CN113069751A

CN113069751A - 一种用于体质检测的学生身份识别匹配终端

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Publication number: CN113069751A
Application number: CN202110354059.0A
Authority: CN
Inventors: 王宏志; 张金栋; 胡黄水; 韩优佳; 韩博; 谢沛松
Original assignee: Changchun University of Technology
Current assignee: Changchun University of Technology
Priority date: 2021-04-01
Filing date: 2021-04-01
Publication date: 2021-07-06

Abstract

本发明涉及一种用于体质检测的学生身份识别匹配终端。该终端采用模块化设计，具体包括识别主控模块、人脸识别模块、声纹识别模块、WIFI接口模块、接口模块、显示模块、手环主控模块、心率检测模块、手环WIFI模块以及佩戴检测模块。识别主控模块采用ALTERA公司的FPGA芯片EP4CE115F29C7，手环主控模块采用Dialog公司的芯片DA16481，通过片上资源分别与各个功能模块连接，实现对学生体质测试过程中的安全保证以及对学生身份的准确匹配。

Description

一种用于体质检测的学生身份识别匹配终端

技术领域

本发明涉及学生身份匹配领域，特别是一种基于人脸识别、声纹识别与手环相结合的学生身份匹配终端。本发明通过人脸和声纹识别来匹配学生学号，通过手环来实时检测学生心率情况，在保证学生体质测试过程安全的情况下防止出现体质测试过程中换人的情况，确保学生体质测试数据的真实性。

背景技术

学生作为一个国家、民族的未来与希望，其体质健康状态历来都受到世界各国政府的重视。我国为激励学生积极参加身体锻炼，提升学生体质健康，2014年7月18日教育部公布了最新修订的《国家学生体质健康标准》。为了响应教育部的要求，各级地方教育部门以及学校修改相应教学计划，积极调动各种资源，部署监测系统。

现有监测系统通过各种传感器感知学生的体质健康信息，但是测试过程中总存在数据不真实问题。传统的人工监测已无法保障可靠真实数据的采集，如生物识别等技术应用于体质健康检测系统。但在实际测试过程中依然无法确保数据真实。

因此，实现学生身份有效确认一直是学生体质健康测试面临的重要问题。

发明内容

本发明针对上述问题，提供一种用于体质检测的学生身份识别匹配终端。该终端通过识别学生人脸和声音，匹配其学号，并通过手环确保学生在体质测试过程中没有换人及保证学生安全，从而实现学号和学生的准确匹配，确保学生体质测试数据的真实性。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：模块化设计，具体包括识别主控模块、人脸识别模块、声纹识别模块、WIFI接口模块、接口模块、显示模块、手环主控模块、心率检测模块、手环WIFI模块和佩戴检测模块。识别主控模块采用ALTERA公司的Cyclone IV系列的FPGA芯片EP4CE115F29C7，并通过片上资源分别与各个功能模块连接，手环主控模块采用Dialog公司的DA16481芯片，并通过片上资源分别与各个功能模块连接实现对学生身份的准确匹配和确保体质测试过程中学生安全及体质测试数据准确性的功能。

所述的识别主控模块采用ALTERA公司的FPGA芯片EP4CE115F29C7，其为Altera公司推出的60nm工艺产品，面向对成本敏感的大批量应用，以满足越来越大的带宽需求，同时降低了成本。其具有114480个逻辑门，具有丰富的片上资源，包括432M9K内存模块，3981Kbits嵌入式存储器位，4个锁相环和529个可以使用的I/O口等，并在FPGA基础上采用内嵌Nios II软核处理器，通过Avalon总线与外设相连。通过OTG接口与人脸识别模块连接，通过UART接口与接口模块和WIFI接口模块连接，通过HDMI接口与显示模块连接，实现人脸和声音的特征数据和学生学号数据的传输、识别和匹配。

所述的人脸识别模块由荣扬盛200万超清USB摄像头和CYPRESS公司的USB控制器CY7C67200组成，其提供分辨率为1920*1080的人脸数据采集，并提供过高速USB接口与USB控制器CY7C67200连接，CY7C67200通过OTG接口与识别主控模块连接，实现人脸图像的采集。

所述的声纹识别模块采用欧胜微电子（Wolfson）公司的WM8960芯片，这是一款低功耗，高质量的立体声编解码器，采用D类扬声器驱动器，可在8W负载下为每通道提供1W功率，该IC集成了完整的麦克风接口和立体声耳机驱动器，由于不需要独立的麦克风、扬声器或者头戴式耳机放大器，因此显著减少了外部元器件数量，此模块用于学生声音的采集。

