CN108964787B - 一种基于超声波的信息广播方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超声波的信息广播方法。本方法对待广播信息进行编码、发送和解码，实现基于超声波传输信息的功能。本方法包括以下三个步骤：(1)广播端根据编码表将用户提供的待广播信息转换成特定频率的超声波并周期性播放；(2)接收端运行程序后启用麦克风录制周围的声波并保存为音频文件；(3)接收端分析出音频文件的频率，根据编码表解码得到接收到的信息。

Description

一种基于超声波的信息广播方法

技术领域

本发明公开了一种基于超声波的信息广播方法，主要实现通过超声波这种介质实现信息传输的功能。

背景技术

信息传输是从一端将命令或状态信息经信道传送到另一端，并被对方所接收。包括传送和接收。传输介质分有线和无线两种，有线为电话线或专用电缆；无线是利用电台、微波及卫星技术等。信息传输过程中不能改变信息，信息本身也并不能被传送或接收。必须有载体，如数据、语言、信号等方式，且传送方面和接收方面对载体有共同解释。

超声波是声波的一部分，是人耳听不见、频率高于20KHZ的声波，它和声波有共同之处，即都是由物质振动而产生的，并且只能在介质中传播。超声波是弹性机械振动波，它与可听声相比还有一些特点：传播的方向较强，可聚集成定向狭小的线束；在传播介质质点振动的加速度非常之大。现在移动智能设备已经越来越发达，移动设备之间的信息传输方案也层出不穷，利用超声波的优势可以将其应用到信息传输过程中，为用户提供一种新的方案选择。

声波通信目前广泛应用于声纹防盗系统、手机声波支付(支付宝的声波支付功能)、石油勘探等领域，成为信息传输的研究热点之一。

发明内容

[发明目的]：现有的信息传输方法需要一系列初试参数建立连接，如无线局域网的名称、用户名和密码等参数信息。为了更方便的分发初始参数，本发明提出一种基于超声波的信息广播方法。

[技术方案]：本发明方案主要包括以下内容：

1)广播阶段：

使用带扬声器的设备，其内部存储有自定义的编码表，根据用户提供的待传输的信息，输入广播设备转换成比特流之后以4位为一个码字进行编码，每个码字对应20000Hz-21700Hz的超声波频率，并通过正弦波产生函数生成PCM音频文件并存储起来，每个码字播放固定时间如0.05秒，并设定固定的频率作为开始标志位(20000Hz)和结束标志位(21700Hz)。用户提供完待广播的信息之后，广播端会在信息前面加上一段开始标志位、结束标志位和间隔标志位的码字，然后广播设备读取信息在硬件设备转化之后的比特流，以4位比特为一个码字进行读取，读完一个码字后在编码表中查找其对应的超声波频率，然后由正弦波生成函数产生二进制数据并保存成PCM音频文件，最后扬声器会读取PCM文件并且周期性播放超声波。

2)接收阶段：

接收端进入广播范围内时，接收端会启动麦克风监听分析周围的声波，声波在接收端会转化成硬件识别的比特流。对这些二进制数据运用快速傅里叶变换(FFT)将其从时域上的变化转换成频域上的变化，得到声波在频谱上的信息，当实时分析得到的频率为开始标志位的频率时，接收端开始保存接下来监听到的声波流文件，保存的形式是二进制的PCM音频文件，直到检测到结束标志位后停止录音并在第三阶段对PCM音频文件进行分析。

3)分析阶段：

对存储的PCM音频文件数据进行FFT分析得到其频谱信息，在FFT方法中添加Hanning窗函数，记录下每个窗口分析得到的的频率f_i，每次与前一个码字频率f_i-1的振幅A_i-1比较，如果A_i＞＝A_i-1，则令A_max＝A_i；否则，A_max＝A_i-1。依次分析完所有PCM文件后，找到其中幅度最大A_max的频率f_real，此时f_real为接收端接收到的有效超声波信号，然后查找对应的编码表得到此频率对应的码字，录制完每个周期的广播后便得到了广播信息。

