CN108696920A - 一种基于人体通信的低功耗唤醒通信装置 - Google Patents

Abstract

本发明实现了低频信号通过人体进行唤醒从而进行通信的装置，本发明使用了15KHz‑300KHz低频信号，并以人体作为传输媒介以实现点对点的唤醒及数据交换，装置拥有超低功耗低频信号收发电路和低功耗蓝牙通信芯片，低频收发电路用于装置唤醒和少量数据交换，低功耗蓝牙可用于大量数据交换并将交换的数据推送只上位机，上位机软件负责数据的显示和进一步处理；独有的唤醒协议和接收监听方式实现了快速连接和超低功耗运行，使用小容量电池的即可工作数周时间；使用同一个触点电极的电容感应唤醒功能使连接具有更高的针对性，确定性和安全性，并进一步降低功耗；本发明可用于智能手环，实现握手交换电子名片功能，也可用于接触式认证的身份识别系统，触碰即可获得信息的展品信息分发装置，以及其他接触式的需要信息交换和信息分发的产品。

Description

一种基于人体通信的低功耗唤醒通信装置

技术领域

本发明涉及一种通过人体通信的低功耗唤醒通信装置，可适用于：社交场合，握手交换个人信息以替代传统名片交换；展览场所，参观人员通过触碰展品旁边的具有同样功能的装置获得展品信息；身份识别场合，可替代传统的身份识别装置，如酒店的电梯卡和房间卡，工作人员身份识别，亦可用于自助酒吧，自助餐厅等场合；其他涉及少量信息交换和身份识别的场合。

背景技术

社交场合人们主要通过交换名片来获取双方信息，这种交换名片的方式有如下弊端：名片易丢失；名片承载信息有限；当需要存储联系信息到手机或电脑时要手动录入，效率底下且容易出现错误。

在展会上，参展商通过发放宣传册给参观人员并索要名片和口头询问记录参观人员的需求，宣传册如果过于详细则会太过庞大而不便携带，若过于精简则可能无法明确传达产品信息，且宣传册本身就有制作成本高，运输不变，修改麻烦等缺点。

传统的需要身份识别的场合如使用按键密码，RFID卡，指纹识别，一般流程是先认证身份，控制系统再解除锁定的方式，操作比较繁琐，用户体验不良。

发明内容

针对现有信息交换和身份认证方式的不足，本发明提供了一种通过人体通信的唤醒通信装置，实现了独有的唤醒连接及通信等功能，所有功能的都实现了超低功耗运行，装置使用小容量电池即可工作数周。

装置使用15KHz-300KHz低频信号，信号通过装置的触点电极和身体相连，使用者和另外一个使用者握手时信号可通过身体传送至对方装置以建立装置间的通信连接；使用也可以通过手指碰触具有同样功能的其他非穿戴装置上的触点电极建立通信连接。

在建立连接前，装置间通过定期发送的唤醒包进行装置间物理连接的发现，为减少功耗，唤醒包只使用一定宽度载波，而不包含具体数据，载波宽度能够唤醒处于无模式检测监听的装置即可。装置发送唤醒包后，进入无模式识别监听以接收其他装置发来的唤醒包或者连接包。唤醒包在随机等待后重复发送以解决两个欲连接装置唤醒包的冲突。

装置在检测到唤醒包后，通过发送连接包和接收应答包建立连接，并作为主机控制数据交换以及连接终止。由于低频通信速度过低，可以在连接建立后使用蓝牙交换数据。交换的数据可以通过蓝牙推送至上位机进行进一步处理，上位机软件可以连接远端云服务器实现更多功能。

触点电极同时支持电容检测，可检测到人体接触，根据需要控制低频通信的开启和关断以降低功耗，程序和硬件实现低频发射，低频接收和电容检测的复用。

使用本发明装置后交换联系信息将变得非常简单，只要一次握手即可实现联系信息的交换，配合上位机的应用软件可轻松实现电话号码录入，邮箱地址记录，社交帐号的添加和其他信息的存储。

