一种基于声纹识别的信报箱控制系统和方法与流程

本发明属于信报箱安全技术领域，具体涉及一种基于声纹识别的信报箱控制系统和方法。

背景技术：

目前，学校使用的信报箱普遍采用的是机械锁，用户只能通过钥匙打开信报箱，然而机械锁容易生锈，钥匙易磨损、易丢失。并且对于这种传统的开锁方式，一些非法分子可以利用撬锁以及盗取钥匙等方式打开信报箱偷阅信报箱信息或者直接拿走信报箱中的信件，从而造成用户的损失，所以传统的开锁方式显得安全性低而且操作麻烦。

为了防止这种现象的发生，给众多的学校老师提供更高的信息安全保障，不少地方又出现了输入密码打开信报箱的方式，这种密码型的方式有效的避免了锁生锈,钥匙丢失以及钥匙被盗的麻烦。而且这种方式只需输入密码就能打开信报箱门锁，显然方便了许多。所以现在有很多学校都采用了密码型信报箱，在原有的机械锁的基础上做出了改进，可以防止因钥匙丢失、钥匙被盗而无法取出信报箱里的信件现象的发生。但上述的密码型信报箱还有很多缺点，比如：密码容易被遗忘，导致信报箱不能立即打开；或者不经意间说出密码，而导致信件被盗。鉴于此，我们可以采用声纹识别的方式打开信报箱去克服上述诸多的缺点。

技术实现要素：
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为了克服上述背景技术的缺陷，本发明提供一种基于声纹识别的信报箱控制系统和方法，使用更方便，具有更高的安全性。

为了解决上述技术问题本发明的所采用的技术方案为：

一种基于声纹识别的信报箱控制系统，包括数个信报箱，每个信报箱均设有电子锁和继电器，电子锁的开启控制端连接继电器的信号输出端；

还包括声纹采集器、集成运放减法器、调制解调器和控制器，

声纹采集器的输出端连接集成运放减法器的第一输入端，调制解调器的第一输出端连接集成运放减法器的第二输入端，

调制解调器的第一输入端连接集成运放减法器的输出端，调制解调器的第二输入端连接控制器的第一输出端；

控制器的第二输出端连接译码器的输入端，译码器的各个输出端分别连接一个信报箱所的继电器的输入端。

较佳地，声纹采集器设置在一防噪间内，防噪间包括防噪玻璃门。

较佳地，防噪间内还设有连接于控制器的防录音设备。

较佳地，继电器为高电平触发继电器。

较佳地，控制器包括：

发令模块，用于发出提示实际使用人发出声音的信号，发出声纹采集器开启信号，用于发出防录音设备开启信号；

对比模块，用于将实际声纹特征与预存的认证声纹特征进行对比，当实际声纹特征与预存于内存中认证声纹特征相匹配时，通过发令模块发出电子锁开启信号。

较佳地，控制器还连接有输入设备和输出设备，输入设备和输入设备包括触屏显示器。

一种基于声纹识别的信报箱控制方法，包括：

在内存中预存各个信报箱合法使用人的认证声纹特征，各个认证声纹特征与各个信报箱之间形成映射关系；

实际使用人通过输入设备发出开启信报箱命令，控制器通过输出设备提示实际使用人发出声音，控制器控制声纹采集器开启，控制器接收声纹采集器采集的实际使用人发出声音的生成实际声纹数据，并将实际声纹数据进行声纹特征提取，最后把实际提取的声纹特征与预存的认证声纹特征进行匹配；

当实际声纹特征与认证声纹特征相匹配时，向该认证声纹特征所对应信报箱的电子锁发出开启信号。

较佳地，向该认证声纹数据所对应信报箱的电子锁发出开启信号包括：向电子锁连接的继电器发出触发信号。

较佳地，通过防录音装置和控制器进行加噪，通过控制器、调制解调器和集成运放减法器进行解噪，通过所述加噪和所述解噪进行防录音，具体方案包括：

控制器通过输出设备提示实际使用人发出声音的同时，控制防录音设备发出实时噪音信号，声纹采集器采集实际使用人在防噪间里发出声音时的混合音信号，混合音包括实际使用人发出的声音信号和实时噪音信号，集成运放减法器接收混合音信号，控制器2中的中央处理器也会根据前一个用户声纹函数加上时间系数建立噪音函数，将噪音函数产生噪音对应的数字信号通过调制解调器转换为实时噪音的模拟信号，模拟信号同时输入集成运放减法器，集成运放减法器从混合音信号中去除实时噪音信号得到实际声纹对应的模拟信号。

