本實(shí)用新型屬于身份安全驗(yàn)證領(lǐng)域，基于智慧衣這種可穿戴設(shè)備來(lái)提供用戶的身份驗(yàn)證信息，是一種身份安全與可穿戴設(shè)備智慧衣相結(jié)合的實(shí)用新型。

背景技術(shù)：

在過(guò)去十年中，利用心電圖在生物識(shí)別的研究的數(shù)量不斷增加。心電圖唯一性的特點(diǎn)使得它非常適合識(shí)別領(lǐng)域。然而，盡管在文獻(xiàn)中所找到用于識(shí)別的方法甚多，但是對(duì)于一直都能找到最適當(dāng)?shù)姆椒?。而且?duì)于如何在實(shí)踐中充分利用ECG信號(hào)特性也沒(méi)能找到完美的解決方案。目前主流的身份驗(yàn)證手段主要集中在人臉識(shí)別驗(yàn)證和指紋識(shí)別驗(yàn)證領(lǐng)域。

蘋(píng)果手機(jī)的Touch ID就是用于指紋用于身份驗(yàn)證的例子，事實(shí)上，指紋并不那么可靠，最近有用戶利用指紋貼成功解鎖，另一種方案是人臉識(shí)別，這種方法受到光照，樣本集，邊緣問(wèn)題的影響較大，而且人臉識(shí)別系統(tǒng)的工作過(guò)程大多基于靜止圖像，通過(guò)與人臉數(shù)據(jù)庫(kù)的比對(duì)來(lái)進(jìn)行人臉識(shí)別，適用于實(shí)時(shí)性要求不高的場(chǎng)景?；谝曨l的人臉識(shí)別，則需要?jiǎng)討B(tài)的從視頻中提取出靜態(tài)圖像，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)人臉識(shí)別，它的過(guò)程較為復(fù)雜而且對(duì)系統(tǒng)的計(jì)算能力和內(nèi)存開(kāi)銷(xiāo)要求較高。不適合大數(shù)據(jù)時(shí)代的要求，而且準(zhǔn)確度難以把控。

而最近新出現(xiàn)的身份驗(yàn)證手段-ECG身份驗(yàn)證逐漸得到廣泛的重視，ECG身份識(shí)別作為生物識(shí)別技術(shù)，是利用統(tǒng)計(jì)方法根據(jù)用戶的生理和行為特征進(jìn)行識(shí)別的技術(shù)。它主要用于解決訪問(wèn)控制的問(wèn)題，提供了比現(xiàn)有的認(rèn)證方法更可靠、更安全的替代品。在過(guò)去十年中，心電圖(ECG)已被確認(rèn)為適合于身份識(shí)別的體征數(shù)據(jù)。使用ECG心電圖進(jìn)行識(shí)別具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：在生物識(shí)別技術(shù)中心電圖是具有普遍性并且很難偽造。在整體精度的測(cè)量中，我們計(jì)算了驗(yàn)證方案的識(shí)別率和錯(cuò)誤率的加權(quán)平均值。識(shí)別率的結(jié)果和錯(cuò)誤率分別為94.95％，0.92％。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型提供了一種基于ECG信號(hào)的身份驗(yàn)證智慧衣，將智慧衣與ECG信號(hào)的身份驗(yàn)證技術(shù)相結(jié)合，達(dá)到準(zhǔn)確率極高的身份識(shí)別，可以很完美地解決現(xiàn)有技術(shù)存在的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性不高的缺陷。

本實(shí)用新型提出的一種ECG身份驗(yàn)證智慧衣，包括衣服、紡織干電極、ECG信號(hào)處理系統(tǒng)和終端，其中：

所述衣服主要成分為紡織材料及編織于其內(nèi)的導(dǎo)電纖維，作為ECG信號(hào)處理系統(tǒng)的載體；

所述終端為個(gè)人終端或云平臺(tái)，用于處理身份識(shí)別裝置發(fā)出的請(qǐng)求，并將身份驗(yàn)證結(jié)果發(fā)送回ECG信號(hào)處理系統(tǒng)；

所述紡織干電極左右各設(shè)一個(gè)，其由柔性導(dǎo)電纖維制成，兩塊干電極分別縫合在衣服內(nèi)靠近胸部的左右兩側(cè)，用于接觸人體，采集人體ECG信號(hào)；

所述ECG信號(hào)處理系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、通信模塊、身份驗(yàn)證模塊、警報(bào)模塊和電源模塊；這些模塊共同協(xié)作完成整個(gè)身份識(shí)別過(guò)程；其中：所述數(shù)據(jù)處理模塊，用于對(duì)紡織干電極采集的ECG原始信號(hào)進(jìn)行去噪，以保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性；

