CN102362810A - 一种基于虚拟仪器的心音身份识别系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于虚拟仪器的心音身份识别系统及方法。本发明包括心音采集传输模块、包含虚拟仪器的嵌入式工控主板模块、USB蓝牙Dongle模块以及用于显示的液晶显示屏模块。其中，心音采集传输模块包括心音传感器模块、有源滤波器模块、音频放大模块、dsPIC主控单元模块、蓝牙串口模组模块以及3.3V电源模块，心音采集传输模块通过蓝牙串口模组模块发送采集信号；工控主板通过USB蓝牙Dongle模块接收心音信号，通过LVDS接口和USB接口与液晶显示屏相连。本发明操作简单、使用方便、安全可靠，整个系统具备无线传输功能，体积小巧，结构紧凑，易于实施。

Description

一种基于虚拟仪器的心音身份识别系统及方法

技术领域

本发明属于身份识别技术领域，具体涉及一种基于虚拟仪器的心音身份识别系统及方法。

背景技术

在高度信息化的现代社会，随着交通、通讯和网络技术的飞速发展，人类的活动范围越来越大，身份鉴别的难度和重要性也越来越突出，对人类自身身份别的准确性、安全性与实用性提出了更高的要求。

虚拟仪器(Virtual Instrument，简称VI)是在以通用计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定义、具有虚拟面板、测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。虚拟仪器由硬件设备与接口、设备驱动软件和虚拟仪器面板组成。其中，硬件设备与接口可以是各种以PC为基础的内置功能插卡、通用接口总线接口卡、串行口、VXI总线仪器接口等设备，或者是其它各种可程控的外置测试设备，设备驱动软件是直接控制各种硬件接口的驱动程序，虚拟仪器通过底层设备驱动软件与真实的仪器系统进行通讯，并以虚拟仪器面板的形式在计算机屏幕上显示与真实仪器面板操作元素相对应的各种控件。用户用鼠标操作虚拟仪器的面板就如同操作真实仪器一样真实与方便。

生物识别被美国麻省理工学院列为21世纪十大技术之一，生物识别技术的核心社会功能可以归纳为以下四条基本社会功能：

①可以为被密码、口令困扰的人提供安全与便利；

②可以扩展成为信息安全领域的认证系统平台，可以为重要身份或重要信息提供安全的强认证；

③可以提供给行政部门或其它机构精确、快捷地确认他人身份的技术手段；

④可以提供精确、快速、安全的人与设备的匹配。

目前商业上采用的生物识别方法主要有人脸识别、虹膜识别、指纹识别和声音识别等。这些生物特征识别技术身份识别方面虽然取得了初步推广，但在实际应用中也面临许多挑战，其中比较突出的是生物特征识别的安全问题。有人成功利用明胶制成的假手指骗过了指纹识别系统；利用打印下的虹膜图片或者在隐形眼镜上蚀刻出的虚假虹膜，可以让虹膜识别系统真假难辨，声音容易被模仿，脸形也容易从用户的相片中提取出来等等。因此，生物特征识别系统所采用的生物特征信息最好是从现场实时地从活体采集，为了增加生物识别技术的可靠性和安全性，探索新的更具安全性的生物识别方法是身份识别领域的热点之一。

心音是心脏及心血管系统机械运动状况的反映，蕴含着心脏各个部分本身及相互之间作用的生理和病理信息。相比于传统的生物识别技术，心音识别技术具有独特的优势：首先心音来自于人的心脏，不易被轻易仿制；其次，任何人都有心音，具备普适性。心音所具有的独特生理特征使其成为有前途的新型身份识别方法之一。

发明内容

本发明的目的在于，提出一种基于虚拟仪器的心音身份识别系统和一种基于虚拟仪器的心音身份识别方法，能够实时采集人体心音信号，并且对心音信号进行实时显示、分析、注册、识别和存储。

本发明基于虚拟仪器的心音身份识别系统，主要包括心音采集传输模块、包含虚拟仪器的嵌入式工控主板模块、USB蓝牙Dongle模块以及用于显示的液晶显示屏模块。其中，心音采集传输模块包括心音传感器模块、有源滤波器模块、音频放大模块、dsPIC主控单元模块、蓝牙串口模组模块以及3.3V电源模块，心音采集传输模块通过蓝牙串口模组模块发送采集信号；工控主板通过USB蓝牙Dongle模块接收心音信号，通过LVDS接口和USB接口与液晶显示屏相连。