较佳地，控制器根据前一个用户声纹函数生成噪音函数f(t)＝f1(t)*hour+f1(t)*minute+f1(t)*second，依据实际使用人所对应的当前混合音信号生成当前混合音函数h(t)，实际使用人的实时声纹数据函数表示为f2(t)＝h(t)-f(t)，其中f1(t)为前一个用户的实时声纹函数，hour为当前小时数据信息，minute为当前分钟数据信息，second为当前秒钟数据信息。

本发明的有益效果在于：本发明利用声纹识别技术，识别用户的声纹，采用防录音设备作为干扰技术，利用声纹加噪解噪解决存在的安全隐患；利用声纹采集器采集用户的声纹和噪音，经过集成运放减法器解噪之后得到用户真实声纹对应的模拟信号，接着将模拟信号解调过后的数字信号传给控制器进行声纹特征提取，最后进行声纹特征匹配；若匹配成功，译码器就会在匹配成功的信报箱对应的路线上产生一种高电平信号就会在匹配成功的路线上产生一种高电平信号，使电路导通，信报箱自动打开与用户声纹关联的信报箱。

本发明声纹控制信报箱与机械锁相比，防钥匙丢失，钥匙被盗导致信件被盗，而且使用声纹控制信报箱操作方便，只需要合法使用人说话就可以使信报箱打开，而打开机械锁显得麻烦。除此之外，声纹控制信报箱还具有寿命长久的特点。本发明与传统的输入密码打开信报箱相比，利用每个人具有独一无二的声纹特征信息，极大地简化打开信报箱的过程，省去传统信报箱装置需要输入密码的操作，避免了用户因为遗忘、记错密码而导致不能立即打开信报箱的尴尬纠结境况。本发明与指纹识别打开信报箱的方式相比，前者属于非接触性打开信报箱，极其方便。我们偶尔指纹磨损，也会导致无法打开信报箱，而声纹控制信报箱可以解决这些缺点。本发明采用声学干扰技术、一次一噪、基于时间的噪音函数，将噪音掺杂在用户声纹中，有效的阻止了其他人利用非法手段获取用户声纹打开信报箱。而且使用这种声纹加噪的声控信报箱与其他打开信报箱的方式相比安全性更高。

附图说明

图1为本发明实施例一的整体结构示意图；

图2为本发明实施例信报箱及信报箱与译码器、控制器的连接结构示意图；

图3为本发明实施例一防噪间的结构示意图；

图4为本发明实施例一整体结构立体示意图；

图5为本发明实施例一各部件之间的信号流转示意图；

图6为本发明实施例二用户打开信报箱的方法流程图；

图7为本发明实施例二声纹加噪解噪方法流程图。

图中：1-信报箱，1.1-电子锁，1.2-继电器，1.3-电源，2-控制器，3-声纹采集器，4-防录音设备，5-防噪间，6-集成运放减法器，7-触屏显示器，8-译码器，9-调制解调器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

实施例一

一种基于声纹识别的信报箱1控制系统，包括数个信报箱1，每个信报箱1均设有电子锁1.1和继电器1.2，电子锁1.1的开启控制端连接继电器1.2的信号输出端；

还包括声纹采集器3、集成运放减法器6、调制解调器9和控制器2；

声纹采集器3的输出端连接集成运放减法器6的第一输入端，调制解调器9的第一输出端连接集成运放减法器6的第二输入端；

调制解调器9的第一输入端连接集成运放减法器6的输出端，调制解调器9的第二输入端连接控制器2的第一输出端；

控制器2的第二输出端连接译码器8的输入端，译码器8的各个输出端分别连接一个信报箱1所的继电器1.2的输入端。

声纹采集器3设置在一防噪间5内，防噪间5包括防噪玻璃门。

防噪间5内还设有连接于控制器2的防录音设备4。

继电器1.2为高电平触发继电器1.2。

控制器2包括：

发令模块，用于发出提示实际使用人发出声音的信号，发出声纹采集器3开启信号，用于发出防录音设备4开启信号；

对比模块，用于将实际声纹特征与预存的认证声纹特征进行对比，当实际声纹特征与预存于内存中认证声纹特征相匹配时，通过发令模块发出电子锁1.1开启信号。

控制器2还连接有输入设备和输出设备，输入设备和输入设备包括触屏显示器7。

本实施例用户进门之后，通过触屏显示器7选择空的信报箱1，确认之后对声纹采集器3说一句自己喜欢的话，该系统自动提取声纹特征信息，然后将声纹特征信息与对应的信报箱1捆绑起来，并储存在控制器2内存中。

本实施例由于考虑到用户说话时，声纹存在被窃听的可能，于是，在两个信报箱1单元之间增设一个透明的玻璃门形成一个防噪间5，避免用户在进行声纹识别时会有过多的未知噪音。同时，用户也可以观察到外面信报箱1的情况，类似于银行的atm机的门。然后在门内安装一个防录音装置，利用“一次一噪”的方法来解决这个隐患。

