CN104287717A - 基于双电极的手指心电身份识别系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于双电极的手指心电身份识别系统。生物识别技术常用的生理特征包括：指纹、掌型、虹膜、视网膜、脸型、手腕/手的血管纹理和DNA等。本发明由下位机和上位机两部分组成，下位机为基于双电极的手指心电信号的采集模块，上位机为基于Android智能手机的心电身份识别应用软件。其中，下位机手指心电采集模块主要由双电极传感器、前置滤波器、电源电路，BMD101芯片电路、蓝牙模块电路组成。本发明使用基于双电极的手指心电采集模块实现人体生物特征身份识别系统，提供了一种利用采集手指处ECG信号实现身份识别新方法，该系统具有操作简单、稳定度高、可靠性强、便携、成本低、容易实现等特点。

Description

基于双电极的手指心电身份识别系统

技术领域

本发明属于人体生物特征身份识别领域，具体涉及一种基于双电极的手指心电身份识别系统。

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，对人类自身身份识别的准确性、安全性与实用性提出了更高的要求。与传统的基于密码或ID卡的认证方式相比，生物识别技术（Biometrics）具有更高的安全度与可靠度，已逐渐成为国际研究的热点，并逐渐在不同的领域发挥着举足轻重的作用。生物识别技术常用的生理特征包括：指纹、掌型、虹膜、视网膜、脸型、手腕/手的血管纹理和DNA等；行为特征包括：语音、签名、行走的步态和击打键盘的力度等。目前商业上采用的生物识别方法主要：人脸识别、虹膜识别、指纹识别和声音识别等。但是这些识别方法的共同缺陷是易于被各种伪装骗过而降低安全性，指纹易被遗留在抓取的物体上而被别人盗用，脸形容易从用户的相片中提取出来，声音容易被模仿等等。因此，为了增加生物识别技术的可靠性和安全性，探索新的生物识别方法是身份识别领域的热点之一。因此，基于人体心电信号的生物特征识别方法就是在这样的背景下由国外学者和专家提出的。

心电图（Electrocardiogram，简称ECG）是人的心脏跳动产生的生物电势，反映了心脏兴奋的电活动过程，它对心脏基本功能及其病理研究方面，具有重要的参考价值。心电信号具有唯一性的特点，对人体的心电信号进行分析，其结果不但可以用来作为临床医学诊断的依据，也可以作为一种生物特征，用来识别人的身份。由于人与人之间的心脏位置、大小、形状、胸部构造、年龄、性别、体重、情绪和运动状况等因素都不相同，因此每个人的心电信号都是独一无二的，ECG波形必然不尽相同，所以可利用ECG识别个人的身份。

相比传统的生物识别技术，基于ECG的身份识别技术具有以下独特的优势。首先，信号来自于人的心脏，只用于活体身份识别，不易被仿制；其次，任何人都有ECG，具备普适性，不易被忘掉或丢失；第三，ECG是人体内部特征，和很多因素有关，每个人的ECG都不一样，很难被别人掌握或仿制；第四，ECG是一维信号，处理简单，数据量小，节省存储空间；第五，由于ECG信号频繁应用于病人的身体状况监测中，因此ECG身份识别在医疗保健应用中方便、有效，不需要附加数据就可以在医疗记录、药物管理或其他远程医疗中识别人的身份；第六，ECG都可以快速的非侵入的即时测量。ECG所具有的独特生理特征使其有望成为有巨大应用前景的新型身份识别方法之一。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出了一种基于双电极的手指心电身份识别系统，该系统不仅具备识别率高，可靠性强，稳定性突出等特点，还具有便携简单的优势，只需使用双手触摸传感器电极即可进行心电身份识别。