所述的WIFI接口模块采用深圳安信可科技有限公司的ESP8266芯片，其支持无线802.11 b/g/n标准、天线分集和WPA/WPA2安全模式，内置10bit高精度ADC、TCP/IP协议栈、TR开关、PLL、稳压器和电源管理组件等，可以在2ms之内唤醒、连接并传递数据包，待机状态消耗功率小于1.0mW(DTIM3)，实现将特征数据上传至上位机以及接收上位机命令。

所述的接口模块采用MAXIMUM公司的MAX3232芯片，其具有2路接收器和2路驱动器，收发器采用专有的低压差发送器输出级，利用双电荷泵在3.0V至5.5V电源供电时能够实现真正的RS232性能，可以确保在120kbps数据速率下维持RS232输出电平。其通过UART与识别主控模块连接，实现与上位机与本终端的调试接口。

所述的显示模块采用NEWHAVEN公司的NHD-7.0-HDMI-N-RTXL-CTU显示器，其具有24位真彩色和800*480分辨率，内置德州仪器公司的TPS61165高亮度LED驱动器，提供带USB-HID电容式或电阻式和标准的MVA选项。其通过HDMI接口与识别主控模块连接，实现对学生信息和匹配结果等信息的显示。

所述的手环主控模块采用Dialog公司的DA16481芯片，其该器件采用提供多种嵌入式存储器选择的32位ARMCortex-M0处理器，这种处理器能在需要时产生功耗，在不需要时节省功耗，从而始终开启检测功能。除了片载充电器和电量计外，该器件的集成PMU还能有效地为多达三个外部设备供电，并能通过USB接口为电池再充电，此外，通过专门的加密引擎进行端到端加密，以保护个人数据，进而实现银行级安全。

所述的心率检测模块采用云电高科科技有限公司的YK1303P芯片和HR6706芯片，其中YK1303P芯片是一款低功耗的心率传感器，采用光电式容积描记（PPG）的方式感应人体的心跳信息并加以提取，最后输出心率波形。该产品集合了上一代产品YK1303的优点，采用高灵敏度光感IC以及两个绿色LED以及低噪声前置放大器，功耗更低。HR6706心率芯片是被设计用来配合YK1303P 心率传感器的一款心率IC，可同时输出心率的方波和正弦波，工作电压范围从 2.1V 到 5.5V（配合心率监测电路时通常为 3V 供电）正常工作温度为-40℃到+85℃，HR6706心率芯片作电流可低至 60 微安，偏置电流为 10PA，配合 YK1303P心率传感器芯片，可达到非常低的功耗。

所述的手环WIFI模块采用深圳安信可科技有限公司的ESP8266芯片，其支持无线802.11 b/g/n标准、天线分集和WPA/WPA2安全模式，内置10bit高精度ADC、TCP/IP协议栈、TR开关、PLL、稳压器和电源管理组件等，可以在2ms之内唤醒、连接并传递数据包，待机状态消耗功率小于1.0mW(DTIM3)，实现将手环数据上传至上位机以及接收上位机命令。

所述的佩戴检测模块采用云电高科科技有限公司的GY2702芯片，其为一款低功耗人体感应传感器芯片，体积小巧，尺寸为 3.1*2.3*1.1mm，兼容 SOT23-5 封装，方便设计，内置高精度稳压电路，电压范围 2.3 到 5.5V，该产品可应用于检测用户对智能产品的佩戴情况，结构无需开窗，在保证产品外观的同时，实现离体检测功能，且可靠性高，该人体感应传感器芯片内置自适应功能，不必担心系统重新上电，内置强大的防抖动电路，可以达到抗干扰抗误动作。

