接收方，首先打開藍(lán)牙，并向系統(tǒng)注冊程序冊10。然后開始搜索藍(lán)牙設(shè)備，找到此-06藍(lán)牙模塊對(duì)應(yīng)的設(shè)備名稱，獲取其監(jiān)(:地址，每一個(gè)抝-06模塊具備一個(gè)固有的嫩地址。通過該嫩地址得到81116丨00訪06\106對(duì)象。然后使用上述111110獲得811161:001:1130(^61:對(duì)象。通過811161:001:1130(^61:對(duì)象的001111601:()方法完成811161:001:1130(^61:的連接。若八11(11*01(1手機(jī)在此之前并未與11006配對(duì)，便需要輸入配對(duì)密碼完成與此-06模塊的配對(duì)，該配對(duì)密碼由此-06模塊設(shè)定，可人為修改。當(dāng)完成上述步驟后，便完成了如辦01(1手機(jī)同藍(lán)牙模塊的連接，可以完成藍(lán)牙數(shù)據(jù)的傳輸與接收。
[0029]用戶注冊模塊，主要有基本信息注冊、信號(hào)采集處理、波形顯示三個(gè)功能。首先往顯示控件中輸入用戶名、年齡等信息。點(diǎn)擊“完成基本信息注冊”811^0！！按鈕，
通過1111:6111:打開“心音采集和顯示”的八01:1^11:7，并往該八傳入剛剛輸入的“用戶名”、“年齡”等信息。若完成和此-06藍(lán)牙模塊的匹配連接后，可獲得8111的00讓304的對(duì)象。通過 811161:001:1130(^61:對(duì)象的方法獲得 1即111:31:1~6孤1輸入流對(duì)象。
從該1111)111:31:1*621111輸入流對(duì)象便可讀取八0轉(zhuǎn)換后的心音數(shù)據(jù)。波形顯示的方法是自定義一個(gè)如忖狀…丨冊顯示控件。該控件可根據(jù)窗口大小自動(dòng)調(diào)整在屏幕中的顯示范圍。該顯示控件中自定義方法不斷更新要顯示的數(shù)據(jù)。在“心音采集和顯示”的八巧1^11:7中每接收到一個(gè)數(shù)據(jù)，便調(diào)用上述方法往如忖狀…丨冊顯示控件中更新數(shù)據(jù)，從而達(dá)到更新波形顯示的目的。當(dāng)完成采集后，保存相應(yīng)的波形數(shù)據(jù)到指定路徑的I#文件中，數(shù)據(jù)之間用制表符分隔。此外，往3亂1仏數(shù)據(jù)庫中寫入數(shù)據(jù)。3亂1仏數(shù)據(jù)庫中字段為姓名、性別、年齡、聯(lián)系電話、心音注冊信號(hào)I#文件路徑。
[0030]系統(tǒng)管理流程圖。在系統(tǒng)管理界面，首先要完成管理員登陸模塊，系統(tǒng)通過％虹6(1？1~6？61~611068保存管理員用戶名和密碼。該管理員密碼通過105算法加密。往七中輸入用戶名和密碼，進(jìn)行密碼驗(yàn)證。第一次使用該模塊需注冊一個(gè)管理員賬號(hào)。完成登陸后，通過顯示已注冊用戶信息。118^16?顯示的是3亂11:6中保存的用戶姓名、年齡、聯(lián)系方式等信息。選擇某個(gè)注冊用戶的條目，打開“詳細(xì)用戶信息和心音波形回放”功能對(duì)應(yīng)的八通過查詢3亂1〖6數(shù)據(jù)庫，找到對(duì)應(yīng)該用戶的心音數(shù)據(jù)〖XI文件路徑，通過該路徑讀取心音信號(hào)數(shù)據(jù)，通過自定義冊顯示控件顯示心音波形。系統(tǒng)幫助，主要描述的是使用系統(tǒng)的注意事項(xiàng)及功能的可擴(kuò)展性，主要包括:采集時(shí)，左右手指觸摸不銹鋼電極即可，但要注意左右手指分別對(duì)應(yīng)+/-端電極，盡量保持呼吸均勻；該心電身份識(shí)別系統(tǒng)采集正常情況下的波形保存，可作為醫(yī)療診斷的參考數(shù)據(jù)，為醫(yī)生的診斷和反饋提供了一種依據(jù)。
[0031]本發(fā)明研制基于雙電極的手指心電信號(hào)的身份識(shí)別儀器系統(tǒng)，分別在信號(hào)的預(yù)處理、特征提取、模式識(shí)別等【技術(shù)領(lǐng)域】進(jìn)行深入研究，旨在突破￡(?信號(hào)用于個(gè)人身份識(shí)別的關(guān)鍵技術(shù)，為￡(?身份識(shí)別技術(shù)的應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐，并提供一種準(zhǔn)確率高、穩(wěn)定性強(qiáng)、防偽能力好的身份識(shí)別新型儀器。項(xiàng)目研究成果可直接應(yīng)用于開發(fā)￡(?身份識(shí)別新型設(shè)備，并可在銀行、電力、醫(yī)院、海關(guān)、稅務(wù)、證券、工商等領(lǐng)域推廣應(yīng)用，對(duì)提高信息化應(yīng)用水平、促進(jìn)電子商務(wù)與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展等具有重要的意義。
[0032]以上結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作了說明，但這些說明不能被理解為限制了本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的保護(hù)范圍由隨附的權(quán)利要求書限定，任何在本發(fā)明權(quán)利要求基礎(chǔ)上的改動(dòng)都是本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.基于雙電極的手指心電身份識(shí)別系統(tǒng)，由下位機(jī)和上位機(jī)兩部分組成，下位機(jī)為基于雙電極的手指心電信號(hào)的采集模塊，上位機(jī)為基于Android智能手機(jī)的心電身份識(shí)別應(yīng)用軟件，其特征在于:采集模塊主要由雙電極傳感器、前置濾波器、電源電路，BMDlOl芯片電路、藍(lán)牙模塊電路組成； 所述的雙電極傳感器主要由圓形紐扣式的不銹鋼電極構(gòu)成，它將接收心臟引起的傳導(dǎo)至皮膚表面的電位，兩個(gè)電極間形成的電位差，就構(gòu)成了原始的手指心電信號(hào)，然后通過導(dǎo)線傳輸至前置濾波器； 所述的前置濾波器主要是由Sallen-Key拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的4階有源高通濾波器，截止頻率為0.5Hz，它將濾除低頻干擾信號(hào)，主要由肌電信號(hào)和呼吸波引起的干擾，從而獲得波形效果較好的手指心電信號(hào)； 所述的電源電路由電源IC構(gòu)建，提供3.3V穩(wěn)壓電源； 所述的BMDlOl芯片電路是采集模塊的核心，主要用于濾波、放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換，為后續(xù)開發(fā)提供數(shù)字心電數(shù)據(jù)； 所述的藍(lán)牙模塊電路主要由HC-06模塊搭建，將A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙傳輸至上位機(jī)； 所述的基于Android智能手機(jī)的心電身份識(shí)別應(yīng)用軟件主要完成的功能有藍(lán)牙快速連接、用戶注冊、用戶識(shí)別和系統(tǒng)設(shè)置。
【文檔編號(hào)】A61B5/0402GK104287717SQ201410522241
【公開日】2015年1月21日 申請(qǐng)日期:2014年9月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月30日
【發(fā)明者】趙治棟, 張曉紅, 張顯飛, 曾紀(jì)欣, 袁昌成, 鄭民 申請(qǐng)人:杭州電子科技大學(xué)