一种ECG身份验证智慧衣的制作方法

本实用新型属于身份安全验证领域，基于智慧衣这种可穿戴设备来提供用户的身份验证信息，是一种身份安全与可穿戴设备智慧衣相结合的实用新型。

背景技术：

在过去十年中，利用心电图在生物识别的研究的数量不断增加。心电图唯一性的特点使得它非常适合识别领域。然而，尽管在文献中所找到用于识别的方法甚多，但是对于一直都能找到最适当的方法。而且对于如何在实践中充分利用ECG信号特性也没能找到完美的解决方案。目前主流的身份验证手段主要集中在人脸识别验证和指纹识别验证领域。

苹果手机的Touch ID就是用于指纹用于身份验证的例子，事实上，指纹并不那么可靠，最近有用户利用指纹贴成功解锁，另一种方案是人脸识别，这种方法受到光照，样本集，边缘问题的影响较大，而且人脸识别系统的工作过程大多基于静止图像，通过与人脸数据库的比对来进行人脸识别，适用于实时性要求不高的场景。基于视频的人脸识别，则需要动态的从视频中提取出静态图像，进而实现人脸识别，它的过程较为复杂而且对系统的计算能力和内存开销要求较高。不适合大数据时代的要求，而且准确度难以把控。

而最近新出现的身份验证手段-ECG身份验证逐渐得到广泛的重视，ECG身份识别作为生物识别技术，是利用统计方法根据用户的生理和行为特征进行识别的技术。它主要用于解决访问控制的问题，提供了比现有的认证方法更可靠、更安全的替代品。在过去十年中，心电图(ECG)已被确认为适合于身份识别的体征数据。使用ECG心电图进行识别具有其独特的优势：在生物识别技术中心电图是具有普遍性并且很难伪造。在整体精度的测量中，我们计算了验证方案的识别率和错误率的加权平均值。识别率的结果和错误率分别为94.95％，0.92％。

技术实现要素：

本实用新型提供了一种基于ECG信号的身份验证智慧衣，将智慧衣与ECG信号的身份验证技术相结合，达到准确率极高的身份识别，可以很完美地解决现有技术存在的实时性、准确性不高的缺陷。

本实用新型提出的一种ECG身份验证智慧衣，包括衣服、纺织干电极、ECG信号处理系统和终端，其中：

所述衣服主要成分为纺织材料及编织于其内的导电纤维，作为ECG信号处理系统的载体；

所述终端为个人终端或云平台，用于处理身份识别装置发出的请求，并将身份验证结果发送回ECG信号处理系统；

所述纺织干电极左右各设一个，其由柔性导电纤维制成，两块干电极分别缝合在衣服内靠近胸部的左右两侧，用于接触人体，采集人体ECG信号；

所述ECG信号处理系统包括数据处理模块、数据存储模块、通信模块、身份验证模块、警报模块和电源模块；这些模块共同协作完成整个身份识别过程；其中：所述数据处理模块，用于对纺织干电极采集的ECG原始信号进行去噪，以保证测量结果的准确性；

所述数据存储模块，用于保存数据处理模块处理后的ECG信号；

所述身份验证模块，用于对数据处理模块去噪处理后的ECG信号进行分析，提取特征数据，传给通信模块；由通信模块与远端数据库进行匹配并得出相应结果；

所述通信模块与终端通信连接，用于完成ECG信号处理系统与终端的数据传输，将身份验证模块提取的特征数据与终端数据库进行匹配，得到验证结果，并将结果传回通信模块；

所述警报模块与通信模块相连，收到验收通过消息时，发出验收通过信号；收到验收未通过信号时，发出验证未通过信号。

进一步的，所述电源模块为薄型电池模组，其包括电池本身和电极；所述电池通过按扣装在衣服外侧，所述电极为柔性导电纤维组成的高舒适度的纺织干电极，该纺织干电极集成在衣服内侧。