所述心音传感器模块将心音振动信号转换为电信号。

所述有源滤波器模块接收心音信号，对其进行滤波，去除环境噪声。

所述音频放大模块对心音信号进行放大并控制放大倍数。

所述dsPIC主控单元模块接收用户指令进行心音信号采集和模数转换。

所述蓝牙串口模组模块用于心音信号无线传输。

所述3.3V电源模块用于提供3.3V稳压电源。

所述USB蓝牙Dongle模块通过USB接口虚拟串口接收心音信号。

所述嵌入式工控主板是基于x86平台的一体机工控主板，包含虚拟仪器，用于实现数据分析处理和存储。

所述液晶显示屏是工业级的带有触摸功能的液晶显示屏，用于实时显示和人机交互。

所述虚拟仪器安装在工控主板模块中，接受用户指令并根据用户指令选择心音采集模式、用户注册模式以及用户识别模式，对心音信号进行实时显示、分析、注册、识别和存储。

本发明还提出一种基于嵌入式虚拟仪器的心音身份识别方法，虚拟仪器选用LabVIEW程序，包括用户注册模块和用户识别模块。用户注册模块中包括串口模块、信号预处理模块、Mel频率倒谱系数(MFCC-Mel FrequencyCepstrum Coefficient)特征参数提取模块和数据库存储模块；用户注册模块包括串口模块、信号预处理模块、矢量量化(VQ-Vector Quantization)模型匹配模块和数据库读取模块。

所述串口模块是虚拟仪器通过配置串口收发无线传输信号。

所述信号预处理模块依次包括对心音信号去均值、归一化、去噪、分帧和加窗步骤。

所述MFCC特征参数提取模块依次包括快速傅立叶变换(FFT)、Me l滤波器组滤波、求Log对数能量和DCT求倒谱步骤。

所述VQ模型匹配模块包括LBG算法、平均量化失真计算和欧式距离测度步骤。

所述数据库存储模块用于存储数据至本地数据库。

所述数据库读取模块用于读取本地数据库中数据。

所述用户注册模块通过虚拟仪器接收用户指令，完成心音信号实时显示、分析、用户身份注册和心音模版存储。

所述用户识别模块通过虚拟仪器接收用户指令，读取用户注册心音模版，完成心音信号实时显示、分析和用户身份识别。

本发明的技术方案，首先采集心音信号，将心音振动信号转换为电信号，而后对心音信号进行滤波和放大，然后再对经滤波放大后的信号进行模数转换和蓝牙传输；工控主板通过USB蓝牙Dongle模块接收无线传输信号；虚拟仪器通过调用用户注册模块实现用户心音信号的实时显示、分析和注册；通过调用用户识别模块实现心音信号实时显示、分析和识别。

本发明有益效果如下：本发明将人体心音信号与身份识别相结合，开发基于虚拟仪器的心音身份识别系统及方法，利用心音信号不易复制性、普适性和唯一性等特点，实现身份注册和识别功能，克服了传统生物识别方法存在的较为突出的安全性问题。本发明操作简单、使用方便、安全可靠，整个系统具备无线传输功能，体积小巧，结构紧凑，易于实施。针对生物特征识别技术领域，本发明提供了一种准确率高、防伪能力强的生物识别新途径，为当前社会所面临的各种身份鉴定和信息安全问题提供较为理想的解决方案，具有很好的市场前景，良好的经济效益和社会效益。

附图说明

图1为基于虚拟仪器的心音身份识别系统的结构图；

图2为心音采集传输模块框图；

图3为30Hz4阶Butterworth高通滤波器电路图；

图4为500Hz4阶Butterworth低通滤波器电路图；

图5为音频放大模块电路图；

图6为dsPIC主控模块芯片引脚图；

图7为蓝牙串口模组模块电路图；

图8为模拟3.3V电源模块电路图；

图9为数字3.3V电源模块电路图；

图10为基于虚拟仪器的心音身份识别方法的流程图；

图11为信号预处理模块流程图；

图12为MFCC特征提取模块流程图；

图13为VQ模型匹配流程图；

图14为LBG算法流程图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明：

本实施例提出基于虚拟仪器的心音身份识别系统，如图1所示，包括依次连接的心音采集传输模块、USB蓝牙Dongle模块、嵌入式工控主板模块以及用于显示的液晶显示屏模块。其中，心音采集模块用于采集传输人体心音信号；USB蓝牙Dongle模块用于接收无线传输的心音信号；嵌入式工控主板模块用于分析和存储心音信号；液晶显示屏模块用于数据实时显示以及人机交互。

本实施例中，心音采集传输模块如图2所示由心音传感器模块、有源滤波器模块、音频放大模块、dsPIC主控单元模块、蓝牙串口模组模块以及3.3V电源模块组成。

心音传感器为驻极体话筒，用于将心音振动信号转换为电信号，驻极体话筒输出与有源滤波器模块相连。

有源滤波器模块由4阶30Hz巴特沃斯高通滤波器和4阶500Hz巴特沃斯低通滤波器组成，用于对信号进行滤波。4阶30Hz巴特沃斯高通滤波器电路如图3所示，MCP609-1和MCP609-2运放单元实现滤波功能，MCP6271运放单元向MCP609-1和MCP609-2运放单元提供VDD/2的偏置电压，MCP609-2运放单元7脚与4阶500Hz巴特沃斯低通滤波器相连。4阶500Hz巴特沃斯低通滤波器电路如图4所示，MCP609-3和MCP609-4运放单元实现滤波功能，MCP609-4运放单元14脚与音频放大模块相连，输出滤波后的心音信号。

