CN106953690B - 基于可见光的智能设备近场通信系统 - Google Patents

Abstract

一种基于可见光的智能设备近场通信系统，包括发送端和接收端，所述发送端包括编码模块、调制方式选择模块、发送模块和扫描识读模块，所述接收端包括光信息采集模块、信号调节模块、解调方式选择模块、解码模块、条码显示模块以及数据显示模块。本发明提供一种安全性较高、灵活性良好的基于可见光的智能设备近场通信系统。

Description

基于可见光的智能设备近场通信系统

技术领域

本发明涉及可见光通信领域，是一种基于可见光的智能设备近场通信系统。

背景技术

近年来，移动网络迅速发展，同时智能手机等移动终端不断普及，这使得近距离的非接触式通信应用在移动支付、身份识别、广告推送等领域大展身手。

目前流行的近距离非接触式通信方法主要有Wi-Fi(Wireless Fidelity)、蓝牙(Bluetooth)、NFC(Near Field Communication)通信等。但是各类现有的近距离非接触式通信方法在安全性和灵活性上存在不足。例如Wi-Fi、NFC通信技术因为采用电磁波传输，所以在传输过程中信息较为容易截获、窃听。可见光通信技术作为一种新兴技术，使用波长为400-700nm的可见光实现数据传输，基于可见光定向传播和快速衰减的物理特性，使得可见光通信在数据传输过程中不易被窃听，在安全性上有较大的优势。然而，现有的可见光通信对硬件设备有较高的要求。如Li-Fi(Light Fidelity)是一种可见光无线通信技术，但是它需要在现有的照明设备上添加特殊芯片才能在室内实现数据的高速传输。目前，尚没有适合普通智能设备(诸如手机、平板电脑等)的可见光通信方法。

发明内容

为了克服已有近距离非接触式通信方法的安全性较低、灵活性较差的不足，本发明提供一种安全性较高、灵活性良好的基于可见光的智能设备近场通信系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于可见光的智能设备近场通信系统，包括发送端和接收端，所述发送端包括编码模块、调制方式选择模块、发送模块和扫描识读模块，所述接收端包括光信息采集模块、信号调节模块、解调方式选择模块、解码模块、条码显示模块以及数据显示模块；

所述的编码模块，用于从应用程序接收原始数据，将原始数据按照编码表转换成二进制序列，然后加入奇偶校验位，接着将完成编码的二进制序列交给调制方式选择模块；

所述的调制方式选择模块，用于选择脉宽调制，脉冲间隔调制或状态转换调制方法控制闪光灯发送光信息；

所述的发送模块，用于将编码后的信息按照选定的调制方式控制闪光灯，将信息以光脉冲的形式发送出去；

所述的光信息采集模块，用于接收发送模块所发出的光信息，获取光信号序列；

所述的信号调节模块，用于对光信息采集模块接收的光信号进行异常点的检测和消除；

所述的解调方式选择模块，用于选择与发送端调制方式选择模块相同的选项以方便解调；

所述的解码模块，用于对解调方式选择模块输出的光信号进行解码，在解码过程中，采用基于最大距离的解码算法进行二值判断；

所述的条码显示模块，用于实现可见光的反向通信，在接收解码模块发来的数据之后，添加新的数据，接着将更新后的数据通过条码的形式显示在智能设备屏幕上，便于其他设备获取；

所述的数据显示模块，用于在智能设备屏幕上显示从解码模块获得的数据，便于使用者查看；

所述的扫描识读模块，用于识读接收端的条码显示模块显示的条码，对条码信息进行解码后，获取可见光反向通信的信息。

进一步，所述的解码模块，采用基于最大距离的解码算法的过程如下：

步骤301：光信息采集模块连续采集发送端所发送的光信息，获得光信息序列。

步骤302：将光信息序列逐次进行异常点检测，若发现异常点，则将异常点去除；

步骤303：将光信息序列按照解调方法转换成光信息持续间隔序列，根据最大距离算法对光信息持续间隔序列进行二值判断，还原出二进制比特序列；

步骤304：将获得的二进制序列按照相对应的编码表还原出相应的信息。

再进一步，所述步骤303中，二值判断的过程如下：

步骤401：输入序列B{B[0],B[1],...,B[i]}，B为进行升序和去重操作后的光信息持续间隔序列，其中0<i<L+1，i为整数，L为序列B的长度；

步骤402：Maxdist表示序列B中相邻两个光信息持续间隔之间的最大距离，最大距离初始化为B[1]-B[0]，即信号处理后的光信息序列的第二个光信息持续间隔和第一个光信息持续间隔之差，i初始化为1，X用来记录符号“1”所需的最小的光信息持续间隔，初始化为B[1]；Y用来记录符号“0”所需的最大的光信息持续间隔，初始化为B[0]；

