静默通讯的数据识别处理系统

1.本发明属于数据识别领域，具体涉及一种静默通讯的数据识别处理系统。


背景技术：

2.随着科技的发展，通讯交流的形式也变的丰富多样，对于多元环境的通讯要求，传统的依靠声音进行交流的通讯技术已在无法满足信息传递的需要。比如在嘈杂的公共场合，车流声、喧闹的人群、商店橱窗的广告声等噪声会严重干扰人与人之间的声音交流，使信息无法准确和清晰的被接收；在遭遇危险时，大声呼喊求救有时可能会暴露自己的位置、激怒歹徒甚至使人陷入更加不利的局面之中；还有像发生地震、火灾等自然灾害时，受伤严重的伤员微弱的求救声无法清晰的传递给救援者，潜水过程中遇到突发状况需要进行求救，而水下环境声音无法传递，这样的情况下有极大可能会贻误抢救的黄金时间从而导致严重后果；同时，人们对于信息安全以及信息交流的私密性的要求也越来越高，这些就使得静默通讯技术（slient speech interface, ssi）逐渐成为未来社会必要的先进通讯模式。
3.目前发展的ssi包括：表面肌电图（semg），通过表面电极捕捉驱动舌头和面部肌肉的电活动；声道成像，利用舌头的超声图像和嘴唇的光学图像对语音信号进行转换；电磁发音记录（ema），使用磁性来追踪关节上固定点的运动；脑电图（eeg），捕捉大脑解剖区域的神经活动，并使用头皮上的非侵入性电极记录这些潜在的变化，也被称为脑机接口（bci）。这些手段已经一定程度上帮助试验者实现了无声交流，但由于实际使用时设备复杂不方便携带；信号采集的部位需要精准的控制，位置的偏移会产生极大的不利影响，限制了使用人员的活动；同时对于bci来说，脑部活动的复杂性使得信号采集和翻译过程中易受到人情绪的干扰而无法得到准确的信息。此外，现有的ssi手段还涉及非常复杂的学习过程，试验者需要反复尝试才能初步实现简单信号的表达且目前只能在实验室中进行使用，这些问题都限制了ssi的实际应用。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术中的缺点，提供一种静默通讯的数据识别处理系统。
5.为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种静默通讯的数据识别处理系统，包括下述步骤：s1：在matlab中建立表格，该表格用于存储26个英文字母及其所对应的摩尔斯码;摩尔斯码用“点”和“横”的组合来表示;s2：matlab接收到一串完整信号后，先对信号进行平滑，去除细微噪声；s3：接下来对步骤s2接收到的完整信号进行差分计算，通过信号峰的大于1或小于1的斜率来识别信号上升和下降的位置；通过从下降到上升的时间间隔，对一整串完整信号进行分割，得到单个信号单元；以从上升到下降的时间的各个峰值的保持时间与设定的阈值相比较，大于阈值记为“0”表
示宽峰，用摩尔斯码中的“横”表示，小于阈值记为“1”表示尖峰，用摩尔斯码中的“点”表示，每组信号单元均执行相同的步骤，直到整条信息结束；s4：最后，与录入的摩尔斯密码库比对，寻找到匹配的文字信息，实现信号输出。
6.步骤s3中信号分割的标准为从下降到上升的时间间隔大于1.5s，设定的阈值为3s。
7.步骤s1中的数字信号数据使用仿皮肤喉戴传感器进行采集；所述的仿皮肤喉戴传感器包括3d打印保护壳、设置在所述的3d打印保护壳内的压敏材料、柔性垫片、电极、无线电阻采集模块、以及电池；所述的压敏材料通过电极与无线电阻采集模块连接并通过柔性垫片固定在电极上；所述的无线电阻采集模块包括电阻测试器、蓝牙控制器、电压调整器、和电池充电器四个模块；压敏材料通过电极与电阻测试器连接，电阻测试器和蓝牙控制器通过spi数字总线连接，并分别与电源并联连接；电压调整器和电池充电器与电源并联连接从而起到稳定电源电压和给电源充电的作用。
8.所述的3d打印保护壳与喉部贴合的部分为与喉部匹配的圆弧形设计；所述的3d打印保护壳的两侧设置有镂孔用以硅胶绑带的固定。
