CN101408396A - 一种基于生物识别技术的数码电子雷管及起爆系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于生物识别技术的电子数码雷管及起爆系统，包括雷管起爆系统及可受其控制引爆的一组电子数码雷管本体，各电子数码雷管的引线(供电与通信的复用线)与起爆系统的控制输出端并联，所述的雷管起爆系统同时带有按键装置及多生物识别单元装置，雷管起爆系统内部设定授权引爆雷管的ID码；所述的各电子数码雷管本体内置有集成电路系统及储能电容，雷管的集成电路系统中储存有唯一被指定ID码；只有两者一致的时候才能正确引爆。雷管起爆系统的控制输出端通过雷管供电与通信的复用引线与各电子数码雷管相连。

Description

一种基于生物识别技术的数码电子雷管及起爆系统

技术领域

本发明涉及一种基于生物识别技术的数码电子雷管及起爆系统。

背景技术

生物识别系统(Biometric Identification Technology)是对生物特征进行取样，提取其唯一的特征并且转化成数字代码，并将这些代码组成特征模板，人同识别系统交互进行身份认证时，识别系统获取其特征并与数据库中的特征模板进行比对，以确定是否匹配，从而决定接受或拒绝该人。

生物识别技术是目前最为方便和安全的识别技术，不需要记住复杂的密码，也不需随身携带钥匙、智能卡之类的东西。生物识别技术认定的是人本身，最安全方便。由于每个人的生物特征具有唯一性和在一定时期内不变的稳定性，不易伪造和假冒。生物识别技术产品借助于现代计算机技术实现，很容易配合电脑和安全、监控、管理系统整合，实现自动化管理。

生物特征识别技术现常用的是指纹识别及脸形识别。

指纹识别：指纹有以下两个突出的优点：稳定性，指纹具有很强的相对稳定性。独特性，指纹具有明显的独特性，至今还找不出两个指纹完全相同的人。

脸形识别：基于人脸的身份认证就是利用计算机对给定的静止图像或者动态图像序列进行分析，对人脸部特征和它们之间的关系来进行识别，从中提取出有效的识别信息，基于已有的人脸数据库来“辨认”或者“确认”一个或多个人身份的一项技术。

虽然指纹识别技术目前已经相当的成熟，但是据统计仍有约2％的人(比如手指受伤或没有手掌的残疾人)无法提供清晰的可被计算机辨识的指纹，多生物特征识别技术为解决此类的问题提供了可能。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于生物识别技术的数码电子雷管及起爆系统。

为实现上述目的，本发明采取以下设计方案：

一种基于生物识别技术的电子数码雷管及起爆系统，包括雷管起爆系统及可受其控制引爆的一组电子数码雷管本体，各电子数码雷管的引线(通信与供电的复用线)与雷管起爆系统的控制输出端并联，所述的雷管起爆系统带有按键装置及多生物识别单元装置，雷管起爆系统内部有唯一授权的ID码；

所述的各电子数码雷管本体内置有集成电路系统及储能电容，雷管的集成电路系统中储存有被标定的ID码(唯一被指定ID码)；

雷管起爆系统的控制输出端通过雷管供电与通信的复用引线与各电子数码雷管相连。

所述的多生物识别单元装置为指纹识别器和脸形识别器。

使用单一的生物特征识别系统通常会遇到传感器噪声，采集的信息会造成错误的拒识等。而本发明采用“指纹及脸形”多生物特征识别系统则可通过融合一个个体的多种特征来减轻这些问题的影响。同时在性能表现上，多生物特征识别系统可以达到单一生物特征识别很难达到的高度。人脸识别和指纹识别已经在许多生物识别系统中得到了应用，二者的融合可以有效的改进识别的性能。

多生物特征识别具有如下的优势：

1)多生物特征识别可以提供更高的安全性，由于引入了多个生物特征或样本，使得系统出错的概率大大降低。

2)多生物特征识别可给用户提供更灵活方便的安全级别选择。多生物特征识别可给用户提供不同安全级别的选择，使得用户在安全性和方便性之间找到最适合其需求的解决方案。

3)多生物特征识别具有更广泛的适应性。引入多个生物特征可以有效的避免诸如用户不能提供清晰的指纹这样的问题给系统和用户带来的不便。对不能提供某些生物特征的残疾人，多生物特征识别系统则可以避免将他们拒绝在系统之外。