技术方案：本发明由下位机和上位机两部分组成，下位机为基于双电极的手指心电信号的采集模块，上位机为基于Android智能手机的心电身份识别应用软件。其中，下位机手指心电采集模块主要由双电极传感器、前置滤波器、电源电路，BMD101芯片电路、蓝牙模块电路组成。该方案是一种以干接触方式（区别于医学上测量时需清洁皮肤和涂导电胶等物质的湿接触方式）测量人体心电信号，然后应用于生物特征身份识别领域，这种方法的提出具备良好的市场需求和前景。

所述的双电极传感器主要由自制的圆形纽扣式的不锈钢电极构成，它将接收心脏引起的传导至皮肤表面的电位，两个电极间形成的电位差，就构成了原始的手指心电信号，然后通过导线传输至前置滤波器。

所述的前置滤波器主要是由Sallen-Key拓扑结构设计的4阶有源高通滤波器，截止频率为0.5Hz，它将滤除低频干扰信号，主要有肌电信号、呼吸波等引起的干扰，从而获得波形效果较好的手指心电信号。

所述的电源电路由电源IC（即SGM2020）构建，提供3.3V稳压电源。

所述的BMD101芯片电路是该模块的核心，主要用于滤波、放大和模数转换，为后续开发提供数字心电数据。

所述的蓝牙模块电路主要由HC-06模块搭建，将A/D转换后的数据通过蓝牙传输至上位机的基于Android智能手机的心电身份识别应用软件。

所述的基于Android智能手机的心电身份识别应用软件主要完成的功能有蓝牙快速连接、用户注册、用户识别、系统设置等。

本发明的有益效果：本发明使用基于双电极的手指心电采集模块实现人体生物特征身份识别系统。提供的一种利用采集手指处ECG信号实现身份识别新方法，该系统具有操作简单、稳定度高、可靠性强、便携、成本低、容易实现等特点。不仅为身份识别领域提供一种防伪能力强、识别特征具有活体携带，不必记忆的新型仪器，为当前如火如荼的智慧城市之智慧安防领域的建设提供技术支撑，还能作为医疗辅助设备作为日常健康监护系统观测人体ECG信号，保存的ECG在线上传，使医生能够实时监护和反馈用户的健康状况。

附图说明

图1为本发明的结构框图。

图2为前置滤波器电路原理图。

图3为电源模块电路原理图。

图4为蓝牙模块电路原理图。

图5为NFC响应流程图。

图6为蓝牙配对流程图。

图7为心电身份识别系统功能框图。

具体实施方式

以下结合附图对该发明做进一步的详细说明：

如图1所示，为本发明的结构框图。双电极传感器主要由自制的圆形纽扣式的不锈钢电极构成，通过导线连接至前置滤波器，这是一种干接触测量方法，避免了在接触皮肤表面擦拭酒精、涂导电胶等物质，使用方便，对被测试者的约束性小。由于人体心电信号的有效频率范围在0.5Hz-100Hz，属于低频信号，而且手指离心脏较远，采集到的信号比较微弱，通常为mv级。而且通过自制的圆形纽扣式的不锈钢电极传感器不可避免的会引入各种干扰噪声，如传感器与皮肤的接触不良、采集设备自身的干扰、50Hz工频干扰等生物体外的干扰，还包括来自生物体内的干扰，如呼吸产生的基线漂移、肌电干扰、脑电信号干扰等。所以接收后的心电信号需要先通过截止频率为0.5Hz的前置滤波器（即4阶有源高通滤波器），滤除一些低频干扰信号，使得心电信号更为纯净，接着使用BMD101集成芯片进行处理，片内集成的模拟电路可完成：模拟滤波（包括低通滤波器的截止频率100Hz，高通滤波器的截止频率为0.5Hz）、50Hz陷波电路（用于滤除工频干扰）、信号放大电路、采样及A/D转换；集成的数字电路可完成数字域滤波、心率算法管理等功能。模数转换为12位A/D转换，得到的数字ECG信号通过HC-06蓝牙模块传输至基于Android智能手机的手指心电身份识别软件。心电信号的采样频率为2000Hz，蓝牙传输波特率为57600Baud。

