CN109830242B - 一种利用音频进行编码通信的方法及系统 - Google Patents
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Abstract
一种利用音频进行编码通信的方法及系统，其中方法为通过具有至少两个不同频段组成的通信音频作为通信数据的信息载体进行发送，并通过对所述通信音频进行监测、解码以还原所述通信数据。本发明以音频作为数据载体，从而简化了数据发送端的硬件结构，降低了成本，如果采用蜂鸣器作为发声器件，则成本更低，同时消除了电磁干扰对数据的接收的影响。
Description
技术领域
本发明涉及物联网通信技术领域，具体涉及一种利用音频进行编码通信的方法及系统。
背景技术
物联网是互联网、传统电信网等信息承载体，让所有能行使独立功能的普通物体实现互联互通的网络。随着现代智能技术的发展，越来越多的设备通过无线或有线通信方式进行互相连接以形成物联网来实现更加及时的反馈，更加精准的服务以及更加便捷的使用。
现有的物联网的通信方式主要为通信线为主的有线通信方式以及以wifi、蜂窝网络以及2.4G为主的无线通信，现有的这些通信方式虽然速率高，但是收到环境影响较大，同时成本很高，如果要实现点对多点通信则实施复杂且成本更加高昂，不适用于工业环境以及家庭低成本小家电的物联网通信。
又如公开号为CN106877903A的中国发明专利所公开的一种基于混合跳频的二维信息隐匿抗干扰通信方法，包括下述步骤：1)、采用差分跳频体制将第一维信息数据依据G函数规则产生跳频序列，并按照跳频序列产生频率变化的载波信号；将第二维信息数据利用FSK方式调制到频率变化的载波信号上，得到混合跳频的二维信息隐匿抗干扰通信信号，通过天线发射；2)、对接收基于混合跳频的二维信息隐匿抗干扰通信信号进行STFT变换得到频域结果，通过对频域结果进行频点检测，按照G？1函数规则得到第一维信息数据；对每跳信号进行FSK解调，得到第二维信息数据，实现二维信息隐匿抗干扰通信。该方案在实际实施的时候成本很高，且实施效果对于实际使用设备的性能要求过高，不适用于工业环境以及家庭低成本小家电的物联网通信。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用音频进行编码通信的方法及系统，以音频作为数据载体，从而简化了数据发送端的硬件结构，降低了成本，如果采用蜂鸣器作为发声器件，则成本更低，同时消除了电磁干扰对数据的接收的影响。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种利用音频进行编码通信的方法，通过具有至少两个不同频段组成的通信音频作为通信数据的信息载体进行发送，并通过对所述通信音频进行监测、解码以还原所述通信数据。
作为本发明的优选，具体包括以下步骤：
步骤一，确定通信用频段的范围，在所述通信用频段的范围内选取至少两个用于代表不同数码的位频段，根据所述位频段的数量确定发送用编码进制；
步骤二，将所述通信数据根据所述发送用编码进制利用所述位频段合成通信音频，并将所述通信音频进行播放；
步骤三，对所述通信音频进行监测，并将监测到的所述通信音频解码为所述通信数据。
作为本发明的优选，所述步骤一中还包括确定至少一个空置频段。
作为本发明的优选，所述的通信用频段范围为20Hz-20kHz。
作为本发明的优选，合成所述通信音频的方法为将所述通信数据使用所述发送用编码进制进行编写后形成待发送数据；然后根据所述待发送数据将所述位频段进行排列形成所述通信音频。
作为本发明的优选，所述的通信音频包括依次设置的前导信号、数据信号以及结束信号。
作为本发明的优选，所述的空置频段设置于所述通信音频内相邻两个所述位频段之间。
一种利用音频进行编码通信的系统，包括编码器、发声器件、收音装置以及解码器；所述的编码器用于将通信数据合称为通信音频，所述的发声器用于播放所述通信音频，所述的收音装置用于监测所述通信音频，所述的解码器用于将监测到的所述通信音频解码为所述通信数据。
作为本发明的优选，还包括云端服务器，解码器设置于云端服务器内，收音装置将接收到的通信音频上传至云端服务器进行解码。
作为本发明的优选，所述发声器件为蜂鸣器。
综上所述，本发明具有如下有益效果：
本发明具有实施简单、干扰小、应用便捷、成本低廉的优点。
附图说明
图1为本发明方法实施例的流程图；
图2为本发明的方法实施例发送“hello”的波形图；
图3为本发明系统实施例的框图；
图4为本发明最小系统实施例的框图；
图5为本发明远程模式系统实施例的框图；
图中：1-编码器；2-发声器件；3-收音装置；4-解码器；5-云端服务器；6-发送端装置；7-接收端装置。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明实施例通过具有至少两个不同频段组成的通信音频作为通信数据的信息载体进行发送，并通过对通信音频进行监测、解码以还原通信数据。