步骤403：判断i是否小于L+1，如果i大于等于L+1，表示序列B中所有光信息持续间隔已经遍历完成，跳过步骤404、步骤405、步骤406，直接执行步骤407；如果i小于L+1，则执行步骤404；

步骤404：判断Maxdist是否小于B[i]-B[i-1]的差。如果Maxdist小于B[i]-B[i-1]的差，则执行步骤405；如果Maxdist大于等于B[i]-B[i-1]的差，则维持X和Y不变，执行步骤406；

步骤405：更新Maxdist为B[i]-B[i-1]的差，更新X为B[i]，更新Y为B[i-1]；

步骤406：对i进行加1操作，即取下一个光信息持续间隔进行判断，执行步骤403；

步骤407：对最终获得的X和Y取平均数，得到Z，Z表示区分符号“0”和“1”的阈值；

步骤408：对序列B中每个光信息持续间隔和阈值的大小进行比较；

步骤409：如果光信息持续间隔大于阈值，则令Bit为1，即此时光信息持续间隔被判断为符号“1”；如果光信息持续间隔小于阈值，则令Bit为0，即此时光信息持续间隔被判断为符号“0”；

步骤410：将存储符号信息的Bit依次添加到BitSeq序列中，BitSeq序列用来表示二进制比特序列；

步骤411：获得二进制比特序列BitSeq，通过二进制比特序列BitSeq对照编码表可以还原发送端发送的信息。

本发明的技术构思为：随着智能设备的不断普及，日常生活中使用近距离非接触式信息交互的领域越来越普遍。目前主流的智能设备，例如智能手机、平板电脑等都带有闪光灯、摄像头和光线传感器，因此借助这些已有的硬件，在智能设备之间实现一种基于可见光的近距离信息交互方法是可行的。

整个系统的基本流程如下所述：发送端编码模块首先接收使用者的原始数据，将原始数据进行定长编码。然后使用者可以选择PWM、PIM、STM调制方式中的一种用于对原始信号进行调制，但不仅仅局限于这三种调制方式。接着发送模块按照选定的调制方式进行光信号调制，控制闪光灯按照一定的规律发送光信息。

接收端的光信息采集模块采集发送端所发送的光信息，进而获得光信息序列。然后通过信号调节模块对光信息序列中可能出现的异常点进行检测并将检测到的异常点去除。期间使用者在解调方式选择模块中选择的解调方式应当与发送端的调制方式选项相一致。接着数据在解码模块中进行信息解码，解码模块使用的是基于最大距离算法的二值判断算法，该算法主要用于进行符号“0”，“1”区分以获得相应的二进制序列。在获得二进制序列之后，需要对数据进行奇偶校验，验证数据准确性。然后，根据编码表将二进制序列还原成发送端发送的信息并通过数据显示模块将还原的信息显示在屏幕上便于使用者查看。同时，为了实现基于可见光的反向通信，条码显示模块在已获得的信息的基础上添加新信息，生成条码并且在智能设备屏幕上显示，便于发送端设备识读获取信息。这时发送端的扫描识读模块扫描获取接收端条码显示模块呈现的条码信息，进行解码获取信息，完成可见光的反向通信过程。

本发明的有益效果主要表现在：相对于Wi-Fi、蓝牙、NFC等通信技术，本发明的设备间通信均采用距离短而且直接的可见光链路，可以更好的保证通信的隐私性和安全性。同时本发明避免了Wi-Fi、蓝牙繁琐的认证过程。与NFC技术相比，本发明的智能设备近场信息交互系统及方法是完全基于智能设备现有硬件基础实现，在不需要额外的硬件芯片或设备以及基础设施的前提下就可以使得两部智能设备实现快速的近距离信息通信。另外，使用者也可以将智能设备与配备光线传感器的POS(Point Of Sale)终端接触，完成快捷支付。因此，本发明的智能设备近场信息交互系统可以为很多NFC应用场景提供一种低成本，易使用、更安全的通信方式。

附图说明

图1为基于可见光的智能设备近场通信系统的硬件系统示意图；

图2为基于可见光的智能设备近场通信系统的模块示意图；

图3为基于最大距离算法的解码流程图；

图4为最大距离算法进行二值判断流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图4，一种基于可见光的智能设备近场通信系统，图1为本发明的系统硬件示意图。本发明的硬件主要涉及以下部分：