如图2所示，为前置滤波器电路原理图。该高通滤波器的截止频率为0.5Hz，电路具有单倍的增益。有源高通滤波器，采用的运算放大器为OP07，外加电阻电容构成4阶Sallen-Key拓扑结构的巴特沃斯滤波器。该滤波器的对于低频干扰的滤除效果相当理想，且具有很高的陡降效应。

如图3所示，为电源模块电路原理图。该模块电路采用电源集成IC（SGM2020）构成，外加一些电容设计而成，电路简单，能够提供VDD为3.3V的稳压电源，且外置供电电压VBAT可在3.5V-5.5V之间，可用3节干电池或者蓄电池供电，具有很好的选择性以及避免使用强电，在一定程度上减少了工频干扰。

如图4所示，为蓝牙模块电路原理图。该电路使用HC-06蓝牙集成模块设计，电路简单，模块接口多，可扩充性强。该模块电路能够实现ECG信号数据的发送，使得上位机软件能够接收并进行处理。

如图5所示，为NFC响应流程图。首先，贴有NFC标签的下位机采集模块跟内置NFC天线模块的Android智能手机进行触碰，范围在10cm以内，否则影响效果；其次，触碰完成后，将启动相关的应用。Android智能手机将得到一个Internet对象并读取NdefMessage对象，该对象包含相应HC-06模块MAC地址以及AAR（Android Application Record）；接着，AAR应用将提供手机蓝牙设备的MAC地址，读取HC-06蓝牙模块的MAC地址时，系统将会自动打开蓝牙，注册UUID；最后，这两个MAC地址进行启动配对，返回供连接的BluetoothDevice对象，便能够进行数据传输服务。

如图6所示，为蓝牙配对流程图。接收方设备（即Android智能手机）打开蓝牙，搜索附近设备，然后选择HC-06蓝牙模组对应的蓝牙设备，获得该模组的MAC地址，并输入配对连接密码后注册UUID，通过MAC地址得到BluetoothDevice对象 ，便能够获得BluetoothSocket对象，调用connect()方法建立Android智能手机和蓝牙模块的连接。由BluetoothSocket对象的输入输出流可以完成手机和HC-06模块的蓝牙通信。

如图7所示，为心电身份识别系统功能框图。该系统主要包括三大功能模块：蓝牙配对、用户注册、系统管理。蓝牙配对模块主要功能为搜索蓝牙设备、配对连接。用户注册模块的主要功能为基本信息注册、信号采集和波形显示。系统管理模块的主要功能为注册用户查询、波形回放和系统帮助。下面分别介绍这三大功能模块。

蓝牙配对模块完成Android智能手机同心音采集硬件设备的匹配连接，可以控制蓝牙的开启、关闭、搜索蓝牙设备，完成蓝牙配对的功能。经过dsPIC33FJ128MC506芯片的AD转换后，数据通过HC-06模块发送。Android手机作为接收方，首先打开蓝牙，并向系统注册程序UUID。然后开始搜索蓝牙设备，找到HC-06蓝牙模块对应的设备名称，获取其MAC地址，每一个HC-06模块具备一个固有的MAC地址。通过该MAC地址得到BluetoothDevice对象。然后使用上述UUID获得BluetoothSocket对象。通过BluetoothSocket对象的connect()方法完成BluetoothSocket的连接。若Android手机在此之前并未与HC-06配对，便需要输入配对密码完成与HC-06模块的配对，该配对密码由HC-06模块设定，可人为修改。当完成上述步骤后，便完成了Android手机同蓝牙模块的连接，可以完成蓝牙数据的传输与接收。