进一步的，所述ECG信号处理系统的与衣服外侧通过按扣相连接，以方便ECG信号处理系统的安装与拆卸。

进一步的，所述身份验证模块所提取的特征值包括周期、波峰值和波谷值。

进一步的，所述通信模块和终端之间，采用有线、蓝牙或WIFI技术实现。

进一步的，所述身份验证模块包括下述依次通过信号连接的子模块：

(1)滤波去噪子模块：使用滤波公式Y₁＝0.985*(X₁-X₀+Y₀)对初始信号进行滤波，去掉偏离平均值20％的数据；X₀,Y₀初始值均为0。公式中Y₁表示本次处理的滤波结果，Y₀表示上一步的滤波中间值，X₁表示本次的滤波结果，X₀表示上一步滤波的中间值；

(2)消除干扰子模块：采用0.05Hz到100Hz的带通IIR滤波器完成滤波，消除基线漂移、工频干扰、肌电干扰和电磁噪声带来的干扰；

(3)求特征值子模块：求出滤波后的训练数据的特征值，包括平均值、协方差矩阵和协方差矩阵特征值，操作如下：

计算平均值

其中是事先采集的ECG信号训练样本集,M＝N*K表示样本总数，i＝1,2,…,N，N表示训练集合中的总体人数，也即是要区分的类别数，j＝1,2,…,K,K表示每个用户的ECG信号数据个数，表示第i个人的第j个ECG信号数据；

计算协方差矩阵M_w，

求出训练样本协方差矩阵的特征值λ_i，i＝1,2…p；p是协方差矩阵特征值的个数；选取最大特征值对应的正交特征向量X₁…X_p作为投影空间，正交特征向量由公式λM_w＝XM_w求得，其中λ为特征值，X为特征向量；

将所有的训练样本向X₁…X_p空间上投影，得到投影后矩阵

(4)求协方差矩阵子模块：求出协方差矩阵的类间离散度矩阵S_b；采用LDA方法，公式如下：

式中矩阵S_b维度为N*K；利用特征分解的方法寻找最佳投影矩阵：

S_bX_i＝λM_wX_i

其中，X_i为正交特征向量，λ为矩阵M_wX_i所对应的特征值，按照公式λM_wX_i＝wM_wX_i，求出所对应的特征向量组w₁…w_p及其构成的投影矩阵W；

将样本向投影矩阵w投影得出投影特征矩阵Ω＝W^TY

Ω_j＝[Ω_j(1)…,Ω_j(p)]；

(5)识别子模块：设测试样本为Q，向第(4)步中最大特征值对应的正交特征向量组投影如下公式得到矩阵N＝Q^TX,将N向投影特征矩阵W投影，得到L＝N^TW；利用最近邻分类器对矩阵Ω和L进行分类判别，以得出分类结果，得到通过与不通过两类结论。

本实用新型具有的优点和积极效果是：利用ECG生理信号和智慧衣等新型技术，实现除人脸识别，指纹识别的第三种身份认证—ECG身份验证，本实用新型成本低廉，身份认证级别高，0.49％的错误率使得本产品能很好的处理日常的安全身份认证需求。并且通过设计的低成本ECG传感器很好降低了整体的产品成品，用高舒适度的纺织干电极代替普通的医学电极，并将其集成在衣服内，用户感觉不到其存在。将用于电极导联的导线也集成在衣服里，使得整套智慧衣装置都融合在衣服上，此外，将穿戴者的生理信号实时上传到智能设备或者云，如果出现异常身份认证信息，随时提供对用户提供设备锁定服务，最大限度的保护用户的安全。