本发明构建了一个基于WS08芯片集成系统的融合指纹和人脸特征的多生物特征识别系统，在融合方法上本发明是采用基于不确定区间的融合方法，将指纹特征划分为确定和不确定区间，使得在确定区间上的识别性能好于原始的识别性能。而通过将人脸数据和不确定区间上的指纹数据进行融合则可改进不确定区间上的识别性能，从而使得系统的整体性能得到提高。

本发明的优点是：

1、引爆准确性高，避免了误引爆，方便了雷管的安全管理：本发明采用了生物识别的密码技术，指纹或脸形不一致不能引爆，避免了误引爆或者未授权人为引爆造成的损失。引爆准确率可达100％，大大超过了现有引爆的准确率。

2、本发明采用电子延时技术，延时设定简便，精度高，便于操作。延时时间可做到0-9999段，延时误差在1毫秒，大大超过了现有引爆的延时精度。

3、本发明可同时引爆数万个采用WS08芯片集成系统的微电子延时技术的雷管，使用效率高且应用范围广。

4、本发明可进行引爆前自动巡查功能，如果其中有不能引爆的雷管，该发明将显示对应雷管的号码，以便于事前排查；引爆后，本发明将自动记录所有被引爆的雷管号码，以备查询或便于在安全型智能电子数码雷管控制系统的数据库中标识已引爆的雷管，从而能够满足工业和军事上安全使用的需要。

5、本发明采用生物识别技术进行身份鉴定和数据传递，操作方便灵活，准确性高，便于管理。

附图说明

图1是本发明基于生物识别技术的数码电子雷管单元体内部结构原理示意图

图2是本发明数码电子雷管单元体基本控制原理示意图

图3是数码电子雷管的WS08芯片的内部框图

图4是本发明指纹识别与脸形识别器工作原理的总体流程图

图5是本发明指纹模块的供电电路框图

图6是本发明系统中的雷管起爆系统的构成原理框图

图7是本发明系统中的雷管起爆系统详细电控原理图

具体实施方式

本发明基于生物识别技术的电子数码雷管及起爆系统，由雷管起爆系统及一组电子数码雷管本体构成，各电子数码雷管的引线(通信与供电的复用线)与起爆系统的控制输出端并联。

所述的一组电子数码雷管少则为一，多则可以是上千上万，甚至是数万个同时受控于本发明的雷管起爆系统。

如图1所示，所述的各电子数码雷管本体由储能电容1、集成电路系统2(可以是WS08芯片或MCU等)、桥丝3(通过灼热桥丝来引爆起爆药)、起爆药4等部分组成。雷管的电子集成系统2(本实施例选用WS08芯片)中均存有唯一指定的ID码(被标定分配的)。

图2是数码电子雷管的基本控制原理图。数码电子雷管采用供电线和通信线复合使用的方式；为了提高使用可靠性，即使在爆破过程中，供电线路出现故障，仍能按设定的延期时间完成爆破操作，采用电容C1储存控制系统工作的能量及点火药头所需的能量；为了提高数码电子雷管的抗干扰(静电、射频、杂散电流)能力，提高数码电子雷管的安全性，采用电子开关K1控制起爆电能的充电，如果断开K1则不能充电。只有在起爆准备(连接、检测、延期时间设定等)完成后，K1闭合，则雷管才能处于待起爆状态。在紧急情况下，如果需要终止爆破操作时，由电子开关K2闭合，则C1的储能全部释放；在延期时间到达后，电子开关K1闭合把C1的储能释放到点火药头上，从而完成数码电子雷管的起爆工作。

本发明实施例中WS08芯片集成系统的构成原理参见图3，包括了中央控制和处理器、UART接口、Flash接口、SDRAM控制器，内部RAM，输入输出接口等。UART接口用来读取来自指纹传感器和脸形传感器的数据，UART接口可以做成自己的组件，F1ash和SDRAM控制器采用自带的内核。最后构建WS08内部的硬件系统，再通过管脚分配，实现对外围电路的连接，进行外围电路程序设计，指纹和脸形识别算法设计。图3中所画部分是WS08芯片的内部框图，WS08芯片集成系统是图2中控制电路的一部分，在图2中为延期/控制部分。