音频放大模块电路如图5所示，用于放大经滤波后的心音信号。1脚输入心音信号，2脚输出经放大后的心音信号；4脚连接dsPIC主控单元的RG6脚，用于接收时钟信号；6脚连接dsPIC主控单元的RG7脚，用于控制音频放大倍数。

dsPIC主控单元模块如图6所示，用于控制心音采集模块和3.3V模拟电源模块，实现心音信号模数转换，音频放大倍数控制和蓝牙模组模块连接，采样频率为2000，UART波特率为115200。

蓝牙串口模组模块使用HC-06蓝牙转串口无线模块，波特率设置为115200，电路如图7所示。1脚和2脚分别连接dsPIC主控单元的RF2脚和RF3脚，实现无线收发信号；24脚用于连接LED灯，指示模组工作状态。

3.3V电源模块由模拟3.3V电源模块和数字3.3V电源模块组成。模拟3.3V电源模块用于为心音传感器模块、有源滤波器模块和音频放大模块提供3.3V电源，电路图如8图所示，1脚接外部输入电压，3脚输出3.3V电压，2脚接dsPIC主控单元的RE6脚，实现dsPIC主控单元控制电源芯片的关断开启功能；数字3.3V电源模块用于为dsPIC主控单元模块和蓝牙模组模块提供3.3V电源，电路图如图9所示，1脚接外部输入电压，2脚通过一个10K的上拉电阻与1脚相连，3脚输出3.3V电压。

本实施例中的心音采集模块供电电压应大于等于4.5V小于等于6.5V，采用三节干电池供电。

本实施例中USB蓝牙Dongle模块为免驱的USB蓝牙适配器，通过USB接口与工控主板相连接。

本实施例中嵌入式工控主板模块采用3.5寸ATOM凌动N270低功耗车载主板一体机工控主板，支持LVDS接口，支持扩展前置USB和Audio接口，有8个USB接口和2个串口，通过USB蓝牙Dongle模块接收无线传输信号。

本实施例中液晶显示屏模块含有触摸功能，能够实现人机交互功能。通过LVDS接口和USB接口与工控主板相连，LVDS接口传输数字视频信号，USB接口传输触摸信号。

本实施例中虚拟仪器接收用户控制指令，根据控制指令实时采集心音信号并对信号进行实时显示、分析处理和存储功能。工作过程如下：用户首先打开心音采集模块，dsPIC主控单元接收虚拟仪器发送的用户指令采集心音信号经滤波放大后进行模数转换并通过蓝牙模组模块无线传输，虚拟仪器通过USB蓝牙Dongle模块接收无线传输信号，并在液晶显示屏实时显示心音信号和分析结果。

本实施例提出一种基于虚拟仪器的心音身份识别方法，如图10所示。

信号预处理模块依次包括以下步骤，如图11所示：

(1)去均值：求出心音信号序列的均值，将心音信号序列减去这个均值，得到新的心音序列。

(2)归一化：求出新心音序列的绝对值的最大值，将新的心音序列除以这个最大值，得到归一化后的心音序列。

(3)去噪：使用小波去噪方法，小波基为db6，分解5层，软阈值量化处理。

(4)分帧：采用交叠分段的方法，帧长为256点，帧移为128点。

(5)加窗：为了减小信号在分帧时的截断阶段效应，降低帧两端的坡度，信号帧分别乘以hanning窗函数。

MFCC特征提取模块依次包括以下步骤，如图12所示：

(1)将预处理之后的信号做快速傅里叶变换，获得信号频谱函数。

(2)将频谱函数通过一组Mel尺度的三角形滤波器组，滤波器的个数为32。

(3)计算每个滤波器组输出的对数能量，其中H_m(k)为三角滤波器的频率响应。

$S\left(m\right)=\ln \left(\underset{k=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}\right|X\left(k\right)|*H_m\left(k\right))(0\≤m\≤M)$

(4)最后经过离散余弦变换(DCT)即可得到MFCC系数：

$c\left(n\right)=\underset{m=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}S\left(m\right)\cos (\mathrm{\πn}(m-0.5)/M)(0\≤m\≤M)$