9.所述的压敏材料为以具有粘附功能的单体3,4-二羟基苯丙氨酸dopa与两性离子单体甲基丙烯酸羧基甜菜碱cbma和硬段功能单体3-甲基丙烯酰氨基苯硼酸mpba，以n,n'-亚甲基双丙烯酰胺mbaa为交联剂，以过硫酸铵aps为热引发剂，以四甲基乙二胺temed为促进剂，热引发制备成水凝胶。
10.仿皮肤喉戴传感器采集数据具体包括下述步骤：确定最佳喉戴位置的确定，佩戴仿皮肤喉戴传感器，利用压敏材料识别喉部的振动信号；之后利用无线电阻采集模块将所述的振动信号转换为数字信号。
11.无线电阻采集模块将所述的振动信号转换为数字信号的具体步骤为：电极在施加恒定电流后两端电压会随压敏材料识别到的喉部震动产生的压力变化而产生电压变化，通过所述的电阻测试器为电极两端施加恒定电流并检测电极两端的电压，将采集的电压变化结果通过电阻测试器转换为数字信号通过spi数字总线发送至蓝牙控制器；所述的蓝牙控制器用于与pc端通过蓝牙无线连接，将电阻测试器转换后的数字信号发送到pc接收端。
12.与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明首次开发出一种新的静默通讯的数据识别处理系统，利用pc端的系统将得到的数字信号进行处理，提取特征变量，并利用特征变量寻找匹配的文字信息，实现信号输出，实现了不发声的静默通讯。利用仿皮肤喉戴传感器对数字信号进行采集，其中压敏材料能够灵敏感知机械振动采集到喉部的机械振动信号，并通过无线电阻采集模块将机械信号转换为数字信号并传输给pc端接收，该仿皮肤喉戴传感器能够最小检测15 pa的压力；在6 km/h 时速的跑步状态下仍能实现准确的信号采集；外部环境变化如噪声等不会对信号采集的准确性造成影响，信号准确率在90%以上；该仿皮肤喉戴传感器克服了现有的ssi技术以神经信号为信号源，存在抗干扰性差、信号采集难度大、信号解析难度高的问题，首次提出将机械振动信号引入ssi领域，为ssi提供了一种新的通讯机制，开发了一种新的静默通讯的数据识别处理系统。具有较高的灵敏度和稳定性，具有运动适用性，不存在信号干扰的问题，小巧便携，极大的拓展了静默
通讯方式的适用人群与应用场景。
13.本发明首次将机械振动信号替代传统的神经信号用于ssi领域，结合机械振动信号的优势，开发了一种新的静默通讯的数据识别处理系统，使用者能够完全不发声，不受干扰地输出信号；本发明为服务静默通讯的数据识别处理系统设计了一种高灵敏传感材料并设计了一款无线仿皮肤喉戴传感器，该喉戴传感器与现有的喉戴传感器相比，实现了真正的无声通讯，同时具有良好的生物相容性、高灵敏性、稳定性、准确性和运动适用性，极大的拓展了喉戴传感器的应用范围与应用人群；本发明开发了实时信号翻译系统，信号翻译准确率在90%以上。本发明提出的新型ssi拓展了未来通讯模式的方向。
附图说明
14.图1出仿皮肤喉戴传感器的结构示意图；图中，容纳压敏材料的空隙1，柔性垫片2、电极3，无线电阻采集模块4、电池5、3d打印外壳6；图2无线电阻采集模块及电路图；图3为制备的仿皮肤传感材料示意图；图4为仿皮肤喉戴传感器用于最佳喉戴位置确定示意图；图5为信号区分方法流程示意图；图6为喉戴传感器的信号测试结果图；图7为不同使用者佩戴柔性喉戴传感器的测试结果图；图8为人机交互佩戴示意图；图9为matlab 使用的界面示意图。
具体实施方式
15.为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和最佳实施例对本发明作进一步的详细说明。
16.实施例1：图1示出一种用于静默通讯的仿皮肤喉戴传感器，包括3d打印保护壳6、设置在所述的3d打印保护壳内的柔性垫片2、电极3、无线电阻采集模块4、以及电池5；柔性垫片上设置有容纳压敏材料的空隙1；压敏材料通过电极与无线电阻采集模块连接并通过柔性垫片固定在电极上；从人体工学设计角度出发，所述的3d打印保护壳与喉部贴合的部分为与喉部匹配的圆弧形设计；使仿皮肤喉戴传感器能够紧密贴合人喉部曲线，所述的3d打印保护壳的两侧设置有镂孔用以硅胶绑带的固定使用者能够稳定佩戴，具有优异的可穿戴性和便携性；图2示出所述的无线电阻采集模块包括电阻测试器、蓝牙控制器、电压调整器、和电池充电器四个模块；压敏材料通过电极与电阻测试器连接，电阻测试器和蓝牙控制器通过spi数字总线连接，并分别与电源并联连接；电压调整器和电池充电器与电源并联连接从而起到稳定电源电压和给电源充电的作用。