本发明WS08芯片集成系统可以并行处理数据，乘法、加法、累加和比较运算能够充分利用硬件并行性计算，所以用该WS08芯片对提取到的指纹与脸形数据进行特征识别，较软件相比可以实现高速处理，而且能够使系统可靠性得到提高。通过数码电子雷管的内部的WS08芯片进行特征识别，借助性能优越的软件，能自由地定义器件的内部逻辑和管脚，将原来由电路板设计完成的大部分工作放在芯片设计中进行，有效地增强了设计的灵活性。当设计出现问题或者功能要求更新时，只要用程序重新配置WS08芯片的内部逻辑就可以了，不需要更改电路。

本发明的起爆系统中采用了多生物识别单元装置，其为指纹及脸形识别器。图4是指纹识别与脸形识别工作的总体流程图。首先应用指纹识别模块对输入样本进行第一次比对，根据匹配的细节点个数确定其所在区间；下一步对于落在指纹不确定区间内的样本进行人脸识别比对，从而得到一个不确定性更小的识别结果。在基于WS08芯片的指纹识别模块中最困难的是指纹识别算法和脸形识别算法的实现。现在大部分的指纹算法和脸形识别都用DSP处理器进行指纹图像和脸形图像的处理。本发明用WS08处理指纹和脸形图像，利用硬件实现算法速度快的优点，使系统能够快速完成大量数据处理。

图5是指纹模块的供电电路框图。其中指纹模块供电方式有两种3.3V和1.5V。如图5所示为由高效、低功耗升压直流变换器MAX761和几只外围元件构成的输出电压可调的变换电源，其输出电压由R2和R1的值决定，可按公式Vo＝(1+R2/R1)×VREF计算，VREF＝1.5V。指纹模块要求的Vo是1.5V，则R2为0Ω，电阻配比完成。

指纹模块AFS2是Authentec公司的接触式指纹传感器。AFS2通过UART与外部通信，它是由传感元件矩阵、驱动环和辅助电路组成，能感应放在指纹传感器上的指纹并生成相应的数字图像。传感器元件矩阵由16384个独立的元件组成，分为8个子矩阵。每个子矩阵包含128列(每列包含16个点)。

AFS2的工作流程：当没有手指按下时，AFS2处于空闲模式下，传感元件矩阵被关闭，此时AFS2以一定的速率扫描是否有手指按下，同步相位探测器被用来比较指纹环的输出与内部参考信号之间的相位差，当有手指按下时，其相位差变大，同步相位探测器的输出被激活，表示此时有手指放在指纹传感器上。指纹传感器就开始向外部输出指纹图像数据。

图6是本发明的起爆系统构成的电原理框图，如图6中所示，本发明起爆系统的构成包括有电源模块1、电源转换器2、按键模块3、指纹及脸形模块4、显示模块5、点火引线6、电子开关7、通讯模块8、单片机9、存储模块10，具体输入输出的连接关系可参见图中箭头方向所示，该数码电子雷管系统的雷管起爆系统中的单片机与存储模块双向通讯，单片机的输入端连接有键盘模块和指纹及脸形模块，单片机的输出端与显示模块连接，单片机通过通讯模块与电子开关连接，单片机、通讯模块与电子开关为双向通信。所述的电子开关通过两条点火引线同时与多个(数量可以不受限制，可以是一至数万个)采用智能芯片的电子数码雷管并联。所述的电源模块有两路电压输出，一路为高电压12V，直接给点火开关供电，另一路经电源转换器为单片机、存储模块、按键模块、指纹模块、脸形模块、显示模块和通讯模块提供不同要求的低电压。各模块具体的连接可参见图7所示的实施例。

本发明工作原理及过程是：首先通过指纹与脸形传感器对人的指纹与脸形进行特征提取，然后传输到智能数码电子雷管的WS08芯片上进行特征识别和信息融合。如果指纹与脸形与授权人的特征一致，则可以正常起爆。如果有任何一项与授权人的不符合，则不能起爆。

指纹传感器芯片通过串口UART与WS08进行高速的数据传输。WS08芯片内部没有现成的UART接口，但是有UART RS232内核，而它只能完成与PC机的通信，不适合与指纹传感器的串口相连，所以利用WS08内部的可编程逻辑，设计了供指纹读取的UART接口。脸形识别采用采集人脸用摄像机对图像进行采集，将采集到的图像与存储器中的图像进行对比，从而决定是否进行授权。