如引入本发明装置到展览场合，参观者可以将自己的联系方式和采购意向通过手机录入装置（假设装置形式为智能手环）,参展商在展品旁边放置本发明装置（假设装置形式为一个带有触点的信息盒）。参观者通过触摸信息盒的触点获取产品信息，同时手环也会将联系方式和采购意向等信息传给信息盒，这样参观者可以有针对性地准确获取感兴趣产品的信息，同时参展商也可以迅速获取参观者的联系方式和需求并建立联系。

如果使用本发明装置替换现有门禁系统，佩戴有经过认证的装置的开门者推动门把手的瞬间，位于把手上的触点可以通过开门者的手读取的身份信息，如身份认证通过，马上打开门锁，几乎不需要等待。

附图说明

图1装置使用示意图。

图2 硬件组成框图。

图3 低频收发及电容感应检测电路图。

图4 各种类型包的载波定义。

图5 包格式及数据头格式定义。

图6 通信包格式。

图7 单机唤醒包发送及监听时序。

图8 通过被唤醒包唤醒建立连接的时序。

图9 通过接收连接包和监听切换来连接建立的时序。

图10 被未知包唤醒的处理时序。

图11 连接模式切换。

图12 低频唤醒及通信流程图。

图13 蓝牙通信流程图。

具体实施方式

附图1是装置使用示意图，佩戴有此装置的人可以与佩戴同样装置的人握手交换联系方式，佩戴有此装置的人也可以与具有其他功能的装置交换信息。装置以智能手环形式被使用，位于手环下方触点电极和人体接触。

硬件组成框图见附图2，系统主要由MCU，蓝牙芯片，低频接收电路，低频发射电路，电容感应检测电路和电源管理等电路组成，对于可穿戴设备可能增加按键和触摸输入电路，智能传感器电路，显示电路和震动提醒等电路，如需传送大量数据可以增加外部存储器。

低频接收芯片可使用奥地利微电子的AS393x系列芯片，或者Microchip公司的MCP203x系列芯片，也可使用具有相似功能的其他芯片。不同型号芯片使用的控制接口稍有不同，对于没有唤醒输出脚的芯片，可直接使用数据输出脚作为唤醒信号，如果使用不具有曼彻斯特解码功能的芯片，可使用程序实现解码。

附图3是低频收发及电容感应检测电路图。该电路使用奥地利微电子的AS3933芯片，也可根据需要替换成其他类似功能芯片。CLDAT为曼彻斯特解码输出时钟，DAT为数据输出，可以在普通数据输出和曼彻斯特数据输出间切换。WAKE脚为唤醒输出信号，在无模式识别监听时收到一定宽度载波信号即可输出高电平唤醒信号，在有模式识别监听时会在接收到正确模式码后输出唤醒信号。低频接收芯片输入端通过一个电容和电阻连接至触点电极。

Q1和Q2复合MOS管构成全桥驱动电路，OUT_4C1, OUT_4C2, OUT_4C3和OUT_4C4网络用于控制4个管的开关，而实现载波信号输出并可能承载数据信号。调节L1和C6的值达到和载波频率的谐振。

C1将触点电极电容变化传送至MCU进行电容感应检测。

通过控制4个MOS管的开关，实现信号收发和电容检测复用。当进行电容检测时，4个MOS管全部关断，这时Q1的6脚和4脚呈高阻态，Q2的6脚和4脚也呈高阻态，触点电容变化信号可送至CAP_DETECT网络。当需要接收信号时，将Q1的4脚设定为高阻态，6脚输出低电平，将Q2的4脚设定为高阻态，6脚输出低电平，这时L1和C6各自有一端对地呈现低阻抗，可以对信号进行选择并送入接收芯片。

各种类型包的载波定义在附图4中说明，唤醒包长度尽量缩短，但要留有一定余量保证能唤醒处于无模式检测监听的装置。连接包的载波头宽度要大于唤醒包和普通数据包的载波头宽度，允许MCU检测到载波宽度比唤醒包长的时候有足够时间设置接收芯片切换到有模式识别的监听模式，并保证剩余载波头长度可以唤醒芯片接收整个包。连接建立后，由于接收芯片处于有模式识别的监听模式，通信包可采用普通宽度的载波头。