所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，用于保存數(shù)據(jù)處理模塊處理后的ECG信號(hào)；

所述身份驗(yàn)證模塊，用于對(duì)數(shù)據(jù)處理模塊去噪處理后的ECG信號(hào)進(jìn)行分析，提取特征數(shù)據(jù)，傳給通信模塊；由通信模塊與遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行匹配并得出相應(yīng)結(jié)果；

所述通信模塊與終端通信連接，用于完成ECG信號(hào)處理系統(tǒng)與終端的數(shù)據(jù)傳輸，將身份驗(yàn)證模塊提取的特征數(shù)據(jù)與終端數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行匹配，得到驗(yàn)證結(jié)果，并將結(jié)果傳回通信模塊；

所述警報(bào)模塊與通信模塊相連，收到驗(yàn)收通過(guò)消息時(shí)，發(fā)出驗(yàn)收通過(guò)信號(hào)；收到驗(yàn)收未通過(guò)信號(hào)時(shí)，發(fā)出驗(yàn)證未通過(guò)信號(hào)。

進(jìn)一步的，所述電源模塊為薄型電池模組，其包括電池本身和電極；所述電池通過(guò)按扣裝在衣服外側(cè)，所述電極為柔性導(dǎo)電纖維組成的高舒適度的紡織干電極，該紡織干電極集成在衣服內(nèi)側(cè)。

進(jìn)一步的，所述ECG信號(hào)處理系統(tǒng)的與衣服外側(cè)通過(guò)按扣相連接，以方便ECG信號(hào)處理系統(tǒng)的安裝與拆卸。

進(jìn)一步的，所述身份驗(yàn)證模塊所提取的特征值包括周期、波峰值和波谷值。

進(jìn)一步的，所述通信模塊和終端之間，采用有線、藍(lán)牙或WIFI技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

進(jìn)一步的，所述身份驗(yàn)證模塊包括下述依次通過(guò)信號(hào)連接的子模塊：

(1)濾波去噪子模塊：使用濾波公式Y(jié)₁＝0.985*(X₁-X₀+Y₀)對(duì)初始信號(hào)進(jìn)行濾波，去掉偏離平均值20％的數(shù)據(jù)；X₀,Y₀初始值均為0。公式中Y₁表示本次處理的濾波結(jié)果，Y₀表示上一步的濾波中間值，X₁表示本次的濾波結(jié)果，X₀表示上一步濾波的中間值；

(2)消除干擾子模塊：采用0.05Hz到100Hz的帶通IIR濾波器完成濾波，消除基線漂移、工頻干擾、肌電干擾和電磁噪聲帶來(lái)的干擾；

(3)求特征值子模塊：求出濾波后的訓(xùn)練數(shù)據(jù)的特征值，包括平均值、協(xié)方差矩陣和協(xié)方差矩陣特征值，操作如下：

計(jì)算平均值

其中是事先采集的ECG信號(hào)訓(xùn)練樣本集,M＝N*K表示樣本總數(shù)，i＝1,2,…,N，N表示訓(xùn)練集合中的總體人數(shù)，也即是要區(qū)分的類(lèi)別數(shù)，j＝1,2,…,K,K表示每個(gè)用戶的ECG信號(hào)數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，表示第i個(gè)人的第j個(gè)ECG信號(hào)數(shù)據(jù)；

計(jì)算協(xié)方差矩陣M_w，

求出訓(xùn)練樣本協(xié)方差矩陣的特征值λ_i，i＝1,2…p；p是協(xié)方差矩陣特征值的個(gè)數(shù)；選取最大特征值對(duì)應(yīng)的正交特征向量X₁…X_p作為投影空間，正交特征向量由公式λM_w＝XM_w求得，其中λ為特征值，X為特征向量；

將所有的訓(xùn)練樣本向X₁…X_p空間上投影，得到投影后矩陣

(4)求協(xié)方差矩陣子模塊：求出協(xié)方差矩陣的類(lèi)間離散度矩陣S_b；采用LDA方法，公式如下：

式中矩陣S_b維度為N*K；利用特征分解的方法尋找最佳投影矩陣：

S_bX_i＝λM_wX_i

其中，X_i為正交特征向量，λ為矩陣M_wX_i所對(duì)應(yīng)的特征值，按照公式λM_wX_i＝wM_wX_i，求出所對(duì)應(yīng)的特征向量組w₁…w_p及其構(gòu)成的投影矩陣W；