硬件101：摄像头，用于扫描识读接收端反馈的条码信息。

硬件102：闪光灯，用于发送端将数据通过可见光的形式发送出去。

硬件103：光线传感器，用于接收闪光灯所发送的光信息。

硬件104：智能设备屏幕，用于显示接收到的数据以及呈现用于可见光反向通信的条码。

图2为本发明的整体系统模块示意图。主要包括发送端和接收端，其中发送端包括编码模块、调制方式选择模块、发送模块、扫描识读模块4个模块；接收端包括光信息采集模块、信号调节模块、解调方式选择模块、信息解码模块、条码显示模块(此处条码以QR(QuickResponse)码为例)和数据显示模块6个模块。

模块201：编码模块首先从应用程序接收使用者的原始数据，接着将原始数据按照编码表转换成二进制序列，同时加入奇偶校验位，然后将完成编码的二进制序列交给调制方式选择模块。

模块202：调制方式选择模块可以选择使用脉宽调制(Pulse Width Modulation，PWM)，脉冲间隔调制(Pulse Internal Modulation，PIM)和状态转换调制(StateTransaction Modulation，STM)三种调制方法去闪光灯发送光信息的进行调制，当然并不仅仅局限于这三种模式。

模块203：发送模块将信息按照选定的调制方式控制闪光灯按照一定的规律发送光信息。

模块205：光信息采集模块用于接收发送端的闪光灯所发出的光信息进而获取光信号序列。

模块206：信号调节模块用于对光信息采集模块接收到的光信号进行异常点检测并且对于发现的异常点消除。

模块207：解调方式选择模块应当选择与发送端调制方式选择模块相同的选项以方便解调。

模块208：解码模块用于对信号调节模块输出的光信号进行解码，在解码过程中，由于实际存在数据漂移的情况，采用基于最大距离的解码算法去进行二值判断。

模块209：条码显示模块用于实现可见光的反向通信，具体方式为首先获取来自于解码模块的数据，接着在该数据的基础上添加新的数据，然后在智能设备屏幕上以条码的形式显示更新后的数据。

模块210：数据显示模块用于接收解码模块发来的数据并将数据显示在智能设备屏幕上，便于使用者查看。

模块204：扫描识读模块用于对接收端的条码显示模块显示的条码的识读，获取条码中存储的信息，完成可见光的反向通信过程。

基于最大距离算法的解码方法，其解码方法流程图如图3所示，包括以下步骤：

步骤301：光信息采集模块连续采集发送端所发送的光信息，获得光信息序列。

步骤302：将光信息序列逐次(一般为3个采样点一组)进行异常点检测，若发现异常点，则将异常点去除。

步骤303：将光信息序列按照解调方法转换成光信息持续间隔序列，根据最大距离算法对光信息持续间隔序列进行二值判断，还原出二进制比特序列。具体的最大距离算法进行二值判断的方法在图4中描述。

步骤304：将获得的二进制序列按照相对应的编码表还原出相应的信息。

基于最大距离算法进行二值判断，还原比特序列的流程图如图4所示，包括以下步骤：

步骤401：输入序列B{B[0],B[1],...,B[i]}，B为进行升序和去重操作后的光信息持续间隔序列，其中0<i<L+1，i为整数，L为序列B的长度。

步骤402：Maxdist表示序列B中相邻两个光信息持续间隔之间的最大距离。最大距离初始化为B[1]-B[0]，即信号处理后的光信息序列的第二个光信息持续间隔和第一个光信息持续间隔之差。i初始化为1。X用来记录符号“1”所需的最小的光信息持续间隔，初始化为B[1]；Y用来记录符号“0”所需的最大的光信息持续间隔，初始化为B[0]。

步骤403：判断i是否小于L+1。如果i大于等于L+1，表示序列B中所有光信息持续间隔已经遍历完成，跳过步骤404、步骤405、步骤406，直接执行步骤407；如果i小于L+1，则执行步骤404。

步骤404：判断Maxdist是否小于B[i]-B[i-1]的差。如果Maxdist小于B[i]-B[i-1]的差，则执行步骤405；如果Maxdist大于等于B[i]-B[i-1]的差，则维持X和Y不变，执行步骤406。

步骤405：更新Maxdist为B[i]-B[i-1]的差，更新X为B[i]，更新Y为B[i-1]。

步骤406：对i进行加1操作，即取下一个光信息持续间隔进行判断，执行步骤403。

步骤407：对最终获得的X和Y取平均数，得到Z，Z表示区分符号“0”和“1”的阈值。

步骤408：对序列B中每个光信息持续间隔和阈值的大小进行比较。

步骤409：如果光信息持续间隔大于阈值，则令Bit为1，即此时光信息持续间隔被判断为符号“1”；如果光信息持续间隔小于阈值，则令Bit为0，即此时光信息持续间隔被判断为符号“0”。