附图5为数据包格式及数据头格式定义，CRC校验可保证数据的完整性，由于数据包长度不同，接收程序需要根据数据头和额外数据（如果有）的第一个字节实时计算整个包长度。每个装置出场时都被赋予了一个唯一的设备号，用来区分不同装置，设备号大小可以为4个字节或者6个字节，通信中设备地址等同于设备号。

附图6是通信数据包的格式，LINK连接包含有主机地址，从机可识别出连接包是那一个装置发出的，ACK应答包同时包含从机地址和主机地址，从而通知主机哪一个从机正尝试和自己建立连接，由于是点对点的通信，连接建立后的其他包可以只使用从机地址直到连接结束，从机和主机发送的包使用不用的包类型。省略主机地址可以减少包长度以提高通信效率和降低功耗。

如果装置都支持高速通信，在连接后装置可以切换至蓝牙交换数据，交换完成后再通过低频信号检测物理连接断开。

附图7 为单机唤醒包发送及监听时序，说明了唤醒包发送的策略。主动唤醒的装置间歇性地发送唤醒载波，载波的宽度Twk。在最大的发收延迟Ttr之间内装置进入无模式识别的监听模式，在Trpack时间段内装置可以同时接收连接包或者唤醒包。在Trwk之间段内，装置只接收唤醒包，其他类型包将被当作噪声处理。唤醒包发送间隔由Twkb+Twkr定义，Twkb为固定时间，可根据响应时间需要改变，Twkr为随机时间，这个时间是为了解决两个都具有主动唤醒功能的装置间唤醒的冲突。

附图8显示了任意接收时刻，通过被唤醒包唤醒建立连接的时序，t1时刻装置B发射唤醒包并进入无模式识别监听模式，装置A收到载波信号，芯片DAT脚输出高电平，随后芯片WAKE脚输出高电平指示检测到信号。也可不使用WAKE脚作为唤醒信号，而单独检测DAT脚电平，当DAT上的高电平持续特定时间后则认为收到唤醒载波，高电平超过特定时间怎认为是普通包，这种情况下，唤醒包的载波可以进一步缩短。在等待Twkwait时间后，DAT 脚输出电平时间Tlowwait达到一定长度，认为收到正确的唤醒包，t2结束前清除WAKE信号， t3时段关闭接收并准备LINK连接包，t4开始发送LINK连接包。

附图9为通过接收连接包和监听切换来连接建立的时序。这个时序说明了发送唤醒包后接收LINK连接包的情况。t2 开始时装置B发送LINK包，装置A 的DAT脚指示检测到载波信号，然后WAKE脚输出高电平, 在等待Twkwait时间后，发现DAT脚一直是高电平说明当前包不是唤醒包，t2结束前清除WAKE信号，t3时段开启有模式识别监听模式，由于LINK包的载波头足够长，此时开启接收仍然可以在t4时段接收完整包，t5时段解析收到的包，如果为LINK包，则在t6开始时发送ACK应答包建立连接。

通信过程中发送LINK连接包的装置作为主机， 发送ACK应答包的装置作为从机。如主机在发送的LINK包没有送达从机，或者从机ACK没有被主机收到，主机在延迟一点时间后负责重传LINK包直到收到ACK包，如果一直收不到ACK包，则认为连接失败。

当主机收到ACK后通过发送DATA数据包发送数据，从机使用ADAT应答数据包应答同时也包含从机要发送的数据，如果传输过程有数据包丢失，主机负责重传以恢复连接。主机和从机在超过一定时间无法仍无法收到对方的数据包时则认为连接超时，自动终止连接。双方都没有数据发送时，主机发送END结束包通知从机终止连接，从机发送AEND应答结束包回应主机，如有丢包发生，主机负责重传直到收到AEDN包。

附图10为被未知包唤醒的处理时序。在Trwk之间段内，装置只接收唤醒包，其他数据包将被视为噪声。如果图示，t3时段装置A的WAKE输出高电平，等待Twkwait后，DAT脚仍然为高电平，说明载波很长不是唤醒包，装置关闭监听并在t4时段延迟Tdlnoise后发送唤醒包继续尝试发现其他装置。