数码电子雷管的WS08芯片内部含有唯一的ID号，起爆系统中存有授权引爆的雷管的ID号，然后起爆系统中的ID号与每枚雷管内WS08的ID码进行核对。如果起爆系统中存有该ID号，则说明是我们所要引爆的雷管；如果没有，则说明不是要引爆的雷管。本发明的每一发数码电子雷管由于具有唯一的ID码，所以可以很方便的实现对每一发雷管从生产、销售、购买、使用到爆破状态进行全程监控管理，以便于更有效地加强对雷管使用的管理。

本发明基于指纹识别和人脸识别技术构建了一个多生物特征识别系统。在基于这两种生物特征所提取的特征的基础上，对于指纹识别最终得到的是一对细节点集合的匹配细节点个数，这是一种相似性的度量。通过对匹配细节点的归一化可以得到一个置信度数值。而对于本发明中的人脸识别，对于一个输入样本最终得到的是一组分类的可能性排序。由于置信度(confidence)和排序(rank)是两种性质不同的特征，通过并行的结构将它们融合在一起存在一定的困难。基于这样的事实本发明中采取串行的融合结构。首先应用指纹识别模块对输入样本进行第一次比对，根据匹配的细节点个数确定其所在区间；下一步对于落在指纹不确定区间内的样本进行人脸识别比对，从而得到一个不确定性更小的识别结果。具体架构如图4所示。

本发明中采用了基于细节点的指纹识别方法，由这种方法提取出来的特征形式为一个细节点的集合。匹配时通过比较两个细节点集合中匹配的细节点个数来判断两个细节点集合是否匹配。通常认为，当两个细节点集合匹配的细节点个数达到或者超过12个的时候，这两个细节点集合就是匹配的。为了方便后续的处理，将指纹的匹配程度按照匹配细节点个数划分为四个层次：匹配细节点小于9个，大于等于9个小于12个，大于等于12个小于15个和大于15个。因为如果匹配的细节点个数小于9个，两个指纹匹配的概率就比较小。而大于15个的时候匹配的可能型就非常的大。在细节点匹配个数9到15之间的范围内讨论两个指纹的匹配程度相对而言更有意义。对这四个层次结合数据库上的识别率测试结果，综合得到相应的置信度数值。对于人脸识别，产生的是两个人脸之间的一个距离数值：对于一个输入的人脸，如果它和起爆器中的数据库中所存储的特征人脸距离在一定范围内，那么我们就认为与该人脸是一致的。

下面结合附图对本发明实施例进行详细说明，但本发明的保护范围不受实例所限。

如图6所示，本发明起爆系统的结构如下：自动识别受控雷管起爆系统，其结构如下：电源模块1有两个输出端，一端输出电压12V与电子开关7的输入端连接；另一端经电源转换器2的输出为存储模块10、单片机9、按键模块3、指纹/脸形模块4、显示模块5和通讯模块8提供5V的稳压电源；单片机9的输入端连接有按键模块3和指纹/脸形模块4，输出端连接显示模块5。单片机9还与通讯模块8保持双向通讯，通讯模块8与电子开关7也保持双向通讯。电子开关7的两条点火引线6与雷管引线相连，如果同时引爆多只雷管，要求所有雷管引线与点火引线6并联连接。

本发明实施步骤如下：将采用微电子延时器雷管的引线(即可充电也可做数据和控制信号的传输线)连接在本发明可控起爆系统的点火引线6上，如果同时引爆多只雷管，要将所有雷管引线与点火引线6并联即可。

起爆系统开始对雷管的充电模块充电，充电模块充电后输出给单片机，使单片机开始工作，这时通过通讯模块读取存储在雷管中的一些参数值，起爆系统也可以通过指纹/脸形模块4进行特征提取，然后在单片机中进行特征融合和识别。指纹传感器采用触摸式芯片，脸形识别采用人脸采集专用摄像头，它们都采用串口与单片机相连，然后再通过单片机与WS08芯片相连，在WS08芯片内部已经设计好了UART接口。FLASH存储器用来保存模板指纹和脸形数据。采集的指纹是96×96的图像，1个图像占9.216Kbyte的容量，FLASH存储器中想容纳200个指纹模板。把FLASH接口的各信号输入输出端通过管脚配置的方式，配置到WS08具体的I/O管脚上，实现与外部的FLASH芯片连接。SDRAM存储器为输入指纹和脸形数据的随机存储和正在匹配的指纹和脸形模板数据的存储。SDRAM控制器同样采用集成的内核，用处理器进行控制。把SDRAM控制器的信号输入输出端通过管脚配置的方式，配置到WS08的具体管脚上，实现与外部SDRAM控制器的连接。然后将采集到的信息与起爆系统的单片机9中所存储的指纹和脸形进行比较。若一致，可以引爆，将该雷管的号码存放入存储模块10中，等待按键模块发出引爆指示，巡查下一个雷管，如果在单片机9中雷管读入和引爆器读入的指纹或脸形不一致或判断引爆无反馈信号，则将该雷管的号码输出到显示模块，通知用户该只雷管不能引爆。当所有并联雷管均检验完毕。输出信号至显示模块，用户可按动引爆按钮起爆。

