CN106934891A - 一种基于声波数字通信的门禁系统 - Google Patents

一种基于声波数字通信的门禁系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于声波数字通信的门禁系统，其特征在于，包括：声波数字发射端，用于将数据保密并形成声波发射出去，包含：保密数据帧单元，基带波形单元，数字载波发生器单元I，数字正交调制单元，D/A转换单元和声波转换单元；声波数字接收端，用于接收声波并将声波中包含的有效数据解密，包含：声波接收单元，A/D转换单元，数字载波发生器单元II，数字正交下变频单元，同步与解码单元和认证与触发单元；以及门锁控制模块。本发明利用声波这一通讯媒介，通过声波调制数字信息来携带与认证信息，完成门禁系统的通讯过程，具有低成本、低功耗、抗干扰性好、安全性高和通信距离较远这些优点。

Description

一种基于声波数字通信的门禁系统
技术领域
本发明一般地涉及安全防范技术领域，并且更特别地，涉及一种基于声波数字通信的门禁系统。
背景技术
在智能科技飞速发展的今天，门禁系统早已超越了单纯的门道及钥匙管理，已逐渐发展成为一套完整的出入口控制管理系统。它在工作环境安全、认识考勤等行政管理工作中发挥着巨大的作用。
目前，国内外研制和使用的门禁系统，主要集中在感应卡/芯片门禁系统和生物识别门禁系统，感应卡/芯片门禁系统目前以非接触式RFID射频标签卡和具有NFC芯片的移动设备为主，而生物识别门禁系统又以指纹识别门禁系统应用最为广泛。
一般使用广泛的非接触式RFID射频标签卡是无源RFID，其需要近距离识别。而有源RFID虽然能够实现较远距离通信识别，但其需要更换电池，日常维护比较麻烦。RFID射频标签卡也比较容易被复制，不易做到动态保密。NFC芯片是一种新兴的近场无线通信技术，并开始被用于门禁系统。然而NFC芯片一般需要移动设备的支持，成本较高，识别距离近，且NFC标准不一，这提高了NFC芯片在门禁中的应用门槛。
由于生物特征具有难以仿冒与借用、不怕遗失、不用携带和不会遗忘的特点，因此生物识别具有独特性、唯一性和安全性。然而由于生物识别需要超近距离接触，识别时间较长，且成本较高，一般仅适用于高机密场所的门禁应用。
发明内容
针对上述情况，本发明通过一种基于声波数字通信的门禁系统及其控制方法，解决现有技术中存在无法同时实现识别距离较远、安全性高和低成本的问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案。
一种基于声波数字通信的门禁系统，其特征在于，包括：
声波数字发射端，用于将数据保密并形成声波发射出去，包含：
保密数据帧单元，用于保密原始数据并形成保密数据帧，所述保密数据帧由同步码、帧数据和校验码依次串联而成，所述帧数据由原始数据、时间戳和动态保密附加码依次串联而成；
基带波形单元，用于将保密数据帧根据预设调制波形而生成基带复数序列；
数字载波发生器单元I，用于生成预存载波序列，所述载波序列为每周期N个点的cos(ωn)和sin(ωn)；
数字正交调制单元，用于将基带波形单元所生成的基带复数序列与数字载波发生器单元生成的载波进行IQ正交调制以生成发射帧序列；
D/A转换单元，用于将数字正交调制单元生成的发射中序列经过D/A转换生成模拟发射信号；
声波转换单元，用于将模拟发射信号转换成声波并发射出去；
声波数字接收端，用于接收声波并将声波中包含的有效数据解密，包含：
声波接收单元，用于将采集空气中的原始声波并转换成接收模拟信号；
A/D转换单元，用于将声波接收单元生成的接收模拟信号经过A/D转换生成接收数字序列；
数字载波发生器单元II，用于生成预存载波序列，所述载波序列为每周期N个点的cos(ωn)和sin(ωn)；
数字正交下变频单元，用于将声波接收单元生成的接收数字序列与数字载波发生器单元II生成的预存载波序列进行数字正交下变频，生成接收基带复数序列；
同步与解码单元，用于将数字正交下变频单元生成的接收基带复数序列与预存的同步序列进行物理层帧同步，在同步后判决并解码，在进行校验码校验无误后得到接收保密数据帧；
认证与触发单元，用于提取接收保密数据帧中的原始数据、时间戳和动态保密附加码，计算本地动态保密附加码，以及将本地动态保密附加码与接收到的动态保密附加码比对，并将比对结果发送至门锁控制模块；
门锁控制模块，用于根据声波数字接收端的比对结果控制门锁的开关，比对一致则开启门锁，反之则保持门锁关闭。
进一步地，所述动态保密附加码和本地动态保密附加码是由下列公式计算得到：