17.一种新型仿皮肤喉戴传感器用于静默通讯，包括下述步骤：利用压敏材料识别喉部的振动信号；利用无线电阻采集模块将所述的振动信号转好为电学信号；无线电阻采集模块包括电阻测试器、蓝牙控制器、电压调整器、和电池充电
器四个模块，模块之间电源部分并联连接，压敏材料通过电极与电阻测试器连接，电阻测试器和蓝牙控制器通过spi数字总线连接，并分别与电源并连接；电压调整器和电池充电器起到稳定电源电压和给电源充电的作用，与电源并联连接；使用时，压敏材料在感受不同的压力条件时其电阻会发生变化，进而在施加恒定电流后其两端电压会随其压力变化，因此通过所述的电阻测试器能够为电极两端施加恒定电流并检测电极两端的电压，将采集结果转变为数字信号通过spi数字总线发送至蓝牙控制器。所述的蓝牙控制器用于与pc端通过蓝牙无线连接，将电阻测试器采集到的数字信号发送到pc接收端。所述的电压调整器用于转换来自电池的电压并保持恒定，为上述整个系统供电。所述的电池充电器用于实现在外部充电器接入后自动为电池充电。
18.具体的，通过3d打印技术可以将3d打印保护壳制造成不同的材质和颜色，3d打印保护壳具有较好的美观性，能够满足日常使用的需要。无线电阻采集模块尺寸设计为2cm*3.7 cm，与3d打印保护壳空腔内径一致，电极为两个8x14mm，间距18mm的镀金铜电极，并与ads122c04集成模拟前端（电阻测试器）相连，测试时将压敏材料固定在电极上，然后给电极上施加250微安恒定电流，通过adc模拟数字转换器采集电极两端的电压再除以恒定电流值即得到压敏材料的实时电阻。电路采集速度为每秒50次，并实时将采集结果转变成数字信号从ads122c04传输至nrf52832蓝牙单片机（蓝牙控制器），蓝牙单片机在与电脑配对连接后，将采集结果数字量发送至pc接收端。无线电阻采集模块上还有一个tp4057充电芯片(电池充电器)实现在有外部充电器接入时自动控制充电直到电池充满，以及lp5907（电压调整器）将电压恒定在3.3 v并给各个部件提供电压。
19.其中，所述的压敏材料为以具有粘附功能的单体dopama与两性离子单体甲基丙烯酸羧基甜菜碱cbma和硬段功能单体3-甲基丙烯酰氨基苯硼酸mpba以n,n'-亚甲基双丙烯酰胺mbaa为交联剂热引发制备成水凝胶,如图3示出。本技术中，基于生物相容性良好的两性离子材料，结合硬段功能、粘附功能的材料，通过调节各功能材料的比例、种类、分子量等因素，设计合成出生物相容性、粘附性良好的柔性水凝胶材料。而后，加入纳米导电与保水材料，优化比例，开发出生物相容性良好、粘附、稳定性良好、具有高灵敏度的导电仿皮肤传感材料。
20.具体包括下述步骤：将3,4-二羟基苯丙氨酸dopa(1.4 g)，两性离子单体甲基丙烯酸羧基甜菜碱cbma（4.2 g）和硬段功能单体3-甲基丙烯酰氨基苯硼酸mpba（1.4 g）溶于水/二甲基亚砜混合溶液（v/v：1/1）（12 ml）中，超声使其完全溶解，随后加入以n,n'-亚甲基双丙烯酰胺mbaa（交联剂）（0.025 g），超声溶解，最后加入为交联剂和过硫酸铵（热引发剂）（0.02g）和四甲基乙二胺（促进剂）（20 μl），热引发充分搅拌均匀后得到预反应溶液。将预反应溶液加入两片载玻片之间，载玻片之间用2 mm厚的pdms垫片隔开。然后在60℃下聚合6小时以确保反应充分。反应结束后，从载玻片上揭下水凝胶，并浸泡在纯水中，每天更换新的纯水，持续5天，以除去未反应的化学物质和试剂，得到溶胀平衡的高灵敏仿皮肤材料 该仿皮肤材料能够响应最小10 pa的压力刺激，响应时间在30ms以内，皮肤粘合强度》 1.5 n cm-2
。
21.一种静默通讯系统，具体包括下述步骤：1）确定最佳喉戴位置的确定，佩戴所述的用于静默通讯的仿皮肤喉戴传感器，利用压敏材料识别喉部的振动信号；