[有益效果]：本发明在原有的信息传输方式上提供了另外的一种基于超声波的方案选择，近距离无线通信在生活中已经越来越普及，基于超声波的信息传输具有安全性好、可靠性高、成本低等优点，可以作为一种廉价的信息广播方案。

[附图说明]

图1为广播端程序运行流程图；

图2为接收端程序运行流程图；

图3为频谱分析结果图；

[具体实施方式]

以下结合附图和具体实例对本发明做具体的介绍。

本发明为一种基于超声波的信息广播方法，分为三个阶段，广播阶段、接收阶段和分析阶段。

1.广播阶段

本步骤将带广播信息编码为超声波频率信号，并以音频文件的形式存储。之后，使用广播端周期性播放音频文件，以便接收端能录制到音频，如图1所示。

(1)用户提供待广播信息，例如无线局域网的名称、密码等信息，广播端接收到信息之后，将信息编码成超声波频率的码字。对于用户提供的待广播信息先转化为0和1的比特流，每4位比特表示一个码字，在超声波的频率上，不同码字对应不同的频率，本方法选取的超声波频率范围是20000Hz-21700Hz，每隔100Hz为一个频率点，编码表如下：

(2)广播端将待广播信息编码成超声波频率后，先通过正弦波生成函数生成此频率的音频文件并存储起来，然后扬声器开始读取音频文件的数据流，当扬声器接收到开始标志位时开始在传输信道上播放超声波，然后依次对码字的音频数据进行广播，当扬声器接收到结束标志位时便结束播放声波，然后继续重复前面的播放过程，实现音频文件的周期性播放。

2.接收阶段

本步骤接收端接收广播的信息，监听接收端周围的声波，并将监听到的有效超声波信号存储成音频数据以便后面的分析处理，如图2所示。

(1)用户开始运行接收端程序后，接收端会启动麦克风并实时监听分析周围声波的频率信息，接收端设置的采样频率为44.1kHz，分析声波的方法是通过FFT函数将音频数据转换成频率信息；

(2)当分析出的频率为开始标志位频率20kHz时，接收端便认为后面的超声波信号为有效信号，便开始保存后续的超声波信号，其在接收端的保存形式为PCM音频文件格式，这种文件里是以二进制格式存储的最原始的音频数据；

(3)当分析出的频率为结束标志位频率21.7kHz时，接收端便认为后面的声波信号为无效信号，接着停止监听和保存声波信号，在开始和结束之间接收端不会分析已经保存的音频文件；

3.分析阶段

此步骤对上一阶段录制存储好的PCM音频数据文件进行分析和频率提取，然后在接收端中查找与广播阶段相同的信息编码表，将得到的超声波频率找到其对应的码字，接着由码字对应的4位比特转换成用户发送的信息，如图3所示。

1)先对PCM文件数据进行快速傅里叶变换(FFT)得到其频谱信息，因为介质的超声波，所以可以加入高通滤波来过滤掉18kHz以下的无效声波信号，因为麦克风在录制保存声波信号时会有频谱能量的泄露，为了减少能量泄露并更准确地得到数据的真实特征，本方法中对数据添加了Hanning窗函数的处理，Hanning窗的时域表达式如下：

ω(n)＝1/2[1-cos(2π(n-1)/N)]；

2)在每个窗函数内分析好的频谱信息中，记下窗口内当前码字的振幅A_i，频率f_i，窗口内下一个码字的振幅A_i+1和频率f_i+1，若A_i+1＞＝A_i，则令A_max＝A_i；否则，A_max＝A_i-1。找到振幅A_max对应的最大的频率f_max，此频率即接收端监听到的有效信号声波，在编码表中查找此频率对应的码字，然后将此4位比特的码字转换成用户发送的信息，当分析并解码完播放端广播的一个周期内的信息之后即将得到用户发送的全部信息，至此已经达到了基于超声波广播并传输信息的功能。