步骤410：将存储符号信息的Bit依次添加到BitSeq序列中，BitSeq序列用来表示二进制比特序列。

步骤411：获得二进制比特序列BitSeq，通过二进制比特序列BitSeq对照编码表可以还原发送端发送的信息。

Claims (2)

1.一种基于可见光的智能设备近场通信系统，包括发送端和接收端，其特征在于：所述发送端包括编码模块、调制方式选择模块、发送模块和扫描识读模块，所述接收端包括光信息采集模块、信号调节模块、解调方式选择模块、解码模块、条码显示模块以及数据显示模块；

所述的编码模块，用于从应用程序接收原始数据，将原始数据按照编码表转换成二进制序列，然后加入奇偶校验位，接着将完成编码的二进制序列交给调制方式选择模块；

所述的调制方式选择模块，用于选择脉宽调制，脉冲间隔调制或状态转换调制方法控制闪光灯发送光信息；

所述的发送模块，用于将编码后的信息按照选定的调制方式控制闪光灯，将信息以光脉冲的形式发送出去；

所述的光信息采集模块，用于接收发送模块所发出的光信息，获取光信号序列；

所述的信号调节模块，用于对光信息采集模块接收的光信号进行异常点的检测和消除；

所述的解调方式选择模块，用于选择与发送端调制方式选择模块相同的选项以方便解调；

所述的解码模块，用于对解调方式选择模块输出的光信号进行解码，在解码过程中，采用基于最大距离的解码算法进行二值判断；

所述的条码显示模块，用于实现可见光的反向通信，在接收解码模块发来的数据之后，添加新的数据，接着将更新后的数据通过条码的形式显示在智能设备屏幕上，便于其他设备获取；

所述的数据显示模块，用于在智能设备屏幕上显示从解码模块获得的数据，便于使用者查看；

所述的扫描识读模块，用于识读接收端的条码显示模块显示的条码，对条码信息进行解码后，获取可见光反向通信的信息；

所述信号调节模块与所述解调方式选择模块连接，所述解调方式选择模块与解码模块连接；

所述的解码模块，采用基于最大距离的解码算法的过程如下：

步骤301：光信息采集模块连续采集发送端所发送的光信息，获得光信息序列；

步骤302：将光信息序列逐次进行异常点检测，若发现异常点，则将异常点去除；

步骤303：将光信息序列按照解调方法转换成光信息持续间隔序列，根据最大距离算法对光信息持续间隔序列进行二值判断，还原出二进制比特序列；

步骤304：将获得的二进制序列按照相对应的编码表还原出相应的信息。

2.如权利要求1所述的基于可见光的智能设备近场通信系统，其特征在于：所述步骤303中，二值判断的过程如下：

步骤401：输入序列B{B[0],B[1],...,B[i]}，B为进行升序和去重操作后的光信息持续间隔序列，其中0<i<L+1，i为整数，L为序列B的长度；

步骤402：Maxdist表示序列B中相邻两个光信息持续间隔之间的最大距离，最大距离初始化为B[1]-B[0]，即信号处理后的光信息序列的第二个光信息持续间隔和第一个光信息持续间隔之差，i初始化为1，X用来记录符号“1”所需的最小的光信息持续间隔，初始化为B[1]；Y用来记录符号“0”所需的最大的光信息持续间隔，初始化为B[0]；

步骤403：判断i是否小于L+1，如果i大于等于L+1，表示序列B中所有光信息持续间隔已经遍历完成，跳过步骤404、步骤405、步骤406，直接执行步骤407；如果i小于L+1，则执行步骤404；

步骤404：判断Maxdist是否小于B[i]-B[i-1]的差，如果Maxdist小于B[i]-B[i-1]的差，则执行步骤405；如果Maxdist大于等于B[i]-B[i-1]的差，则维持X和Y不变，执行步骤406；

步骤405：更新Maxdist为B[i]-B[i-1]的差，更新X为B[i]，更新Y为B[i-1]；

步骤406：对i进行加1操作，即取下一个光信息持续间隔进行判断，执行步骤403；

步骤407：对最终获得的X和Y取平均数，得到Z，Z表示区分符号“0”和“1”的阈值；

步骤408：对序列B中每个光信息持续间隔和阈值的大小进行比较；

步骤409：如果光信息持续间隔大于阈值，则令Bit为1，即此时光信息持续间隔被判断为符号“1”；如果光信息持续间隔小于阈值，则令Bit为0，即此时光信息持续间隔被判断为符号“0”；

步骤410：将存储符号信息的Bit依次添加到BitSeq序列中，BitSeq序列用来表示二进制比特序列；

步骤411：获得二进制比特序列BitSeq，通过二进制比特序列BitSeq对照编码表可以还原发送端发送的信息。