附图说明

图1为本发明总体结构框图；

图2为本发明识别主控模块原理框图；

图3为本发明人脸识别模块原理框图；

图4为本发明声纹识别模块第一部分电路图；

图5为本发明声纹识别模块第二部分电路图；

图6为本发明声纹识别模块原理框图；

图7为本发明WIFI接口模块原理框图；

图8为本发明接口模块原理框图；

图9为本发明显示模块原理框图；

图10为本发明手环主控模块原理框图；

图11为本发明手环WIFI模块原理框图；

图12为本发明心率检测模块电路图；

图13为本发明心率检测模块原理框图；

图14为本发明佩戴检测模块电路图；

图15为本发明佩戴检测模块原理框图；

图16为本发明工作流程图。

具体实施方式

如图1所示，一种用于体质检测的学生身份识别匹配终端，包括识别主控模块、人脸识别模块、声纹识别模块、WIFI接口模块、接口模块、显示模块、手环主控模块、心率检测模块、手环WIFI模块以及佩戴检测模块。识别主控模块采用ALTERA公司的FPGA芯片EP4CE115F29C7，并通过片上资源分别与人脸识别、声纹识别、WIFI接口、接口以及显示模块连接；手环主控模块采用Dialog公司的DA16481芯片，并通过片上资源分别与心率检测模块、手环WIFI模块以及佩戴检测模块连接，实现对学生身份的准确匹配和体质测试过程的安全监测。

所述的识别主控模块采用ALTERA公司的FPGA芯片EP4CE115F29C7，如图2所示，其通过OTG接口与人脸识别模块连接，通过UART接口与接口模块和WIFI接口模块连接，通过HDMI接口与显示模块连接，实现特征数据、学生信息的传输、识别和匹配。具体为通过引脚A16、A17、A18、A19、A20、A21、A[15..0]、A21分别与人脸识别模块的USB控制器OTG接口的H6、F5、G5、H5、G4、A5、B2、A2、C3、A3、B3、C4、B4、B5、C5、C6、D5、D4、E6、E5、E4、F6、H4电气连接。通过引脚C1、C2、C3、R5分别与WIFI接口模块的16、15、3、1电气连接。通过引脚C8、C9、G3、D3分别与接口模块的引脚3、2、4、1电气连接。通过引脚B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8、B9、B10、B11、B12、B13分别与显示模块的引脚19、18、16、15、13、12、10、9、7、6、4、3、1电气连接。通过引脚H1、H2、H3、H4、H5、H6、H7、H8、H10、H11、H12、H13分别于声纹识别模块的引脚11、12、13、14、15、16、17、18、19、22、P1、P2电气连接。

所述的人脸识别模块由荣扬盛200万超清USB摄像头和CYPRESS公司的USB控制器CY7C67200组成，如图3所示，其提供分辨率为1920*1080的人脸数据采集，并提供高速USB接口与USB控制器CY7C67200连接，CY7C67200通过OTG接口与识别主控模块连接，实现对人脸图像的采集。具体为模块中的USB接口连接USB摄像头，USB控制器CY7C67200的引脚H6、F5、G5、H5、G4、A5、B2、A2、C3、A3、B3、C4、B4、B5、C5、C6、D5、D4、E6、E5、E4、F6、H4分别与主控模块的引脚A16、A17、A18、A19、A20、A21、A[15..0]、A21电气连接，CY7C67200的引脚F2、E3分别与USB接口的引脚2、3电气连接，USB接口引脚1连接电源，引脚4、5、6接地。

所述的声纹识别模块欧胜微电子（Wolfson）公司的WM8960芯片，其拥有24位立体声ADC和DAC采用Cirrus Logic的音频架构，以极低的功耗实现了较高的性能，输出端由1个XH2.54-2P白色插座引出,，最高输出功率为 1W，并具有完整的模拟音量控制的立体声耳机和线路驱动器，集成了耳机检测支持功能，实现了学生的声纹检测。如图4、图5、图6所示，具体为WM8960芯片的引脚11、12、13、14、15、16、17、18、19、22、P1、P2分别和识别主控模块的引脚H1、H2、H3、H4、H5、H6、H7、H8、H10、H11、H12、H13电气连接。

所述的WIFI接口模块采用深圳安信可科技有限公司的ESP8266-12，如图7所示，其支持无线802.11 b/g/n标准，通过UART接口与识别主控模块连接，实现将人脸特征数据上传至上位机以及接收上位机命令和匹配学号数据。具体为模块的引脚16、15、8、3、1、9分别和识别主控模块的引脚C1、C2、D5、C3、R5、G5电气连接。

所述的接口模块采用MAXIMUM公司的MAX3232芯片，如图8所示，通过UART与识别主控模块连接，实现与上位机与本终端的调试接口。具体为模块的引脚3、2、4/1分别和识别主控模块的引脚C8、C9、G3、D3电气连接。