VQ模型匹配模块依次包括以下步骤，如图13所示：

(1)在训练阶段用LBG算法，由其训练序列聚类生成码本，用分裂法确定初始码本；LBG算法流程图如图14所示。

(2)在识别阶段，首先要对待识别的信号提取特征参数，再有每个模板依次对特征参数序列进行矢量量化，计算待识别信号与各个模版的欧氏距离测度。

(3)计算出各个人的平均量化失真度D，最终的识别结果就是D中最小者对应的那个人，即所要辨识的那个人。

$D_i=\frac{1}{T}\underset{j=1}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}\min \left[d(x_j,B_m^i)\right]$

心音身份识别方法执行过程可分三步：

步骤S1，通过虚拟仪器接收用户注册指令，调用数据库存储模块，将注册用户名写入本地数据库中；

步骤S2，通过虚拟仪器接收用户采集心音信号指令，打开串口读写模块，发送开始采集命令至心音采集模块，通过串口读取USB蓝牙Dongle模块接收到的心音信号，依次调用信号预处理模块、MFCC特征参数提取模块和数据库存储模块，提取用户心音信号的特征模版并存储在本地数据库中。图11为信号预处理流程图，分帧模块中帧长为256点，重叠帧长为128点；图12为MFCC特征提取流程图。

经过上述两步，可调用用户识别模块进行用户识别。

步骤S3，通过虚拟仪器首先接收用户识别指令，而后接收用户采集心音信号指令，打开串口读写模块，发送开始采集命令至心音采集模块，通过串口读取USB蓝牙Dongle模块接收到的心音信号，依次调用信号预处理模块、VQ模型匹配模块、数据库读取模块，根据欧氏距离最小准则实现心音身份识别。

Claims (2)

1.一种基于虚拟仪器的心音身份识别系统，包括心音采集传输模块、包含虚拟仪器的嵌入式工控主板模块、USB蓝牙Dongle模块以及用于显示的液晶显示屏模块，其特征在于：心音采集传输模块包括心音传感器模块、有源滤波器模块、音频放大模块、dsPIC主控单元模块、蓝牙串口模组模块以及3.3V电源模块，心音采集传输模块通过蓝牙串口模组模块发送采集信号；工控主板通过USB蓝牙Dongle模块接收心音信号，通过LVDS接口和USB接口与液晶显示屏相连；

所述心音传感器模块将心音振动信号转换为电信号；

所述有源滤波器模块接收心音信号，对其进行滤波，去除环境噪声；

所述音频放大模块对心音信号进行放大并控制放大倍数；

所述dsPIC主控单元模块接收用户指令进行心音信号采集和模数转换；

所述蓝牙串口模组模块用于心音信号无线传输；

所述3.3V电源模块用于提供3.3V稳压电源；

所述USB蓝牙Dongle模块通过USB接口虚拟串口接收心音信号；

所述嵌入式工控主板是基于x86平台的一体机工控主板，包含虚拟仪器，用于实现数据分析处理和存储；

所述液晶显示屏是工业级的带有触摸功能的液晶显示屏，用于实时显示和人机交互；

所述虚拟仪器安装在工控主板模块中，接受用户指令并根据用户指令选择心音采集模式、用户注册模式以及用户识别模式，对心音信号进行实时显示、分析、注册、识别和存储。

2.利用如权利要求1所述的系统识别心音身份的方法，其特征在于：该方法中使用用户注册模块和用户识别模块；

所述的用户注册模块中包括串口模块、信号预处理模块、Mel频率倒谱系数特征参数提取模块和数据库存储模块；用户注册模块包括串口模块、信号预处理模块、矢量量化模型匹配模块和数据库读取模块；

所述串口模块是虚拟仪器通过配置串口收发无线传输信号；

所述信号预处理模块依次包括对心音信号去均值、归一化、去噪、分帧和加窗步骤；

所述Mel频率倒谱系数特征参数提取模块依次包括快速傅立叶变换、Mel滤波器组滤波、求Log对数能量和DCT求倒谱步骤；

所述矢量量化模型匹配模块包括LBG算法、平均量化失真计算和欧式距离测度步骤；

所述数据库存储模块用于存储数据至本地数据库；

所述数据库读取模块用于读取本地数据库中数据；

所述用户注册模块通过虚拟仪器接收用户指令，完成心音信号实时显示、分析、用户身份注册和心音模版存储；

所述用户识别模块通过虚拟仪器接收用户指令，读取用户注册心音模版，完成心音信号实时显示、分析和用户身份识别；

该方法的具体过程是：首先采集心音信号，将心音振动信号转换为电信号，而后对心音信号进行滤波和放大，然后再对经滤波放大后的信号进行模数转换和蓝牙传输；工控主板通过USB蓝牙Dongle模块接收无线传输信号；虚拟仪器通过调用用户注册模块实现用户心音信号的实时显示、分析和注册；通过调用用户识别模块实现心音信号实时显示、分析和识别。

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