CN106487454A - 一种物联网智能设备的声波配置方法及配置系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种物联网智能设备的声波配置方法及配置系统，该方案使用声波对配置信息进行编解码和传递，实现对物联网智能设备配置。其通过声波对各种集成了WIFI、蓝牙、ZIGBEE、433等无线通信功能的智能产品进行预配置或重新配置，能够在没有任何互联互通的情况下完成对智能家电或智能终端设备的控制和配置实现，且无视任何无线通信的干扰下完成对无线通信设备的预配置或再配置，为目前物联网发展提供一个更加稳定可靠的接入配置方案。

Description

一种物联网智能设备的声波配置方法及配置系统

技术领域

本发明属于通信领域，具体涉及物联网的信息交互技术。

背景技术

随着物联网应用的发展，各种无线通信机制逐渐在家用类、消费类和玩具类产品上普及，这就意味着越来越多的非高学历普通用户以及对无线通信完全不了解的用户会触及到无线相关的管理配置操作，这对用户体验有着很大的考验；于是随之而来的傻瓜式配置、一键配置、碰触式配置等方案被各个产品厂家所采用，以满足各类用户群的体验需求。

目前大家所采用的配置方案基本上通过现有的无线通信协议的一些规则做的交互通信或模糊匹配法则来实现：

如easylink、airkiss等等方案都是通过IEEE802.11标准对应报文里面的数据加密原理和/或IEEE802.11报文包头物理地址组播应用规则来做的模糊匹配，他们或通过相连报文之间的数据长度变化来做解码基准，或通过物理地址后三字节来承载传递的信息；

又如某些智能网关所带的Touch配置方案或一些商场的TAG配置方案都是通过NFC的近场通信机制来做的一个配置信息的传递；它们或通过NTAG机制动态获取智能网关内部的配置信息然后通过NFC线圈传递给NFC reader，或通过在一个无源TAG里面预先写入无线网关的配置信息然后由NFC reader来主动读取获得的方法来实现智能手机的无线配置。

但是随着这些方案在物联网市场的推广和试用，因方案本身的局限性而产生的各种问题随即也暴露了出来：

对于基于IEEE802.11报文数据加密原理所实现的配置方案，因为生活中大量的WIFI产品所引起的干扰导致成功率很低，且基本上成功配置一个产品的所需时间平均为20s，且穿透能力较弱，无法大范围普及应用；

对于基于IEEE802.11包头物理地址为承载做信息传输的方案，因其本身触及组播应用的定义，除非此方案所使用的场合本身不存在组播应用，否则将会有冲突导致双方业务均有异常现象发生，所以此方案也无法做大范围推广应用；

对于基于NFC标准的NTAG动态信息交互方案，从通信本身来说是一个非常好的配置方案，但是由于其对距离有明确的要求，所以只有在那些人体能够很容易碰触到的设备适合推广；

对于基于NFC标准的TAG静态信息交互方案，因为其静态特性以及其额外存在的独立产品形式也使得用户对其方案接受度大打折扣。

随着物联网设备智能要求的不断提升，SensorIntegrate、AlgorithmRealization、CloundCalculation、VoiceRecognition等应用也成为了物联网设备标配的智能应用模块，于是，音频输入输出模块也随之进入了物联网智能设备之中。故在此背景下，提供一种能够在没有任何互联互通且无视任何无线通信干扰下的情况下，进行稳定可靠的配置操作的配置方案，是本领域的亟需解决的问题。