当两个装置结束连接后，有可能装置双方触点电极仍然通过人体连接，为避免不必要的再次连接，从机装置A负责每隔特定时间发送唤醒包，然后切换到无模式识别监听模式，主机装置B收到唤醒包后立即发送唤醒包回应，装置如果能收到装置A的唤醒包，说明触点电极仍然未被释放。为降低功耗，装置发送载波的间隔每次加长直到特定长度后保持不变。如果装置A连续几次无法收到唤醒载波，则认定为触点电极释放，开始进入正常工作模式。相似地装置B在等待特定时间后没有收到载波包也回到正常工作模式。

附图11为连接模式切换。按照是否主动发送唤醒包和是否开启低频接收，装置可以工作在以下三种模式下：

(1)主动模式：间歇性地发送唤醒包，低频接收一直开启。此时装置可接收其他装置的唤醒包并发送连接包建立连接，也可以在发送唤醒包后的一定时间内接收其他装置发来的连接包。主动模式下的装置可以和主动模式下的装置建立连接，主动模式下的装置也可以和被动模式下的装置建立连接；

(2)被动模式：不发送唤醒包，但是低频接收电路一直工作，可接收其他主动模式下的装置的唤醒包并发送连接包建立连接。被动模式下的装置和被动模式下的装置不能建立连接；

(3)待机模式：不发送唤醒包，低频接收电路也不工作。待机模式下的装置可以在被外部唤醒（如检测到电极被触碰或者按键被按下）后切换到主动模式。在数据交换完毕后回到待机模式。待机模式下的装置在被外部唤醒前不能与任何模式下的装置建立连接。

三种模式的功耗依次减少，即主动模式功耗大于被动模式，被动模式功耗大于待机模式。通信的建立至少要有一个装置处于主动模式，一般设定手环等可穿戴装置工作在主动模式，这样在不干预的情况下就可以与任何其他装置建立通信，而将可添加外部唤醒功能的装置如信息盒等非穿戴装置设定在待机模式，并在唤醒后切换到主动模式。另外手环等装置为了降低功耗可以临时工作在被动模式，这时只能通过唤醒其他装置建立连接，但是当需要握手交换名片功能时仍然需要切换回主动模式。

被动模式下装置需要额外的电路实现外部唤醒，根据实际需要和使用的零件的不同，有如下实现方式：

（1）电容感应唤醒：这种实现方式下，触点电极在电路中除了连接至低频收发电路外，还通过一个电容连接至电容感应检测电路。装置定期检查触点电容变化，手指触摸时会引起触点电容变化。感应电容的检测周期可根据需要改变，更短的检测周期可实现更短的响应时间但也相应地带来更高的功耗，当使用更长的检测周期时，响应时间会被拉长，但也减少了电源消耗；

（2）机械按键或者开关:在普通机械按键上添加一个金属的按键帽，按键帽在产品内部通过弹簧与装置的低频发射触点连接。当使用者按下按键帽并使按键导通后，装置被唤醒并立即发送唤醒包，信号通过按键帽传送至使用者的手指，然后传送到使用者佩戴的装置以建立连接；

（3）其他唤醒方式：光线感应（注意这种方式需要一定的环境关才能工作），红外传感器（根据需要可采用对射式和反射式红外传感器），加速度传感器，倾斜传感器等。

由于低频通信速率的限制，装置间只能交换少量的数据比如联系方式，邮件地址，网址和少量文本等信息，对于交换大量文本和图片等大容量数据会导致通信时间被拉长，这里提出两种方法来交换大量数据：

（1）用户将需要交换的信息通过上位机软件存储在服务器上，这些信息可以包括需要更大的存储空间的信息，比如图片和大文件等。服务器将这个信息绑定到用户帐号上并生成一个连接地址。信息交换时低频通信只传送连接地址，上位机通过网络下载全部信息并做相应的处理；

（2） 低速通信只交换装置识别号，然后双方装置通过装置识别号建立点到点的高速无线通信连接，在这个连接上再交换大量数据。高速无线连接有如下实现方式：装置增加一个无线芯片，不使用时处于休眠状态，低频通信获得装置号后开启这个芯片然后与对方的无线芯片建立连接后交换数据，此方式会增加装置成本和产品体积；双方暂时断开各自与上位机间的蓝牙连接，两个装置建立蓝牙连接，在数据交换结束后再各自恢复与上位机间的蓝牙连接，这种实现不增加成本，但由于暂时切断上位机连接，可能造成用户体验不佳；不断开蓝牙与上位机间的连接，使用蓝牙与上位机间的连接时隙交换数据，这种方式需要控制蓝牙底层驱动以实现通信复用。