实施案例

我们使用两部安卓手机作为发送端和接收端，并将此方法应用于智能手机连接无线局域网的过程中，两端传输的是无线局域网的密码等信息，并且测试了在不同场景下的接收端识别结果。

首先，一部智能手机作为广播端播放音频的两个主要函数是AudioTrack类中的audioTrack()和AudioPlayerDemoActivity类中的getPCMData()。

(1)audioTrack()是安卓的API，我们在此函数中要设置音频播放的采样率、声道、文件存储进制等参数，然后调用audioTrack()对象中的write()方法读取要播放的音频数据；

(2)getPCMData()函数产生要播放的音频数据，我们规定码字的播放时间为0.05秒，则其对应产生的音频数据的长度为2205，编码表每个码字对应不同的序号0-18，为了方便后面产生正弦波，我们设定每个码字的频率为数组freq＝{20000，20100，20200，20300，20400，20500，20600，20700，20800，20900，21000，21100，21200，21300，21400，21500，21600，21700，}；

(3)生成音频数据的函数公式为

waveLen＝44100/number_send (1)

data[i]＝127*(1-sin(2*3.14*((i％waveLen)/waveLen))) (2)

其中number_send为从屏幕获取要播放的信息对应的序号，再用write()方法将此数据写入播放设备。

然后，另一部智能手机作为接收端，并且在接收并解码完超声波之后自动连接上无线局域网。

(1)在实现移动接收端录制音频的过程中调用AudioRecord类中的audioRecord()函数进行录音存储，这是安卓的API，主要设置录制声源、采样率、文件存储进制和采样缓冲区大小等参数；

(2)在启动移动录制端程序后，手机麦克风便一直处于录音状态，并进行频率分析，当录制到开始标志位频率时，便开始保存音频数据成PCM格式，一直到录制到结束标志位后停止保存。

最后，移动接收端会通过JNI层调用C语言的FFT函数分析PCM音频文件数据，找到单位时间内的幅度最大的频率并提取出来，通过对应的编码表解码出对应的密码信息，并将接收到的一轮声波信息解码完后将其作为密码并自动连接上无线局域网。

Claims (1)

1.一种基于超声波的信息广播方法，其特征在于：包括以下三个步骤：

(1)广播过程：对于用户提供的待广播的信息，通过正弦波生成函数产生固定频率的超声波；具体而言，

(11)编码时以4位为一个码字进行编码，每个码字对应20000Hz-21700Hz的超声波频率，每个码字在频率范围中对应的频率间隔是100Hz；

(12)在待广播信息前后分别加开始标志位(20000Hz)和结束标志位(21700Hz)；

(13)将待广播信息、开始标志位、结束标志位对应的频率按正弦波产生函数生成PCM音频文件；

(14)扬声器周期性读取PCM文件并且周期性播放超声波；

(2)接收过程：当接收端进入广播区域后，启动识别客户端应用程序，程序首先会找到广播声波的开始标志位，然后从此时开始录制接收到的声波，并将其以二进制数组的形式存储为音频文件，直到接收到结束标志位后停止录音；具体而言，

(21)接收端通过对麦克风采集的声音数据进行傅里叶分析，检测开始标志位频率，即20000Hz；

(22)接收端在检测到开始标志位后，保存后续的声波信号；

(23)接收端检测到结束标志位频率，即21700Hz后，停止保存声波信号；

(3)分析过程：对于存储好的音频文件运用FFT函数分析出单位时间内声波幅度最大的音频频率，然后按照预设好的编码表进行解码得到广播端广播的信息；具体而言，

(31)使用Hanning窗函数预处理音频数据；

(32)在每个窗函数内分析好的频谱信息中，找到振幅最大的频率，此频率即接收端监听到的有效信号声波；

(33)在编码表中查找此频率对应的码字，然后将此4位比特的码字转换成用户发送的信息；

(34)当分析并解码完播放端广播的一个周期内的信息之后即将得到用户发送的全部信息，至此已经达到了基于超声波广播并传输信息的功能。

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