发明内容

针对现有物联网智能设备间的配置信息交互方案需要在互联互通的情况下进行，且容易受无线通信干扰的问题，本发明的目的如下：

1.针对物联网智能设备提供一种稳定可靠的配置、操作信息传输的方案。

2.针对上述的配置方案，提供一种可实施该配置方案的配置系统。

为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

针对目的1，提供一种物联网智能设备的声波配置方法，所述声波配置方法使用声波对配置信息进行编解码和传递，实现对物联网智能设备配置。

进一步的，所述声波配置方法利用声波不同的震动频率确定对应编码，然后根据确定的编码以编码的方式来传递物联网智能设备的配置信息。

进一步的，所述声波配置方法中，首先，将配置信息进行16进制的转换，形成16进制字符串数组；

然后，将16进制字符串数组编码转换成对应的声波传送数组，并据此进行声波传送；

最后，进行声波采样，对采样结果进行解码转换成对应的16进制字符串数组，并转换成对应的配置信息完成配置操作。

进一步的，每个字符对应频率的声波按照100ms的时长进行发送，声波采用16bit格式编码、44100HZ采样频率进行处理。

进一步的，通过如下公式得到发送声波的正弦编码数组：

sin((2pi/ENC_CODE)*x)*(y)+128；

其中，2pi是一个完整的正弦波周期对应的相位，pi用常数3.1415926表示；ENC_CODE为周期取样次数；x为采样点计数，与声波数组下标一一对应；y为正弦波峰值，为声波的正弦波编码幅度值大小。

进一步的，进行解码时，根据采样周期个数和编码完成解码。

进一步的，对解码得到的16进制字符串数组处理如下：

1)检测到1010表示有效配置数据；

2)检测到1111表示SSID数据结束，对SSID数据做CRC校验，如果跟1111前面的CRC部分不同，则丢弃此SSID数据，反之存储；

3)检测到1212表示PASSWORD数据结束，对PASSWORD数据做CRC校验，如果跟1212前面的CRC部分不同，则丢弃PASSWORD数据，反之存储；

4)如SSID/PASSWORD皆检测成功，则解码结束。

针对目的2，提供一种物联网智能设备的声波配置系统，该系统包括配置管理发送单元以及配置管理接收单元，所述配置管理发送单元运行在配置操作终端中，用于以声波的形式传输设备的配置信息；所述配置管理接收单元运行在相应的待操作设备中，采集配置管理发送单元发送的声波，并转换成对应的配置信息。

进一步的，所述配置管理发送单元接受配置操作终端设置的配置信息，通过声波编码，转换成对应的声波传送数组，并据此进行声波的循环传送。

进一步的，所述配置管理接收单元与待操作设备中控制单元通信相接，其将转换成得到配置信息传输给待操作设备中控制单元，利用待操作设备中的控制单元完成设备的配置。

本发明提供的方案能够在没有任何互联互通的情况下完成对智能家电或智能终端设备的控制和配置实现，且无视任何无线通信的干扰下完成对无线通信设备的预配置或再配置，为目前的物联网发展提供一个更加稳定可靠的接入配置方案。

再者，基于本方案通过噪声和背景声处理技术，无论在家庭、办公室、或在人员密集的商城等地方，将都能很容易地通过声波一键配置软件通过现有的智能产品如手机、PAD等轻松完成对物联网设备的预配置或再配置操作。

另外，本方案还适合于各种支持通话类智能终端之间的信息交互，也适合于所有带有音频输入输出电路的嵌入式设备或智能设备的单工或半双工信息处理(如设备配置操作等)。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。

图1为本发明实例中物联网智能设备声波配置发送方的操作流程图；

图2为本发明实例中物联网智能设备声波配置接收的操作流程图；

图3为本发明实例中声波检测的示意图；

图4为基于本方案的物联网智能设备声波配置应用场景示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

随着物联网设备对语音识别功能的需求越来越多，音频输入输出电路将会成为物联网设备智能控制单元里面的一个标配电路，随之而来的基于声波通信的智能配置方式也因为其识别高准确性和操作简单性被大家所选择。

本方案正是基于目前物联网智能设备中的音频模块为物理承载，通过声波通信原理来传递信息以实现物联网智能设备的配置。

为此，本方案根据声波不同的震动频率来确定对应不同的编码，然后使用声波对配置信息进行编解码和传递，实现以编码的方式来传递设备的配置操作信息，从而实现高精确性的短距离大批量配置管理操作方案以及设备的一键配置功能。