I＝(A*TIME+B*ID)mod(2^31)；
其中，I为动态保密附加码，A和B均为常数，TIME为正序格式的14位时间戳，ID为原始数据。
进一步地，所述同步码为32bit的PN码。
进一步地，所述校验码为CRC校验码，优选CRC-16。
进一步地，所述数字正交调制单元在将基带波形单元所生成的基带复数序列与数字载波发生器单元生成的载波进行IQ正交调制之前，还对基带复数序列进行高倍内插处理。
进一步地，所述声波数字发射端还包括一功率调整单元，用于将D/A转换单元生成的模拟信号进行功率调整处理，并将处理后的模拟信号传输至声波转换单元。
进一步地，所述声波数字接收端还包括一放大滤波单元，所述放大滤波单元将声波接收单元生成的接收模拟信号放大，之后进行低通去噪，并将处理好的接收模拟信号传输至A/D转换单元。
本发明所述的基于声波数字通信的门禁系统利用声波这一通讯媒介，通过声波调制数字信息来携带与认证信息，完成门禁系统的通讯过程。由于声波频率低，可以在MCU中实现声波数字化收发而不需要额外硬件。此外，发射声波还能利用人耳听觉判定设备是否工作，也容易判断声波干扰源。与现有技术相比，基于声波数字通信的门禁系统具有低成本、低功耗、抗干扰性好、安全性高和通信距离较远这些优点。
附图说明
图1是根据本发明公开的基于声波数字通信的门禁系统一种示例性的结构框图；
图2是根据本发明公开的基于声波数字通信的门禁系统一个实施例中声波数字发射端的结构框图；
图3是根据本发明公开的基于声波数字通信的门禁系统一个实施例中声波数字接收端的结构框图；
图4是根据本发明公开的基于声波数字通信的门禁系统中保密数据帧一种示例性的结构图；
图5是根据本发明公开的基于声波数字通信的门禁系统一个实施例的结构框图；
图6是根据本发明公开的基于声波数字通信的门禁系统一个实施例中数字载波发生器单元发生的载波信号；
图7是根据本发明公开的基于声波数字通信的门禁系统一个实施例中数字正交调制单元正交调制示意图；
图8是根据本发明公开的基于声波数字通信的门禁系统一个实施例中数字正交下变频单元正交下变频示意图；
图9是根据本发明公开的基于声波数字通信的门禁系统一个实施例中同步与解码单元进行同步序列滑动处理时信号图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。所述参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能视为对本发明的限制。为了避免不必要地模糊所述实施例，本部分对一些本领域的公知技术，即对于本领域技术人员而言是显而易见的技术，未进行详细描述。
如图1所示，一种基于声波数字通信的门禁系统实施例1000，其特征在于，包括：
声波数字发射端100，用于将数据保密并形成声波发射出去，包含：
保密数据帧单元101，用于保密原始数据并形成保密数据帧，所述保密数据帧由同步码、帧数据和校验码依次串联而成，所述帧数据由原始数据、时间戳和动态保密附加码依次串联而成；
基带波形单元102，用于将保密数据帧根据预设调制波形而生成基带复数序列；
数字载波发生器单元I103，用于生成预存载波序列，所述载波序列为每周期N个点的cos(ωn)和sin(ωn)；
数字正交调制单元104，用于将基带波形单元所生成的基带复数序列与数字载波发生器单元生成的载波进行IQ正交调制以生成发射帧序列；
D/A转换单元105，用于将数字正交调制单元生成的发射中序列经过D/A转换生成模拟发射信号；
声波转换单元106，用于将模拟发射信号转换成声波并发射出去；
声波数字接收端200，用于接收声波并将声波中包含的有效数据解密，包含：
声波接收单元201，用于将采集空气中的原始声波并转换成接收模拟信号；
A/D转换单元202，用于将声波接收单元生成的接收模拟信号经过A/D转换生成接收数字序列；
数字载波发生器单元II203，用于生成预存载波序列，所述载波序列为每周期N个点的cos(ωn)和sin(ωn)；
数字正交下变频单元204，用于将声波接收单元生成的接收数字序列与数字载波发生器单元II生成的预存载波序列进行数字正交下变频，生成接收基带复数序列；
同步与解码单元205，用于将数字正交下变频单元生成的接收基带复数序列与预存的同步序列进行物理层帧同步，在同步后判决并解码，在进行校验码校验无误后得到接收保密数据帧；
认证与触发单元206，用于提取接收保密数据帧中的原始数据、时间戳和动态保密附加码，计算本地动态保密附加码，以及将本地动态保密附加码与接收到的动态保密附加码比对，并将比对结果发送至门锁控制模块；