將樣本向投影矩陣w投影得出投影特征矩陣Ω＝W^TY

Ω_j＝[Ω_j(1)…,Ω_j(p)]；

(5)識(shí)別子模塊：設(shè)測(cè)試樣本為Q，向第(4)步中最大特征值對(duì)應(yīng)的正交特征向量組投影如下公式得到矩陣N＝Q^TX,將N向投影特征矩陣W投影，得到L＝N^TW；利用最近鄰分類(lèi)器對(duì)矩陣Ω和L進(jìn)行分類(lèi)判別，以得出分類(lèi)結(jié)果，得到通過(guò)與不通過(guò)兩類(lèi)結(jié)論。

本實(shí)用新型具有的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是：利用ECG生理信號(hào)和智慧衣等新型技術(shù)，實(shí)現(xiàn)除人臉識(shí)別，指紋識(shí)別的第三種身份認(rèn)證—ECG身份驗(yàn)證，本實(shí)用新型成本低廉，身份認(rèn)證級(jí)別高，0.49％的錯(cuò)誤率使得本產(chǎn)品能很好的處理日常的安全身份認(rèn)證需求。并且通過(guò)設(shè)計(jì)的低成本ECG傳感器很好降低了整體的產(chǎn)品成品，用高舒適度的紡織干電極代替普通的醫(yī)學(xué)電極，并將其集成在衣服內(nèi)，用戶感覺(jué)不到其存在。將用于電極導(dǎo)聯(lián)的導(dǎo)線也集成在衣服里，使得整套智慧衣裝置都融合在衣服上，此外，將穿戴者的生理信號(hào)實(shí)時(shí)上傳到智能設(shè)備或者云，如果出現(xiàn)異常身份認(rèn)證信息，隨時(shí)提供對(duì)用戶提供設(shè)備鎖定服務(wù)，最大限度的保護(hù)用戶的安全。

附圖說(shuō)明

圖1為本實(shí)用新型所述智慧衣示意圖；

圖2為本實(shí)用新型所述ECG信號(hào)處理系統(tǒng)模塊圖

圖3為濾波去噪子模塊結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為ECG身份驗(yàn)證示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步說(shuō)明。在此需要說(shuō)明的是，對(duì)于這些實(shí)施方式的說(shuō)明用于幫助理解本實(shí)用新型，但并不構(gòu)成對(duì)本實(shí)用新型的限定。此外，下面所描述的本實(shí)用新型各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

本實(shí)用新型可以對(duì)用戶的ECG數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理并傳輸至個(gè)人終端設(shè)備，通過(guò)任何運(yùn)行對(duì)應(yīng)App的智能設(shè)備都可以完成對(duì)用戶的身份信息認(rèn)證，當(dāng)分析ECG信號(hào)發(fā)現(xiàn)身份信息有誤，就會(huì)通知智能設(shè)備本用戶存在危險(xiǎn)訪問(wèn)，并鎖定智能設(shè)備報(bào)告云端數(shù)據(jù)中心，如果認(rèn)證成功，智能設(shè)備即可解鎖，這樣本ECG身份驗(yàn)證智慧衣就可以達(dá)到用戶身份的ECG認(rèn)證的目的。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用硬件技術(shù)方案如下：

智慧衣ECG集成模塊：由衣物本身、紡織干電極、紡織柔性導(dǎo)線組成。

所述智慧衣，用于作為其他部件的載體，衣服在材質(zhì)上與普通紡織衣物一致不會(huì)影響用戶的舒適度。

所述紡織干電極，數(shù)量至少為兩個(gè)，分別位于智慧衣內(nèi)側(cè)胸腔左右兩邊并縫合在智慧衣內(nèi)，用于采集用戶的ECG信號(hào)數(shù)據(jù)并將原始雜波數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的頻段分析剔除無(wú)關(guān)信息。若采用更多數(shù)量的干電極可以提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，本專(zhuān)利中使用兩個(gè)干電極。

所述紡織柔性導(dǎo)線，用于連接紡織干電極和ECG信號(hào)處理器。

ECG信號(hào)處理系統(tǒng)，用于對(duì)紡織干電極采集到的ECG數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并存儲(chǔ)，裝置通過(guò)按扣掛載智慧衣外側(cè)。所述ECG信號(hào)處理系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、通信模塊、身份驗(yàn)證模塊、警報(bào)模塊、電源模塊。

所述數(shù)據(jù)處理模塊，用于對(duì)紡織干電極采集的ECG原始信號(hào)進(jìn)行去噪，人體信號(hào)的頻率和幅度都比較低，很容易受到空間電磁波以及人體其它生理信號(hào)的干擾，因此在對(duì)其進(jìn)行變換、分析、存儲(chǔ)、記錄之前，應(yīng)該進(jìn)行一些預(yù)處理，以保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