本方案在实现时，首相将设备的配置信息进行16进制的转换，然后把16进制数组再次转换为由0～9和A～F组成的16进制的字符串。

接着，根据确定的编码对应关系(参见下述表一)，将16进制字符串数组编码转换成对应的声波传送数组，并据此进行声波循环传送。

再者，进行声波采样，对采样结果进行解码(参见下述的表二)转换成对应的16进制字符串数组，并转换成对应的配置信息完成配置操作。

该过程中，把每个字符对应频率的声波按照100ms的时长进行发送，声波采用16bit格式编码、44100HZ采样频率进行处理。

具体的，本方案中将传输信息都转换成16进制的字符串，由此整个字符串里面的每一个字符都是为10个阿拉伯数字字符0、1、2、3、4、5、6、7、8、9加6个大写字母A、B、C、D、E、F里面的某个字符。

针对这个16个字符，将其对应成16个编码；然后将把这个16个编码分别跟某个声波频率一一对应，分别记为F1～F16。

由于声波频率包括次声波、超声波和人耳能够听到的20HZ～20000HZ的声波，为了满足用户体验同时不影响人体健康，本方案中把编码对应的F1～F16分别与800HZ、845HZ、900HZ、980HZ、1050HZ、1130HZ、1220HZ、1340HZ、1470HZ、1690HZ、2000HZ、2300HZ、2750HZ、3350HZ、4410HZ、6230HZ一一对应。

另外，根据人耳的听力范围和信号处理的奈奎斯特定理，一般声音的采样频率为44100HZ；同时本方案把每个编码对应的声波传输时间为100ms，则每个编码的传输时间内采样次数为4410次，由此根据编码传输频率则可以得出编码F1～F16的采样周期个数分别为55、52、49、45、42、39、36、33、30、26、22、19、16、13、10、7。

在此基础上，信息发送方根据由16进制字符串组成的发送信息，再根据编码对应关系得出声波传输序列；而信息接收方根据接收到的采样周期个数和编码对应关系还原出16进制字符串，即可得到真正的交互信息。