用户注册模块，主要有基本信息注册、信号采集处理、波形显示三个功能。首先往EditText显示控件中输入用户名、年龄等信息。点击“完成基本信息注册”Button按钮，通过Intent打开“心音采集和显示”的Activity，并往该Activity传入刚刚输入的“用户名”、“年龄”等信息。若完成和HC-06蓝牙模块的匹配连接后，可获得BluetoothSocket对象。通过BluetoothSocket对象的getInputStream()方法获得InputStream输入流对象。从该InputStream输入流对象便可读取AD转换后的心音数据。波形显示的方法是自定义一个SurfaceView显示控件。该控件可根据窗口大小自动调整在屏幕中的显示范围。该SurfaceView显示控件中自定义方法addNewDataToDraw()不断更新要显示的数据。在“心音采集和显示”的Activity中每接收到一个数据，便调用上述addNewDataToDraw()方法往SurfaceView显示控件中更新数据，从而达到更新波形显示的目的。当完成采集后，保存相应的波形数据到指定路径的txt文件中，数据之间用制表符分隔。此外，往SQLite数据库中写入数据。SQLite数据库中字段为姓名、性别、年龄、联系电话、心音注册信号txt文件路径。

系统管理流程图。在系统管理界面，首先要完成管理员登陆模块，系统通过Shared Preferences保存管理员用户名和密码。该管理员密码通过MD5算法加密。往EditText中输入用户名和密码，进行密码验证。第一次使用该模块需注册一个管理员账号。完成登陆后，通过ListView显示已注册用户信息。ListView显示的是SQLite中保存的用户姓名、年龄、联系方式等信息。选择某个注册用户的条目，打开“详细用户信息和心音波形回放”功能对应的Activity。通过查询SQLite数据库，找到对应该用户的心音数据txt文件路径，通过该路径读取心音信号数据，通过自定义SurfaceView显示控件显示心音波形。系统帮助，主要描述的是使用系统的注意事项及功能的可扩展性，主要包括：采集时，左右手指触摸不锈钢电极即可，但要注意左右手指分别对应+/-端电极，尽量保持呼吸均匀；该心电身份识别系统采集正常情况下的波形保存，可作为医疗诊断的参考数据，为医生的诊断和反馈提供了一种依据。

本发明研制基于双电极的手指心电信号的身份识别仪器系统，分别在信号的预处理、特征提取、模式识别等技术领域进行深入研究，旨在突破ECG信号用于个人身份识别的关键技术，为ECG身份识别技术的应用奠定坚实的理论基础和技术支撑，并提供一种准确率高、稳定性强、防伪能力好的身份识别新型仪器。项目研究成果可直接应用于开发ECG身份识别新型设备，并可在银行、电力、医院、海关、税务、证券、工商等领域推广应用，对提高信息化应用水平、促进电子商务与经济社会发展等具有重要的意义。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。

Claims (1)

1. 基于双电极的手指心电身份识别系统，由下位机和上位机两部分组成，下位机为基于双电极的手指心电信号的采集模块，上位机为基于Android智能手机的心电身份识别应用软件，其特征在于：采集模块主要由双电极传感器、前置滤波器、电源电路，BMD101芯片电路、蓝牙模块电路组成；

所述的双电极传感器主要由圆形纽扣式的不锈钢电极构成，它将接收心脏引起的传导至皮肤表面的电位，两个电极间形成的电位差，就构成了原始的手指心电信号，然后通过导线传输至前置滤波器；

所述的前置滤波器主要是由Sallen-Key拓扑结构设计的4阶有源高通滤波器，截止频率为0.5Hz，它将滤除低频干扰信号，主要由肌电信号和呼吸波引起的干扰，从而获得波形效果较好的手指心电信号；

所述的电源电路由电源IC构建，提供3.3V稳压电源；

所述的BMD101芯片电路是采集模块的核心，主要用于滤波、放大和模数转换，为后续开发提供数字心电数据；

所述的蓝牙模块电路主要由HC-06模块搭建，将A/D转换后的数据通过蓝牙传输至上位机；

所述的基于Android智能手机的心电身份识别应用软件主要完成的功能有蓝牙快速连接、用户注册、用户识别和系统设置。