由于人體信號(hào)的頻率和幅度都比較低，很容易受到空間電磁波以及人體其它生理信號(hào)的干擾，因此在對(duì)其進(jìn)行變換、分析、存儲(chǔ)和記錄之前，應(yīng)該進(jìn)行一些預(yù)處理，以保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。一般預(yù)處理包括，利用過(guò)壓保護(hù)電路防止輸入信號(hào)過(guò)大，防止人體其它生理號(hào)干擾，但最主要的是將傳感器獲得的信號(hào)加以放大，同時(shí)減小嗓聲和干擾信號(hào)以提高信噪比，對(duì)有用的信號(hào)實(shí)現(xiàn)采樣、調(diào)制、解調(diào)等。信號(hào)預(yù)處理中首先要做的是信號(hào)放大。在本實(shí)用新型中，由于從傳感器取得的信號(hào)很微弱，且混雜了一些其他的干擾信號(hào)。因此放大電路的主要功能是，濾除一些共模干擾信號(hào)，同時(shí)進(jìn)行一定的放大。

預(yù)處理包括，利用過(guò)壓保護(hù)電路防止輸入信號(hào)過(guò)大，防止人體其它生理號(hào)干擾，但最主要的是將傳感器獲得的信號(hào)加以放大，同時(shí)減小嗓聲和干擾信號(hào)以提高信噪比，對(duì)有用的信號(hào)實(shí)現(xiàn)采樣、調(diào)制、解調(diào)等。

信號(hào)放大，從傳感器取得的信號(hào)很微弱，且混雜了一些其他的干擾信號(hào)。因此放大電路的主要功能是，濾除一些共模干擾信號(hào)，同時(shí)進(jìn)行一定的放大。

進(jìn)行去噪，放大，數(shù)據(jù)濾波，特征提取操作，將數(shù)據(jù)分析結(jié)果實(shí)時(shí)傳。送給顯示模塊和身份認(rèn)證分析模塊。

所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，用于保存數(shù)據(jù)處理模塊處理后的ECG信號(hào)。

所述通信模塊，用于完成ECG信號(hào)處理系統(tǒng)與個(gè)人終端或云平臺(tái)的數(shù)據(jù)傳輸，傳輸內(nèi)容主要包括經(jīng)過(guò)處理的特征ECG信號(hào)和遠(yuǎn)端傳回的反饋信息，通過(guò)藍(lán)牙和WIFI技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

所述身份驗(yàn)證模塊，對(duì)預(yù)處理過(guò)后的ECG信號(hào)進(jìn)行分析，得出特征數(shù)據(jù)，并通過(guò)通信模塊與遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行匹配并得出相應(yīng)結(jié)果。具體步驟如下：

ECG特征提取，該特征一般都基于ECG波形形態(tài)，本研究中提取所有ECG信號(hào)，求出平均周期的波形圖；

ECG特征選擇,在一個(gè)平均周期中有多個(gè)不同的波峰，分為P,Q,R,S峰值，通常不同的人擁有不同的PQRS間隔，本研究中選取PQ，PQS，QS，RS間隔作為特征參數(shù)；

利用PQ，PQS，QS，RS間隔與移動(dòng)智能設(shè)備本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行模式匹配,選擇最接近的樣本；

采用遠(yuǎn)程的醫(yī)療數(shù)據(jù)中心實(shí)時(shí)的進(jìn)行數(shù)據(jù)交互來(lái)鑒別用戶的身份信息k,選擇最接近的樣本,驗(yàn)證本地認(rèn)證結(jié)果。

所述警報(bào)模塊，當(dāng)身份驗(yàn)證模塊分析出的結(jié)果和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)不匹配或當(dāng)數(shù)據(jù)中心分析出異常身份認(rèn)證信息時(shí)，系統(tǒng)會(huì)做出一些反饋行為，例如立刻通知Android終端采取措施，鎖定設(shè)備訪問(wèn)權(quán)限，并包括將事先錄制的語(yǔ)言通過(guò)電話播放出去，同時(shí)打電話給親屬或者報(bào)警。當(dāng)身份驗(yàn)證模塊分析出的結(jié)果和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)不匹配或當(dāng)數(shù)據(jù)中心分析出異常身份認(rèn)證信息時(shí)，系統(tǒng)會(huì)做出一些反饋行為，例如立刻通知Android終端采取措施，鎖定設(shè)備訪問(wèn)權(quán)限，并包括將事先錄制的語(yǔ)言通過(guò)電話播放出去，同時(shí)打電話給親屬或者報(bào)警。