针对上述的原理和方案，通过如下一具体实例方案进行说明。

本实例方案的实现涉及到两种工作形态的设备，工作形态一为配置管理发送方，命名为VCenter，工作形态二为配置管理接收方，命名为VEndpoint。

基于上述原理，本实例方案中明确16个声波频率值：

1)F1，800HZ，表示字符‘0’，对应周期内循环采样次数为55；

2)F2，845HZ，表示字符‘1’，对应周期内循环采样次数52；

3)F3，900HZ，表示字符‘2’，对应周期内循环采样次数49；

4)F4，980HZ，表示字符‘3’，对应周期内循环采样次数45；

5)F5，1050HZ，表示字符‘4’，对应周期内循环采样次数42；

6)F6，1130HZ，表示字符‘5’，对应周期内循环采样次数39；

7)F7，1220HZ，表示字符‘6’，对应周期内循环采样次数36；

8)F8，1340HZ，表示字符‘7’，对应周期内循环采样次数33；

9)F9，1470HZ，表示字符‘8’，对应周期内循环采样次数30；

10)F10，1690HZ，表示字符‘9’，对应周期内循环采样次数26；

11)F11，2000HZ，表示字符‘A’，对应周期内循环采样次数22；

12)F12，2300HZ，表示字符‘B’，对应周期内循环采样次数19；

13)F13，2750HZ，表示字符‘C’，对应周期内循环采样次数16；

14)F14，3350HZ，表示字符‘D’，对应周期内循环采样次数13；

15)F15，4410HZ，表示字符‘E’，对应周期内循环采样次数10；

16)F16，6230HZ，表示字符‘F’，对应周期内循环采样次数7。

同时，在本实例方案中定义了以下几个定时器：

1)T1，每个编码对应频率的声波一次传输时长，值为100ms，VCenter和VEndpoint皆有效；

2)T2，声波配置最长等待时间，值为10s，一旦启动后10s内没有检测到声波配置操作，则切换到下一工作状态，VEndpoint有效；

3)T3，正确接收配置信息并连上WIFI网关后向VCenter发送状态报告并等待响应的超时时间，500ms，VEndpoint有效；

4)T4，从检测到声波配置操作到声波通信解码成功的最长时间，值为10s，一旦超时还无法正确解码，则进入下一工作状态，VEndpoint有效。

此外，本实例还为声波通信的数据组成部分定义了Trigger头符和Field尾符：

1)H_FLAG：1010，对应16进制0x10、0x10，表示进入配置数据的包头部分；

2)SSID_FLAG：1111，对应16进制0x11、0x11，表示SSID+1BYTE CRC结束；

3)PSWD_FLAG：1212，对应16进制0x12、0x12，表示PSWD+1BYTECRC结束。

在此基础上，本实例方案以声波的频率作为编解码的基本点，如符号‘0’的编码，它对应的声波频率设置为800HZ，即一秒钟800次，按照声音采样频率44100HZ来采用，则一个波形周期内采样周期为55次，55即为ENC_CODE；以16进制字符串来对应配置数据内容，则需要编解码的字符为0～9及A～F共16个，由此确定信息发送和接受的编码和解码，以下表一是发送时编码对应表，表二是接收时解码对应表：

表一发送时编码对应表

符号	0	1	2	3	4	5	6	7
									ENC_CODE	55	52	49	45	42	39	36	33
符号	8	9	A	B	C	D	E	F
									ENC_CODE	30	26	22	19	16	13	10	7

表二接收时解码对应表

COUNT	56	55	54	53	52	51	50	49
									ENC_CODE	55	55	55	52	52	52	49	49
符号	0	0	0	1	1	1	2	2
									COUNT	48	47	46	45	44	43	42	41
ENC_CODE	49	45	45	45	45	42	42	42
									符号	2	3	3	3	3	4	4	4
COUNT	40	39	38	37	36	35	34	33
									ENC_CODE	39	39	39	36	36	36	33	33

符号	5	5	5	6	6	6	7	7
									COUNT	32	31	30	29	28	27	26	25
ENC_CODE	33	30	30	30	26	26	26	26
									符号	7	8	8	8	9	9	9	9
COUNT	24	23	22	21	20	19	18	17
									ENC_CODE	22	22	22	22	19	19	19	16
符号	A	A	A	A	B	B	B	C
									COUNT	16	15	14	13	12	11	10	9
ENC_CODE	16	16	13	13	13	10	10	10
									符号	C	C	D	D	D	E	E	E
COUNT	8	7	6	5	Otheros
									ENC_CODE	7	7	7	7	0
符号	F	F	F	F	NULL

在具体实现时，本实例方案中的配置管理发送方(VCenter)，其运行在配置管理终端中，用于实现以声波的形式传输设备的配置信息；而配置管理接收方(VEndpoint)，则运行在待管理的智能设置中，采集配置管理发送方(VCenter)发送的声波，并转换成对应的配置信息。

这里的配置管理终端可采用多种设备来实现，如设备配置的遥控器、智能手机、PAD、笔记本电脑等。

而配置管理发送方(VCenter)，运行在这些设备中，以接受配置操作终端设置的配置信息，再通过声波编码，将配置信息转换成对应的声波传送数组，并据此进行声波的循环传送。

该配置管理发送方(VCenter)具体可采用由软件程序形成的配置应用来实现，如相应的APP、桌面应用软件，嵌入式程序等等。其主要包括配置信息接受模块、转换模块、编码模块以及声波发送模块。

其中，配置信息接受模块，用于接收配置操作终端(如智能手机等)中设置的配置信息(如通过手机输入设备输入的一些配置参数等等)，并将其传输至转换模块。

转换模块，其用于将接收到的配置信息进行16进制的转换，形成16进制字符串数组，并传至编码模块。

编码模块，其用于根据表一对接收到的16进制字符串数组进行声波编码，形成对应的声波传送数组，并传至声波发送模块。

声波发送模块，其用于根据接收到的声波传送数组，调用终端的音频模块进行循环发送声波。

另外，配置管理接收方(VEndpoint)，其具体与待操作设备中控制单元通信相接，其将转换成得到配置信息传输给待操作设备中控制单元，利用待操作设备中的控制单元完成设备的配置。

该配置管理接收方(VEndpoint)具体也可采用软件形式来实现，如相应的APP、桌面应用软件，嵌入式程序等等。其主要包括声波采集模块、解码模块以及转换模块。

声波采集模块，其按照44100HZ的声音采样频率和100ms的每个信息检测时长，对配置管理发送方(VCenter)发送的声波信息进行采用，并将采样结果传送至解码模块。