本实施例的输入装置和输出装置可以采用触屏显示器7，在控制器2和继电器1.2间还设有译码器8。

本实施例的每个信报箱1设有独立的电源1.3，继电器1.2、电源1.3和电子锁1.1在均信报箱1箱体内，控制器2、触屏显示器7、声纹采集器3、防录音设备4均设置在带有玻璃门的防噪间5内。

防录音设备4可根据控制器的要求产生中央处理器已知的噪音，该噪音用于混合在声纹中防止用户声纹被录音，声纹采集器3包括麦克风，用来采集声纹；调制解调器9将声纹对应的模拟信号转化成声纹对应的数字信号让控制器2中的中央处理器识别；控制器2的内存中存储有用户的声纹信息以及合法使用者的认证声纹信息与各个信报1之间的映射表，每次取信时更新噪音函数，控制防录音装置产生满足该噪音函数的噪音；译码器8可以把控制器2输出的数字信号进行翻译，变成相应的状态，使输出通道中相应的一路有信号输出；继电器1.2与电子锁1.1用来控制电路闭合或断开，达到开启信报箱1或使保持信报箱1处于关闭状态的目的。

实施例二

一种基于声纹识别的信报箱1控制方法，包括：

在控制器2的内存中预存各个信报箱1合法使用人的认证声纹特征，各个认证声纹特征与各个信报箱1之间形成映射关系；

实际使用人通过输入设备发出开启信报箱1命令，控制器2通过输出设备提示实际使用人发出声音，控制器2控制声纹采集器3开启，集成在控制器2中的中央处理器接收声纹采集器3采集的实际使用人发出声音的生成实际声纹数据，并将实际声纹数据进行声纹特征提取，最后把实际提取的声纹特征与预存的认证声纹特征进行匹配；

当实际声纹特征与认证声纹特征相匹配时，向该认证声纹特征所对应信报箱1的电子锁1.1发出开启信号所对应信报箱1的电子锁1.1发出开启信号。

向该认证声纹特征所对应信报箱1的电子锁1.1发出开启信号包括：向电子锁1.1连接的继电器1.2发出触发信号。

通过防录音装置和控制器实现“加噪”的目的，通过控制器，调制解调器以及集成运放减法器实现“解噪”的目的，通过加噪解噪实现防录音的目的，具体方案包括：

控制器2通过输出设备提示实际使用人发出声音的同时，控制防录音设备4发出实时噪音信号，声纹采集器3采集实际使用人在防噪间5里发出声音时的混合音信号，混合音包括实际使用人发出的声音信号和实时噪音信号，集成运放减法器6接收混合音信号，控制器2中的中央处理器也会根据前一个用户声纹函数加上时间系数建立噪音函数，将噪音函数产生噪音对应的数字信号通过调制解调器9转换为实时噪音的模拟信号，模拟信号同时输入集成运放减法器6，集成运放减法器6从混合音信号中去除实时噪音信号得到实际声纹对应的模拟信号。

控制器2根据前一个用户声纹函数生成噪音函数f(t)＝f1(t)*hour+f1(t)*minute+f1(t)*second，依据实际使用人所对应的当前混合音信号生成当前混合音函数h(t)，实际使用人的实时声纹数据函数表示为f2(t)＝h(t)-f(t)，其中f1(t)为前一个用户的实时声纹函数，hour为当前小时数据信息，minute为当前分钟数据信息，second为当前秒钟数据信息。

本实施例所述方法具体包括如下步骤，如图6所示：

第一步:用户在取信之前，首先要采集用户的声纹特征，也就是将所有用户的声纹与对应的信报箱1捆绑起来形成声纹数据库，并存储在信报箱1控制器2的内存中。

第二步:用户开门时，控制器2从内存中选择前一个用户的声纹信号，该声纹信号用于建立噪音函数，控制器2让防录音装置不断产生一种满足噪音函数的噪音，直到用户离开关门为止。

第三步:取信阶段，用户对声纹采集器3说一句话(在此之前已建立声纹数据库)，通过声纹采集器3采集到用户的声纹和防录音装置产生的噪音，即声纹采集器3采集的是混合音。

第四步：麦克风输出端的是混合音对应的模拟信号，将混合音信号输入集成运放减法器6，与此同时，控制器2中的中央处理器也会根据前一个用户声纹函数加上时间系数建立噪音函数，将噪音函数产生噪音对应的数字信号通过调制解调器9转换成相应的模拟信号，将其信号输入集成运放减法器6。