门锁控制模块300，用于根据声波数字接收端的比对结果控制门锁的开关，比对一致则开启门锁，反之则保持门锁关闭。
在本发明一些实施例中，声波数字发射端中的保密数据帧单元、基带波形单元、数字载波发生器单元和数字正交调制单元I，以及声波数字接收端中的数字载波发生器单元II、数字正交下变频单元、同步与解码单元和认证与触发单元，均可以通过对MCU编辑后在MCU内实现。
在本发明一些实施例中，如图2所示，声波数字发射端400还包括一功率调整单元407，用于将D/A转换单元生成的模拟信号进行功率调整处理，并将处理后的模拟信号传输至声波转换单元。
在本发明一些实施例中，如图3所示，声波数字接收端500还包括一放大滤波单元507，所述放大滤波单元将声波接收单元生成的接收模拟信号放大，之后进行低通去噪，并将处理好的接收模拟信号传输至A/D转换单元。
图4为本发明为基于声波数字通信的门禁系统中保密数据帧一种示例性的结构图，保密数据帧依次由同步码、初始数据、时间戳、动态保密附加码和校验码串联而成，其中初始数据、时间戳和动态保密附加码组成帧数据。
结合一个优选实施例与图5，更详细描述本发明意图。
一种基于声波数字通信的门禁系统6000，其特征在于，包括：
声波数字发射端600，用于将数据保密并形成声波发射出去，包含：
保密数据帧单元601，用于由主控板MCU或CPU生成基于初始数据与时间戳的数据帧通过共享认证算法生成动态保密附加码完成数据的保密，MCU产生32bit的初始数据，时间戳读取RTC时钟当前时间数据，精确到秒，再由公式得到动态保密附加码：
I＝(A*TIME+B*ID)mod(2^31)，
其中A，B在本实施例中均为常数65539,TIME为时间戳20170204174823(2017年2月4日17时48分23秒)，最终生成动态保密附加码，将帧数据帧头添加同步序列PN码，帧尾添加CRC-16校验码组成保密数据帧，同步码采用32bit的优选PN码：
PN＝[-1,-1，1，1，-1，-1，1，-1，-1，1，1，1，1，-1，-1，1，1，1，1，1，1，1，-1，1，-1，-1，1，-1，1，-1，1，1]，
校验码采用检错能力强，开销较小的CRC-16校验码；
基带波形单元602，用于根据预设调制波形将bit流状态的保密数据帧映射成基带波形复数序列，MCU中本地预先存储预调制波形，为方便区分同步码和帧数据，同步码采用原始PN码波形，帧数据采用QAM正交调制，形成IQ复数序列，帧头帧尾拼接同步码与校验码，形成基带复数序列；
数字载波发生器单元I603，用于生成预存载波序列，所述载波序列为每周期N个点的cos(ωn)和sin(ωn)，可以在一定采样频率下，改变N值形成不同频率的载波，本实施例将N赋值为12；
数字正交调制单元604，由于声波通信频率较低，可直接由主控板MCU产生不同频率的载波信号，采用数字软件方式完成对基带复数序列的正交调制，形成发射帧序列：将基带复数序列调制到数字载波发生器单元预先生成每周期12个点的cos(ωn)与sin(ωn)的I,Q两路载波上,I路信号与cos(ωn)相乘，Q路信号与sin(ωn)相乘，之后再叠加，输出I(n)cos(ωn)-Q(n)sin(ωn)信号，生成发射帧序列；
D/A转换单元605，用于将数字正交调制单元生成的发射中序列经过D/A转换生成模拟发射信号，根据物联网场景，优选较高转换速率，本实施例采用采用MCU内置的12bit40Ksps固定转换速率D/A转换器；
功率调整单元607，用于将D/A转换单元生成的模拟信号进行功率调整处理，并将处理后的模拟信号传输至声波转换单元；
声波转换单元606，本实施例考虑到发射端体积不宜太大和发射信号的频率，选择频率特性为80～15kHz的0.5W扬声器作为声波转换单元；
声波数字接收端700，用于接收声波并将声波中包含的有效数据解密，包含：
声波接收单元701，用于将采集空气中的原始声波并转换成接收模拟信号，本实施例采用较宽频段响应MEMS麦克风作为声波接收单元；
放大滤波单元707，所述放大滤波单元将声波接收单元生成的接收模拟信号放大，之后进行低通去噪，并将处理好的接收模拟信号传输至A/D转换单元；
A/D转换单元702，用于将声波接收单元生成的接收模拟信号经过A/D转换生成接收数字序列，本实施例中采用12bit 40Ksps固定转换速率A/D转换器；
数字载波发生器单元II703，用于生成预存载波序列，所述载波序列为每周期N个点的cos(ωn)和sin(ωn)，本实施例将N赋值为12；