解码模块，根据声波采集模块传送的采样结果(如采样周期内的个数)，并结合表二对声波采集模块采集到的声波信息进行解码，得到对应的16进制字符串数组，并传至转换模块。

转换模块，对解码模块解码得到的16进制字符串数组进行转换，形成对应的配置信息，并传输给待操作设备中控制单元。

在此基础上，本实例方案的具体运行过程如下：

首先，声波配置信息的形成及发送(参见图1)。

当配置应用启动时，应用程序会自动尝试从当前智能手机或PAD中获取需要配置给智能设备的参数，比如Android平台等，然后弹出人机交互界面并显示获取到的参数内容，如果因为平台原因获取失败，如iOS系统权限问题引起，则人机交互界面上显示为空，最后由操作人员修改或填入对应的配置参数，然后点击进入声波配置操作流程。

声波配置操作主线程获取到此配置参数后把参数SSID和PASSWORD分别转成16进制字符串。

然后按照格式：

“H_FLAG+SSID+SSID_CRC+SSID_FLAG+PSWD+PSWD_CRC+PSWD_FLAG”(即“1010<SSID><CRC>1111<PSWD><CRC>1212”组建配置信息字符串，其中的CRC字段获取方法如下：8bit的CRC变量在运算前初始化为0，首先按照顺序提取数据段的第一个字节，把CRC与此字节的值做异或运算，并把结果赋给CRC，然后根据此字节的每一个bit值按照后面方式对CRC进行处理，如果此bit值为0，则当前CRC值右移一位，如果此bit值为1，则当前CRC值右移一位后再跟0x8c进行异或操作，并把操作结果赋值给CRC；等到8个bit都处理完后按照字节顺序提取下一个字节并做同样的算法操作；以此类推，直到所有的字节都运算完毕，得到的8bit数据即为CRC值。

然后，通过查编码表(即表一)把此字符串转化成用于声波发送的数组,这个数组里面的每一个值对应发送100ms时长的声波频率值，声波波形采用的是相位长度为2pi的正弦波，根据周期取样次数ENC_CODE得出每一个正弦编码点数值后即可获得正弦波编码，正弦编码点数值：

sin((2pi/ENC_CODE)*x)*(y)+128

1)其中的x当前采样次数的计数，第一次采样时x为0，第n此采样是x值为n-1，最后一次采样x为(4410-1)；

2)y即声波最大幅度，即正弦波峰值(也即峰峰值除以2)，在本方案中，采用的是16bit的PCM编码，峰峰值为2的16次方即65536，所以最大幅度y为32768。

在得到正弦编码数组后，即可此编码数组循环播放来做配置信息的发送，在此同时,启动基于网络连接的UDP Server用于监听7000端口的UDP广播报文，一旦有智能终端正确解析此配置信息并连接上网络后会发送数据内容为“IOE IS OK”UDP广播报文以告知本设备配置成功，UDP Server监听到此消息后记录对应的ID或MAC地址，然后回复“IOE IS START”消息。

接着，声波配置信息的接收及操作(参见图2)。

本实例方案中，被配置方在启动时或外部按键触发时将进入声波检测状态，声波检测按照44100HZ进行，以100ms为每个信息检测时长，检测方式如图3所示。

由图可知，在空状态下f(x)值从小于0转变成大于0进入计数状态，开始一个波形周期的采样次数计数；在计数状态下f(x)值从小于0转变成大于0表示计数结束，根据计数值和解码表(即表二)即可得到当前的字符。

对于得到的字符集处理如下：

1)检测到1010表示有效配置数据其实；

2)检测到1111表示SSID数据结束，对SSID数据做CRC校验，如果跟1111前面的CRC部分不同，则丢弃此SSID数据，反之存储；

3)检测到1212表示PASSWORD数据结束，对PASSWORD数据做CRC校验，如果跟1212前面的CRC部分不同，则丢弃PASSWORD数据，反之存储；

4)如SSID/PASSWORD皆检测成功，则解码结束。

最后，解码成功后根据SSID/PASSWORFD连接上网关，并创建UDP socket发送广播报文“IOT IS OK”，如果T3时间内没有收到响应则再次重发，最多重发3次，3次后即使没有得到“IOT IS START”的响应也认为上报成功。