本发明基于生物识别技术的电子数码雷管及起爆系统的具体起爆步骤如下：

1)完成系统配制，将待引爆的所有电子数码雷管的引线与可控起爆系统点火引线并联；

2)起爆器通过指纹及脸形模块对操作人员的指纹及脸形进行特征提取，进行数据融合，确定是不是授权的操作人员，避免非法对雷管进行引爆。如果是授权的操作人员，则操作人员可以启动起爆系统，起爆系统开始对电子数码雷管的电容充电，同时，起爆系统中的电源模块对单片机进行供电，使单片机开始工作，通过通讯模块读取存储在数码电子雷管中的参数值，并进行核对；

3)首先，指纹识别模块采用指纹识别方法对指纹输入样本进行比对是否相符，若判断为一致则可以对该系统进行操作；若判断为不一致则拒绝操作该系统；若比对的结果不确定，则通过脸形模块采用脸形识别方法对脸形输入样本进行进一步比对；

4)若起爆系统判断为一致，则可以对雷管进行操作。雷管的ID号与起爆器中的ID号进行核对，如果该雷管的ID号与起爆器中所存的ID号一致，则将该ID号存放入存储模块中，并对雷管的其它参数(如是否充电完毕等)进行识别，如果一切就绪，则巡查下一个雷管，直至所有的雷管的状态巡查完，则等待按键模块发出引爆指示。如果数码电子雷管读入和引爆器读入判断引爆无反馈信号，则将该电子数码雷管的号码输出到显示模块，通知用户该电子数码雷管不能引爆；

5)当所有并联雷管均检验完毕，输出信号反馈至显示模块，通知操作人员可按动引爆按钮起爆。

Claims (6)

1、一种基于生物识别技术的电子数码雷管及起爆系统，包括雷管起爆系统及可受其控制引爆的一组电子数码雷管本体，各电子数码雷管供电和通信复用引线与起爆系统的控制输出端并联，其特征在于：

所述的雷管起爆系统同时带有按键装置及多生物识别单元装置，雷管起爆系统内部设定授权引爆雷管的ID码；

所述的各电子数码雷管本体内置有集成电路系统及储能电容，雷管的集成电路系统中储存有唯一被指定ID码；

雷管起爆系统的控制输出端通过雷管供电与通信的复用引线与各电子数码雷管相连。

2、根据权利要求1所述的基于生物识别技术的数码电子雷管及起爆系统，其特征在于：所述的起爆系统由电源模块、电源转换器、按键模块、指纹及脸形模块、显示模块、点火引线、电子开关、通讯模块、单片机、存储模块构成，单片机与存储模块双向通讯，单片机的输入端连接有键盘模块和指纹及脸形模块，单片机的输出端与显示模块连接，单片机通过通讯模块与电子开关连接，单片机、通讯模块与电子开关为双向通信；所述的电子开关通过两条点火引线同时与一组电子数码雷管并联。

3、根据权利要求2所述的基于生物识别技术的数码电子雷管及起爆系统，其特征在于：所述的电源模块有两路电压输出，一路为高电压12V，直接给点火开关供电，另一路经电源转换器为单片机、存储模块、按键模块、指纹模块、脸形模块、显示模块和通讯模块提供电压。

4、根据权利要求1所述的基于生物识别技术的数码电子雷管及起爆系统，其特征在于：所述的多生物识别单元装置为一指纹及脸形识别器。

5、根据权利要求1所述的基于生物识别技术的数码电子雷管及起爆系统，其特征在于：所述的集成电路系统可以是WS08芯片或MCU单片机。

6、根据权利要求1所述的基于生物识别技术的数码电子雷管及起爆系统，其特征在于：在集成电路系统内部用编程语言设计供指纹读取的UART接口。

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