喉部肌肉进行日常活动如吞咽、说话等所产生的机械振动信号是比较复杂的，为提高喉戴传感器的普遍适用性和便捷使用性，本发明结合摩尔斯密码，将复杂的机械振动简化为方便控制的信号尖峰和信号宽峰，并对控制方法和最佳喉戴位置进行了确定。控制方法为：使用时，将喉戴传感器固定在喉部的不同位置，使用者不发声、不张嘴，通过控制舌头的活动带动喉部对传感器进行触压。由于喉部不同位置所能产生的振动信号的大小不同，需要对最佳喉戴位置进行确定，最佳喉戴位置即电阻信号变化最大的位置;图4中a为压敏材料在喉部不同位置的分布图，b为不同压敏材料采集到的电阻信号变化值。
22.2）利用无线电阻采集模块将所述的振动信号转换为数字信号；极在施加恒定电流后两端电压会随压敏材料识别到的喉部震动产生的压力变化而产生电压变化，通过所述的电阻测试器为电极两端施加恒定电流并检测电极两端的电压，将采集的电压变化结果通过电阻测试器转换为数字信号通过spi数字总线发送至蓝牙控制器；所述的蓝牙控制器用于与pc端通过蓝牙无线连接，将电阻测试器转换后的数字信号发送到pc接收端。
23.3）利用终端的信号识别软件将得到的数字信号进行处理，提取特征变量，并利用特征变量寻找匹配的文字信息，实现信号输出；首先我们设计了图5所示的信号区分方法，具体流程包括：s1：在matlab中建立表格，该表格用于存储26个英文字母及其所对应的摩尔斯码;摩尔斯码用“点”和“横”的组合来表示；s2：matlab接收到一串完整信号后，先对信号进行平滑，去除细微噪声；s3：matlab 接收到一串完整信号（图5中a示出）后首先将信号进行归一化处理（图5中b示出），将信号范围限制在（-1,1）区间内；然后计算所有峰过零点的位置处的斜率（图5中c示出），斜率》 1表示峰开始-上升阶段，斜率《 1表示峰下降-结束阶段，斜率》 1和斜率《 1的点组成一组来定义一个峰；最后将斜率》 1和斜率《 1的点之间的时间与设置的阈值3s相比，来划分处长短信号，并标记为宽峰与窄峰，分别对应摩尔斯密码中的“横”和“点”（图5中d示出）。
24.通过上述方法实现了我们根据摩尔斯密码规则输入的宽峰信号和窄峰信号的区分，但是在多次测试过程中发现，对于基线不稳定的情况，这种方法存在着较大的误差。如图图5中e所示，基线的偏移使信号归一化处理后零点处斜率》 1和斜率《 1的点之间的时间远小于设置的阈值范围，使部分峰不能被标记出来，从而使得整串信号的顺序被打乱，信号翻译过程出现错误。
25.为了解决上述问题，我们重新对matlab 软件算法进行了修改，具体包括：首先，将大量采集用户测试时的数字信号数据并进行数据的处理与分析建立数据库，使用matlab对接收到的信号进行实时处理；一种静默通讯的数据识别处理系统，包括下述步骤：s1：在matlab中建立表格，该表格用于存储26个英文字母及其所对应的摩尔斯码;摩尔斯码用“点”和“横”的组合来表示;s2：matlab接收到一串完整信号后，先对信号进行平滑，去除细微噪声；s3：接下来对步骤s2接收到的完整信号进行差分计算，通过信号峰的大于1或小于1的斜率来识别信号上升和下降的位置；通过从下降到上升的时间间隔，对一整串完整信号进行分割，得到单个信号单元；
以从上升到下降的时间的各个峰值的保持时间与设定的阈值相比较，大于阈值记为“0”表示宽峰，用摩尔斯码中的“横”表示，小于阈值记为“1”表示尖峰，用摩尔斯码中的“点”表示，每组信号单元均执行相同的步骤，直到整条信息结束；s4：最后，与录入的摩尔斯密码库比对，寻找到匹配的文字信息，实现信号输出。步骤s3中信号分割的标准为从下降到上升的时间间隔大于1.5s，设定的阈值为3s。软件翻译的准确率在90%以上。
26.图6示出喉戴传感器的信号测试结果图，图7示出不同使用者佩戴柔性喉戴传感器的测试结果图。图8为人机交互佩戴示意图；图9为matlab 使用的界面示意图；结果表明采用该方法可以有效的识别信号，完成静默通讯的功能。
27.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。