由上实例可知，本方案能够在没有任何互联互通的情况下完成对智能家电或智能终端设备的控制和配置实现，且无视任何无线通信的干扰下完成对无线通信设备的一键预配置或再配置。

以下通过一应用实例来进一步的说明本方案：

参见图4，家电客户使用QFN-3模块(NXP LPC4088+QUALCOMMQCA4002)为微波炉、洗碗机、冰箱等实现了互联网的接入和智能管理。同时使用QUALCOMM QCA4004和QCA4010实现了空调的互联网接入和智能管理，但家电厂的产品出厂时默认的接入配置是空的，但这些产品到了用户家里后用户首先需要为这些产品接入到家里的无线网关，否则智能管理功能将不会被启动。

在这些产品启动的时候，由于不存在无线网关的配置，所以除了产品的专属功能模块正常以为，智能模块将会启动声波检测等待配置完成，此时用户只要启动手机或PAD上对应的声波配置应用软件，通过声波即可简单完成配置，让这些设备可以成功接入到家里的无线网关，从而启动智能管理功能。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种物联网智能设备的声波配置方法，其特征在于，所述声波配置方法使用声波对配置信息进行编解码和传递，实现对物联网智能设备配置。

2.根据权利要求1所述的一种物联网智能设备的声波配置方法，其特征在于，所述声波配置方法利用声波不同的震动频率确定对应编码，然后根据确定的编码以编码的方式来传递物联网智能设备的配置信息。

3.根据权利要求2所述的一种物联网智能设备的声波配置方法，其特征在于，所述声波配置方法中，首先，将配置信息进行16进制的转换，形成16进制字符串数组；

然后，将16进制字符串数组编码转换成对应的声波传送数组，并据此进行声波传送；

最后，进行声波采样，对采样结果进行解码转换成对应的16进制字符串数组，并转换成对应的配置信息完成配置操作。

4.根据权利要求3所述的一种物联网智能设备的声波配置方法，其特征在于，每个字符对应频率的声波按照100ms的时长进行发送，声波采用16bit格式编码、44100HZ采样频率进行处理。

5.根据权利要求3所述的一种物联网智能设备的声波配置方法，其特征在于，通过如下公式得到发送声波的正弦编码数组：

sin((2pi/ENC_CODE)*x)*(y)+128；

其中，2pi是一个完整的正弦波周期对应的相位，pi用常数3.1415926表示；ENC_CODE为周期取样次数；x为采样点计数，与声波数组下标一一对应；y为正弦波峰值，为声波的正弦波编码幅度值大小。

6.根据权利要求3所述的一种物联网智能设备的声波配置方法，其特征在于，进行解码时，根据采样周期个数和编码完成解码。

7.根据权利要求3所述的一种物联网智能设备的声波配置方法，其特征在于，对解码得到的16进制字符串数组处理如下：

1)检测到1010表示有效配置数据；

2)检测到1111表示SSID数据结束，对SSID数据做CRC校验，如果跟1111前面的CRC部分不同，则丢弃此SSID数据，反之存储；

3)检测到1212表示PASSWORD数据结束，对PASSWORD数据做CRC校验，如果跟1212前面的CRC部分不同，则丢弃PASSWORD数据，反之存储；

4)如SSID/PASSWORD皆检测成功，则解码结束。

8.一种物联网智能设备的声波配置系统，其特征在于，所述系统包括配置管理发送单元以及配置管理接收单元，所述配置管理发送单元运行在配置操作终端中，用于以声波的形式传输设备的配置信息；所述配置管理接收单元运行在相应的待操作设备中，采集配置管理发送单元发送的声波，并转换成对应的配置信息。

9.根据权利要求8所述的一种物联网智能设备的声波配置系统，其特征在于，所述配置管理发送单元接受配置操作终端设置的配置信息，通过声波编码，转换成对应的声波传送数组，并据此进行声波的循环传送。

10.根据权利要求8所述的一种物联网智能设备的声波配置系统，其特征在于，所述配置管理接收单元与待操作设备中控制单元通信相接，其将转换成得到配置信息传输给待操作设备中控制单元，利用待操作设备中的控制单元完成设备的配置。