所述的显示模块采用NEWHAVEN公司的NHD-7.0-HDMI-N-RTXL-CTU显示器，如图9所示，通过HDMI接口与识别主控模块的HDMI接口连接，实现对学生信息和匹配结果等信息的显示。具体为模块的19、18、16、15、13、12、10、9、7、6、4、3、1分别和主控模块的引脚B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8、B9、B10、B11、B12、B13电气连接，引脚23、22、21、20、17、11、8、5、2接地。

所述的手环主控模块采用Dialog公司的DA16481芯片，如图10所示，其通过引脚X1、X2、D6、X3、X4、G6与WIFI模块的的16、15、8、3、1、9引脚电气连接。其通过引脚Y1、Y2、Y3、Y4、Y5与心率检测模块的T1、S1、S2、VCC、GND引脚电气连接。其通过引脚Z1、Z2、Z3与佩戴检测模块的T2、VCC、GND引脚电气连接。

所述的手环WIFI模块采用深圳安信可科技有限公司的ESP8266芯片，其支持无线802.11 b/g/n标准，实现将手环数据上传至上位机以及接收上位机命令的功能。如图11所示，具体为模块的的16、15、8、3、1、9引脚与手环主控模块的X1、X2、D6、X3、X4、G6引脚电气连接。

所述的心率检测模块采用云电高科科技有限公司的YK1303P芯片和HR6706芯片，实现实时监测体质测试过程中学生身体状况的功能。如图12、图13所示，具体为模块的T1、S1、S2、VCC、GND引脚与手环主控芯片的Y1、Y2、Y3、Y4、Y5引脚电气连接。

所述的佩戴检测模块采用云电高科科技有限公司的GY2702芯片，实现监测体质测试过程中是否有换人情况的功能。如图14、图15所示，具体为模块的T2、VCC、GND引脚与手环主控芯片的Z1、Z2、Z3引脚电气连接。

所述的一种用于体质检测的学生身份识别匹配终端工作流程如图16所示，首先将学生信息录入特征库，并将对应的人脸库和声音库进行训练，将人脸库中的图像和声音库的音频进行预处理，对图像中的人脸进行检测和判断，提取眼睛、鼻子、嘴、下巴等局部及它们之间的结构关系作为几何特征，将音频中的鼻音、沙哑音、带呼吸音等声学特征、韵律特征、口音信息作为特征进行提取，之后将学生信息和特征匹配后录入特征库覆盖原有信息。当需要进行身份匹配的时候，首先检测手环是否佩戴，心率是否正常，随后进行图像声音采集、图像声音预处理、特征提取等步骤，最后与特征库中的信息进行匹配，并将匹配的学生信息通过WIFI传送给上位机和手环，当发现身份匹配失败或成功、学生心率不正常、摘掉手环等举动时，通过声纹识别模块进行播报，则可通过手环对学生安全及测试数据的真实准确性进行进一步保证。

Claims

1.一种用于体质检测的学生身份识别匹配终端，其特征在于：采用模块化设计，具体包括识别主控模块、人脸识别模块、声纹识别模块、WIFI接口模块、接口模块、显示模块、手环主控模块、心率检测模块、手环WIFI模块和佩戴检测模块。

2.根据权利要求1所述的一种用于体质检测的学生身份识别匹配终端，其特征在于：识别主控模块采用ALTERA公司的FPGA芯片EP4CE115F29C7，手环主控模块采用Dialog公司的DA16481芯片，并通过片上资源分别与各个功能模块连接，实现对体测过程中学生安全的保证以及对学生身份的准确匹配。

3.根据权利要求1所述的一种用于体质检测的学生身份识别匹配终端，其特征在于：通过人脸识别、声纹识别、手环佩戴及心率检测的结合来进行学生身份识别匹配，并在确保学生安全的同时保证数据的真实性。

4.根据权利要求3所述的一种用于体质检测的学生身份识别匹配终端，其特征在于：人脸识别模块由荣扬盛200万超清USB摄像头和CYPRESS公司的USB控制器CY7C67200组成来实现人脸图像的采集，声纹识别模块采用欧胜微电子（Wolfson）公司的WM8960芯片来实现声音的采集。

5.根据权利要求3所述的一种用于体质检测的学生身份识别匹配终端，其特征在于：心率检测模块采用云电高科科技有限公司的YK1303P芯片和HR6706芯片进行心率的检测保证学生安全，佩戴检测模块采用云电高科科技有限公司的GY2702芯片保证数据真实性。