附图说明

图1为本实用新型所述智慧衣示意图；

图2为本实用新型所述ECG信号处理系统模块图

图3为滤波去噪子模块结构示意图；

图4为ECG身份验证示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本实用新型，但并不构成对本实用新型的限定。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本实用新型可以对用户的ECG数据进行采集、处理并传输至个人终端设备，通过任何运行对应App的智能设备都可以完成对用户的身份信息认证，当分析ECG信号发现身份信息有误，就会通知智能设备本用户存在危险访问，并锁定智能设备报告云端数据中心，如果认证成功，智能设备即可解锁，这样本ECG身份验证智慧衣就可以达到用户身份的ECG认证的目的。

为了实现上述目的，本实用新型采用硬件技术方案如下：

智慧衣ECG集成模块：由衣物本身、纺织干电极、纺织柔性导线组成。

所述智慧衣，用于作为其他部件的载体，衣服在材质上与普通纺织衣物一致不会影响用户的舒适度。

所述纺织干电极，数量至少为两个，分别位于智慧衣内侧胸腔左右两边并缝合在智慧衣内，用于采集用户的ECG信号数据并将原始杂波数据经过简单的频段分析剔除无关信息。若采用更多数量的干电极可以提高数据的准确性，本专利中使用两个干电极。

所述纺织柔性导线，用于连接纺织干电极和ECG信号处理器。

ECG信号处理系统，用于对纺织干电极采集到的ECG数据进行处理并存储，装置通过按扣挂载智慧衣外侧。所述ECG信号处理系统包括数据处理模块、数据存储模块、通信模块、身份验证模块、警报模块、电源模块。

所述数据处理模块，用于对纺织干电极采集的ECG原始信号进行去噪，人体信号的频率和幅度都比较低，很容易受到空间电磁波以及人体其它生理信号的干扰，因此在对其进行变换、分析、存储、记录之前，应该进行一些预处理，以保证测量结果的准确性。

由于人体信号的频率和幅度都比较低，很容易受到空间电磁波以及人体其它生理信号的干扰，因此在对其进行变换、分析、存储和记录之前，应该进行一些预处理，以保证测量结果的准确性。一般预处理包括，利用过压保护电路防止输入信号过大，防止人体其它生理号干扰，但最主要的是将传感器获得的信号加以放大，同时减小嗓声和干扰信号以提高信噪比，对有用的信号实现采样、调制、解调等。信号预处理中首先要做的是信号放大。在本实用新型中，由于从传感器取得的信号很微弱，且混杂了一些其他的干扰信号。因此放大电路的主要功能是，滤除一些共模干扰信号，同时进行一定的放大。

预处理包括，利用过压保护电路防止输入信号过大，防止人体其它生理号干扰，但最主要的是将传感器获得的信号加以放大，同时减小嗓声和干扰信号以提高信噪比，对有用的信号实现采样、调制、解调等。

信号放大，从传感器取得的信号很微弱，且混杂了一些其他的干扰信号。因此放大电路的主要功能是，滤除一些共模干扰信号，同时进行一定的放大。

进行去噪，放大，数据滤波，特征提取操作，将数据分析结果实时传。送给显示模块和身份认证分析模块。

所述数据存储模块，用于保存数据处理模块处理后的ECG信号。

所述通信模块，用于完成ECG信号处理系统与个人终端或云平台的数据传输，传输内容主要包括经过处理的特征ECG信号和远端传回的反馈信息，通过蓝牙和WIFI技术实现。

所述身份验证模块，对预处理过后的ECG信号进行分析，得出特征数据，并通过通信模块与远端数据库进行匹配并得出相应结果。具体步骤如下：

ECG特征提取，该特征一般都基于ECG波形形态，本研究中提取所有ECG信号，求出平均周期的波形图；

ECG特征选择,在一个平均周期中有多个不同的波峰，分为P,Q,R,S峰值，通常不同的人拥有不同的PQRS间隔，本研究中选取PQ，PQS，QS，RS间隔作为特征参数；