图12为低频唤醒及通信流程图，对于可穿戴装置，检测触点电容来判断装置是否被正确佩戴，对于非可穿戴装置，触点电容变化可作为外部唤醒信号，无论那种情况，只有触点被接触后才开始发送低频唤醒包以寻求其他装置的连接。流程图中省略了部分连接超时的处理过程，实际程序可根据需要添加超时处理。

图13为蓝牙通信流程图，需要装置间通信的时段，蓝牙与各自上位机的连接可能需要临时切断，待数据交换完毕再恢复，也可不断开上位机连接，而将与上位机连接间隔增大，并利用连接间隔在装置间通信。

Claims (10)

1.一种基于人体通信的低功耗唤醒通信装置，其特征包括：通过人体进行通信；低频信号收发端和电容感应输入可在一个触点电极上实现；专有载波唤醒包和数据包的设计，配合接收监听模式的智能切换实现低功耗且快速的连接；通信协议实现了连接，通信，断开，丢包重传以及唤醒冲突避让等功能；特有的物理断开检测功能，有效防止重复连接并支持低功耗；连接建立后可根据需要切换至蓝牙传输模式；上位机程序和云服务功能。

2.根据权利要求1所述的基于人体通信的低功耗唤醒通信装置，其特征在于：使用频率范围15KHz到300KHz的低频信号通过人体媒介进行装置间唤醒通信。

3.根据权利要求1所述的基于人体通信的低功耗唤醒通信装置，其特征在于：低频信号收发端和电容感应输入连接到一个触点上，通过电路设计和程序控制，低频发射信号，低频接收信号和电容感应信号分时使用触点，而不会影响各自功能，电容感应检测结果用于装置唤醒，也可用于检测可穿戴装置脱落。

4.根据权利要求1所述的基于人体通信的低功耗唤醒通信装置，其特征在于：唤醒包使用非常短的载波信号而非较长的数据包；可以根据接收芯片唤醒输出脚和数据输出脚上电平宽度判断是否收到唤醒包，也可单独根据数据输出脚上电平宽度判断是否收到唤醒包。

5.根据权利要求1所述的基于人体通信的低功耗唤醒通信装置，其特征在于：连接包比其他类型包使用更长的载波头，装置在发射唤醒包后进入无模式识别监听模式，只有在收到到一定长度的载波信号后才切换至带模式识别监听模式，如收到的载波信号很短则认为是其他装置发射的唤醒包，这样可以使装置在发射唤醒包后一段时间内可同时监听唤醒包和连接包，这种工作方式可以最大限度避免唤醒冲突。

6.根据权利要求1所述的基于人体通信的低功耗唤醒通信装置，其特征在于：各种数据包定义，连接后的通信包只使用从机设备号识别连接以减小通信包长度，具有丢包重传和超时断开功能。

7.根据权利要求1所述的基于人体通信的低功耗唤醒通信装置，其特征在于：使用固定延时加随机延时的方式设定唤醒包发射间隔以解决唤醒冲突，并根据需要控制功耗。

8.根据权利要求1所述的基于人体通信的低功耗唤醒通信装置，其特征在于：有效防止重复连接，连接断开后，从机间歇性地发送唤醒包，主机收到也通过唤醒包回应，而不是使用较大的数据包检测物理连接断开，唤醒包发送间隔每次加大直至特定的最大值后固定以降低装置功耗。

9.根据权利要求1所述的基于人体通信的低功耗唤醒通信装置，其特征在于：连接建立后利用装置设备号通过蓝牙进行高速数据交换，可利用双方蓝牙与上位机连接间隔进行通信或者断开上位机通信，待数据交换完毕后再恢复上位机连接。

10.根据权利要求1所述的基于人体通信的低功耗唤醒通信装置，其特征在于：上位机软件实现信息显示，信息存储和其他功能：添加对方到自己社交账户，添加通信号码，存储照片，发送邮件，产品信息的外联等。