第五步:在集成运放减法器6中混合音对应的模拟信号减去噪音所对应的模拟信号得到本次用户声纹所对应的模拟信号，两个模拟信号在集成运放减法器6中相减之后在其输出端得到用户声纹对应的模拟信号。

第六步:将得到的用户声纹信号输入调制解调器9，也就是将声纹对应的模拟信号转换成声纹对应的数字信号。

上述过程完成声纹加噪解噪流程。如图7为基于时间的声纹加噪解噪方法流程图。

第七步:控制器将调制解调器9传过来的数字信号进行声纹特征提取，接着将提取的声纹特征与内存之前存储的声纹特征进行模式匹配，找到对应的用户。

第八步:若某个用户声纹匹配成功，集成在控制器2中的中央处理器就会通过译码器8在匹配成功的用户及对应的信报箱1连接路线上产生一种高电平信号。

第九步:继电器1.2接受到高电平信号时就会使该电路导通，电子设备锁1.1自动打开某个信报箱1。当接收到低电平时电路断开，信报箱1处于关闭状态，这样就实现了声控信报箱1。

关于噪音函数的产生，在语音信号时域中，设用户取信时系统使用的声纹函数记为f1(t)(也就是声纹波形信号的函数),每次噪音函数都是基于前一个用户的声纹函数经过时间系数变换得到，设噪音函数为f(t)。

f(t)＝f1(t)*hour(时)+f1(t)*minute(分)+f1(t)*second(秒)公式①

注：f1(t)表示上一个用户的声纹函数，该背景噪音是随时间变化的，hour∈[0,24]，minute∈[0,60]，second∈[0,60]，hour、minute、second只代表数值。

本实施例声纹加噪和解噪原理

加噪的原理：用户开门时，控制器2从内存中选择前一个用户的声纹函数f1(t)，根据声纹函数在中央处理器中合成噪音函数，控制器2让防录音装置不断产生一种满足噪音函数f(t)的噪音，f(t)为即公式①的函数。如果前一个用户声纹时间过短，就循环播放噪音，直到用户离开关门为止。不同用户取信时采用的噪音函数不一样，每次使用的噪音函数都是通过前一个用户的声纹函数加上时间系数变换得到的，而且对于某一个声纹函数，时间不同，噪音函数f(t)的幅度值也不相同，因此产生的噪音千变万化，从而实现了一种动态选择噪音函数和噪音函数基于时间的动态加密方式。

解噪的原理：由于集成在控制器的中央处理器知道噪音函数的属性，中央处理器可根据噪音函数生成噪音对应的数字信号在调制解调器9中转换成噪音对应的模拟信号，将其模拟信号输入集成运放减法器6的一个端口，另一个端口则输入混合音对应的模拟信号，两个信号相减之后就会除去该属性的噪音信号，即：f2(t)＝h(t)-f1(t)*hour+f1(t)*minute+f1(t)*second公式②

注：f1(t)表示上一个用户声纹信号对应的函数，f2(t)表示本次用户声纹信号对应的函数，h(t)表示本次混合音信号对应的函数，hour、minute、second表示时间系数，属于自变量，f1(t)*hour+f1(t)*minute+f1(t)*second表示本次使用的噪音信号对应的函数。

混合音信号经过处理之后，得到本次用户的声纹信号f2(t)，恢复了用户声纹的波形信号。如果其他人拿着录的语音(该语音含第一次的用户声纹和第一次开门时满足噪音函数f1(t)的噪音)去播放，又会产生另外一种满足噪音函数f2(t)的噪音，而且盗窃语音者不知道噪音属性，与此同时，这种噪音是根据前一个用户声纹信号变换产生的，与人声音的各种属性(尤其体现在频率上)极其类似，因此无法除去噪音得到用户的真实声纹，而我们集成运放减法器6只会处理本次开门噪音函数f2(t)产生的噪音对应的模拟信号，其他语音都属于未知噪音，系统无法除去未知噪音，这样阻止了其他人窃取用户的声纹，实现了反窃听功能。

声纹加噪解噪的过程：用户开门时，控制器2从内存中选择前一个用户的声纹函数，声纹函数通过时间系数变换生成噪音函数，控制器2控制防录音装置，让防录音装置不断产生一种满足噪音函数的噪音。声纹采集器3采集混合音，由于控制器知道噪音对应的数字信号，在调制解调器9中可将噪音对应的数字信号转化为噪音对应的模拟信号，最后在集成运放减法器6中用混合音对应的模拟信号减去噪音对应的模拟信号得到用户声纹对应的模拟信号，然后通过调制解调器9将声纹对应的模拟信号转换成数字信号输入控制器，在控制器中进行声纹特征提取以及后续的声纹匹配。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。