利用PQ，PQS，QS，RS间隔与移动智能设备本地数据库进行模式匹配,选择最接近的样本；

采用远程的医疗数据中心实时的进行数据交互来鉴别用户的身份信息k,选择最接近的样本,验证本地认证结果。

所述警报模块，当身份验证模块分析出的结果和远程数据中心的数据不匹配或当数据中心分析出异常身份认证信息时，系统会做出一些反馈行为，例如立刻通知Android终端采取措施，锁定设备访问权限，并包括将事先录制的语言通过电话播放出去，同时打电话给亲属或者报警。当身份验证模块分析出的结果和远程数据中心的数据不匹配或当数据中心分析出异常身份认证信息时，系统会做出一些反馈行为，例如立刻通知Android终端采取措施，锁定设备访问权限，并包括将事先录制的语言通过电话播放出去，同时打电话给亲属或者报警。

所述电源模块，用于给ECG信号处理系统提供电源，电源模块还包括充电功能。

如图1所示，本实用新型提供的基于ECG身份验证智慧衣装置由衣服本身101，柔性纺织导线102、103，两块纺织干电极104、105，ECG信号处理系统106，按扣107、108组成。

其中，智慧衣101由紧身纺织面料组成，属于贴身衣物，满足用户对舒适度的要求。柔性纺织导线102、103将两块纺织干电极104、105和ECG信号处理系统106相连接，为ECG信号处理系统106提供由干电极104、105所采集到的信号数据。柔性纺织导线102、103缝合在智慧衣内侧，用户不会察觉到柔性纺织导线102、103的存在。纺织干电极104、105用于采集用户的ECG信号，两枚干电极分别位于衣服的左右两侧，缝合在智慧衣101内侧，由于体积较小并且重量较轻，不会对穿戴者造成重量上的负担。ECG信号处理系统通过按扣107、108固定在智慧衣上，拆卸安装极为方便。

如图2所示ECG信号处理系统包括数据处理模块201，数据存储模块202，通信模块203，身份验证模块204，警报模块205和电源模块206。数据处理模块201，用于接收采集到的原始ECG数据并进行预处理，并将处理后的数据发送到数据存储模块202，当用户需要查看历史数据时，数据存储模块202会将数据转移至通信模块203发送至个人终端。通信模块203用于实现ECG信号处理系统和个人手机之间的通信，主要采用了蓝牙技术，实现了低功耗短距离数据传输的功能。身份验证模块204，用于分析从数据处理模块201接收到的数据，对ECG数据波形进行一系列的特征提取、特征选择等操作后，得到用户信号的特征向量数据。将该特征向量数据传输至通信模块203并上传至个人终端与远端数据库或云平台中已保存数据进行匹配。将匹配数据传回至通信模块203再传输至身份验证模块204，身份验证模块204根据匹配结果来做出相应操作，若匹配结果不一致，则发送信号至警报模块205做出相应警报措施，例如立刻通知Android终端采取措施，锁定设备访问权限，并包括通过电话播放事先录制的语言，同时拨打紧急电话给亲属或警察。

除此以外，本实用新型还给出了一种自主设计的ECG身份验证模块，其结构如图4所示，对样本ECG数据、终端或云端ECG身份数据库中的数据分别进行2DPCA投影，并且在2DPCA特征空间中对这些特征向量进行LDA投影。在LDA特征空间中，使用欧氏距离的不同进行分类，可以得到样本ECG数据的分类结果，以此来判断用户的身份。

本实用新型的优点是利用ECG信号完成身份验证的过程，具有成本低廉、准确性高低错误率的特点。在用户的日常生活中很简单地实现了安全身份认证的需求。产品使用了高舒适度的纺织干电极代替了普通的医学电极并缝合在衣物内部，使其在外观与穿戴感觉上与普通的衣物几乎无差。此外，本实用新型还有与之配套的软件平台，可以实时地将生理信号传到智能设备或者云端，如果身份认证信息出现异常，可以提供设备锁定服务，最大程度地保护用户的信息安全。