数字正交下变频单元704，用于将A/D转换单元生成的数字声波形(即接收数字序列)在MCU中与载波发生器单元II生成的I和Q两路载波信号数字正交下变频：基带接收数字信号一路乘以cos(ωn)再滤波，另一路乘以-sin(ωn)再滤波，生成接收基带复数序列；
同步与解码单元705，用于将下变频之后的接收基带复数序列进行物理层帧同步码判断，接收基带复数序列同步码取一个周期的采样信号与本地存储的同步码滑动相关来完成，根据同步PN码自相关特性，接收基带复数序列中的同步码与存储的同步码对齐时，相关值表现出一个峰值，相关峰搜索完成同步，同步码判决后并解码，进行CRC校验，校验无误后得到保密数据帧；
认证与触发单元706，读取保密数据帧中初始ID和当前时间戳，根据算法：I＝(A*TIME+B*ID)mod(2^31)，其中A，B均为常数65539,TIME为时间戳20170204174823(2017年2月4日17时48分23秒)，生成本地保密动态附加码，将当前生成的动态附加码与保密数据帧中的附加码加以对比，并将比对结果发送至门锁控制模块；
门锁控制模块800，用于根据声波数字接收端的比对结果控制门锁的开关，比对一致则开启门锁，反之则保持门锁关闭。

Claims (7)

1.一种基于声波数字通信的门禁系统，其特征在于，包括：
声波数字发射端，用于将数据保密并形成声波发射出去，包含：
保密数据帧单元，用于保密原始数据并形成保密数据帧，所述保密数据帧由同步码、帧数据和校验码依次串联而成，所述帧数据由原始数据、时间戳和动态保密附加码依次串联而成；
基带波形单元，用于将保密数据帧根据预设调制波形而生成基带复数序列；
数字载波发生器单元I，用于生成预存载波序列，所述载波序列为每周期N个点的cos(ωn)和sin(ωn)；
数字正交调制单元，用于将基带波形单元所生成的基带复数序列与数字载波发生器单元生成的载波进行IQ正交调制以生成发射帧序列；
D/A转换单元，用于将数字正交调制单元生成的发射中序列经过D/A转换生成模拟发射信号；
声波转换单元，用于将模拟发射信号转换成声波并发射出去；
声波数字接收端，用于接收声波并将声波中包含的有效数据解密，包含：
声波接收单元，用于将采集空气中的原始声波并转换成接收模拟信号；
A/D转换单元，用于将声波接收单元生成的接收模拟信号经过A/D转换生成接收数字序列；
数字载波发生器单元II，用于生成预存载波序列，所述载波序列为每周期N个点的cos(ωn)和sin(ωn)；
数字正交下变频单元，用于将声波接收单元生成的接收数字序列与数字载波发生器单元II生成的预存载波序列进行数字正交下变频，生成接收基带复数序列；
同步与解码单元，用于将数字正交下变频单元生成的接收基带复数序列与预存的同步序列进行物理层帧同步，在同步后判决并解码，在进行校验码校验无误后得到接收保密数据帧；
认证与触发单元，用于提取接收保密数据帧中的原始数据、时间戳和动态保密附加码，计算本地动态保密附加码，以及将本地动态保密附加码与接收到的动态保密附加码比对，并将比对结果发送至门锁控制模块；
门锁控制模块，用于根据声波数字接收端的比对结果控制门锁的开关，比对一致则开启门锁，反之则保持门锁关闭。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述动态保密附加码和本地动态保密附加码是由下列公式计算得到：
I＝(A*TIME+B*ID)mod(2^31)；
其中，I为动态保密附加码，A和B均为常数，TIME为正序格式的14位时间戳，ID为原始数据。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述同步码为32bit的PN码。
4.根据权利要求1-3任一项所述的系统，其特征在于，所述校验码为CRC校验码，优选CRC-16。
5.根据权利要求1-4任一项所述的系统，其特征在于，所述数字正交调制单元在将基带波形单元所生成的基带复数序列与数字载波发生器单元生成的载波进行IQ正交调制之前，还对基带复数序列进行高倍内插处理。
6.根据权利要1-5任一项所述的系统，其特征在于，所述声波数字发射端还包括一功率调整单元，用于将D/A转换单元生成的模拟信号进行功率调整处理，并将处理后的模拟信号传输至声波转换单元。
7.根据权利要求1-6任一项所述的系统，其特征在于，所述声波数字接收端还包括一放大滤波单元，所述放大滤波单元将声波接收单元生成的接收模拟信号放大，之后进行低通去噪，并将处理好的接收模拟信号传输至A/D转换单元。
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