所述電源模塊，用于給ECG信號(hào)處理系統(tǒng)提供電源，電源模塊還包括充電功能。

如圖1所示，本實(shí)用新型提供的基于ECG身份驗(yàn)證智慧衣裝置由衣服本身101，柔性紡織導(dǎo)線102、103，兩塊紡織干電極104、105，ECG信號(hào)處理系統(tǒng)106，按扣107、108組成。

其中，智慧衣101由緊身紡織面料組成，屬于貼身衣物，滿足用戶對(duì)舒適度的要求。柔性紡織導(dǎo)線102、103將兩塊紡織干電極104、105和ECG信號(hào)處理系統(tǒng)106相連接，為ECG信號(hào)處理系統(tǒng)106提供由干電極104、105所采集到的信號(hào)數(shù)據(jù)。柔性紡織導(dǎo)線102、103縫合在智慧衣內(nèi)側(cè)，用戶不會(huì)察覺(jué)到柔性紡織導(dǎo)線102、103的存在。紡織干電極104、105用于采集用戶的ECG信號(hào)，兩枚干電極分別位于衣服的左右兩側(cè)，縫合在智慧衣101內(nèi)側(cè)，由于體積較小并且重量較輕，不會(huì)對(duì)穿戴者造成重量上的負(fù)擔(dān)。ECG信號(hào)處理系統(tǒng)通過(guò)按扣107、108固定在智慧衣上，拆卸安裝極為方便。

如圖2所示ECG信號(hào)處理系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)處理模塊201，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊202，通信模塊203，身份驗(yàn)證模塊204，警報(bào)模塊205和電源模塊206。數(shù)據(jù)處理模塊201，用于接收采集到的原始ECG數(shù)據(jù)并進(jìn)行預(yù)處理，并將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊202，當(dāng)用戶需要查看歷史數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊202會(huì)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移至通信模塊203發(fā)送至個(gè)人終端。通信模塊203用于實(shí)現(xiàn)ECG信號(hào)處理系統(tǒng)和個(gè)人手機(jī)之間的通信，主要采用了藍(lán)牙技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了低功耗短距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?。身份?yàn)證模塊204，用于分析從數(shù)據(jù)處理模塊201接收到的數(shù)據(jù)，對(duì)ECG數(shù)據(jù)波形進(jìn)行一系列的特征提取、特征選擇等操作后，得到用戶信號(hào)的特征向量數(shù)據(jù)。將該特征向量數(shù)據(jù)傳輸至通信模塊203并上傳至個(gè)人終端與遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)庫(kù)或云平臺(tái)中已保存數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配。將匹配數(shù)據(jù)傳回至通信模塊203再傳輸至身份驗(yàn)證模塊204，身份驗(yàn)證模塊204根據(jù)匹配結(jié)果來(lái)做出相應(yīng)操作，若匹配結(jié)果不一致，則發(fā)送信號(hào)至警報(bào)模塊205做出相應(yīng)警報(bào)措施，例如立刻通知Android終端采取措施，鎖定設(shè)備訪問(wèn)權(quán)限，并包括通過(guò)電話播放事先錄制的語(yǔ)言，同時(shí)撥打緊急電話給親屬或警察。

除此以外，本實(shí)用新型還給出了一種自主設(shè)計(jì)的ECG身份驗(yàn)證模塊，其結(jié)構(gòu)如圖4所示，對(duì)樣本ECG數(shù)據(jù)、終端或云端ECG身份數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)分別進(jìn)行2DPCA投影，并且在2DPCA特征空間中對(duì)這些特征向量進(jìn)行LDA投影。在LDA特征空間中，使用歐氏距離的不同進(jìn)行分類(lèi)，可以得到樣本ECG數(shù)據(jù)的分類(lèi)結(jié)果，以此來(lái)判斷用戶的身份。

本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是利用ECG信號(hào)完成身份驗(yàn)證的過(guò)程，具有成本低廉、準(zhǔn)確性高低錯(cuò)誤率的特點(diǎn)。在用戶的日常生活中很簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)了安全身份認(rèn)證的需求。產(chǎn)品使用了高舒適度的紡織干電極代替了普通的醫(yī)學(xué)電極并縫合在衣物內(nèi)部，使其在外觀與穿戴感覺(jué)上與普通的衣物幾乎無(wú)差。此外，本實(shí)用新型還有與之配套的軟件平臺(tái)，可以實(shí)時(shí)地將生理信號(hào)傳到智能設(shè)備或者云端，如果身份認(rèn)證信息出現(xiàn)異常，可以提供設(shè)備鎖定服務(wù)，最大程度地保護(hù)用戶的信息安全。