如图1所示，本发明方法实施例具体包括以下步骤：
步骤一，确定通信用频段的范围，在通信用频段的范围内选取至少两个用于代表不同数码的位频段，根据位频段的数量确定发送用编码进制，本实施例中通信用频段的范围选取20Hz-20kHz范围进行使用，在实际实施过程中优选1kHz-10kHz的范围进行实施，其中发送用编码进制由于本实施例的实施方式的特点，所以不限制为二进制、十进制、十六进制三种常用进制，既是根据在通信用频段范围内划分出的位频段的数量而定，举例说明为选取发送用编码进制为二进制，则选取通信用频段为1kHz-10kHz的范围内的1.5kHz-1.6kHz为“1”，3.7kHz-3.9kHz为“0”，则该通信用频段内的位频段就是1.5kHz-1.6kHz与3.7kHz-3.9kHz，本实施例中如果选取具体的频点作为位频段时，该频点也视为位频段的保护范围内，既是位频段的保护范围包含具体频点，本实施例中不限制仅使用一个频段表示一个数码，也可以使用多个不同的频段表示同一个数码，代表同一个数码的所有频段，均称为该数码的对应位频段，发送用编码进制则是根据位频段的数量而定，但是用多个不同频段表示同一个数码时，本实施例的编码的安全性更加高；
步骤二，将通信数据根据发送用编码进制利用位频段合成通信音频，并将通信音频进行播放，其中通信数据就是需要发送的具体数据，如图2所示，举例说明发送的通信数据为“hello”，使用发送用编码进制为十六进制，则“he llo”的ASCII码为“48、45、4C、4C、4F”，选取具体通信用频段为2kHz-4kHz，其中十六进制中4选取的位频段为2.6kHz，5选取的的位频段为2.8kHz，8选取的的位频段为3.0kHz，C选取的的位频段为3.4kHz，F选取的的位频段为3.7kHz，为了简要说明，图2中使用具体频点作为位频段进行简要明示，在完成以上工作后，将“hello”根据发送用编码进制利用2.6kHz、2.8kHz、3.0kHz、3.4kHz、3.7kHz这几个位频段合成通信音频的位频段排序为4.0kHz-2.2kHz-4.0kHz/2.6kHz-4.0kHz-3.0kHz-4.0kHz/2.6kHz-4.0kHz2.8kHz-4.0kHz/2.6kHz-4.0kHz-3.4kHz-4.0kHz/2.6kHz-4.0kHz-3.4kHz-4.0kHz/2.6kHz-4.0kHz-3.7kHz-4.0kHz/2.2kHz-4.0kHz，具体波形则如图2所示，其中“4.0kHz-2.2kHz-4.0kH z”段为前导信号，“2.2kHz-4.0kHz”段为结束信号，“/2.6kHz-4.0kHz-3.0kHz-4.0kHz/2.6kHz-4.0kHz-2.8kHz-4.0kHz/2.6kHz-4.0kHz-3.4kHz-4.0kHz/2.6kHz-4.0kHz-3.4kHz-4.0kHz/2.6kHz-4.0kHz-3.7kHz-4.0kHz/”段为数据信号，前导信号用于明确有效录音段的开始，结束信号为明确有效录音段的结束，是通信协议，而“4.0kHz”为空置频段，作为防干扰使用；
步骤三，对通信音频进行监测，并将监测到的通信音频解码为通信数据，其中监听的方法举例说明为采用常用的采样频率为44.1K的录音设备进行录音，既是具有44100个样本点，实际采用点数采用1024点，既是采样到1024点后就处理一次，既是一个采样周期为23ms，以上仅为举例，不做限制，也可以采用2048点处理一次的方案等等，解码则根据使用的发送用编码进制将采样到的通信音频的每一个位频段重新还原成数码以后进行排列，如采样到的通信音频为步骤二中举例说明中最终合成的通信音频，解码方法为取出通信协议和空置频段后，将剩下的位频段进行排列得到2.6kHz-3.0kHz-2.6kHz-2.8kHz-2.6kHz-3.4kHz-2.6kHz-3.4kHz-2.6kHz-3.7kHz，则根据发送用编码进制所选取的十六进制与位频段的对应关系得到实际发送的代码为“48454C4C4F”，根据采用的ASCII码编译得到通信数据为“hello”。根据步骤一至步骤三的流程，就完成了“hello”的发送与接收。
步骤一中还包括确定至少一个空置频段，空置频段的具体数量，则是根据使用需求而确定的，空置频段的最小值为21.53HZ，空置频段可以在通信用频段范围内选取，也可以在范围外选取，原则为不能与位频段重合，空置频段的用途主要为构成通信协议，防干扰以及作为待用位频段，构成通信协议的方法如图2所示，举例说明为选取两个空置频段，分别均在2kHz-4kHz范围内选取，分别为4.0kHz与2.2kHz，4.0kHz为高基频，2.2kHz为低基频，则构成通信协议为前导信号为高-低-高，既是“4.0kHz-2.2kHz-4.0kHz”，结束信号为低-高，既是“2.2kHz-4.0kHz”；当空置频段作为防干扰时，则如图2所示，将空置频段设置于通信音频内相邻两个位频段之间，既是4.0kHz为防干扰用的空置频段，由于声音是模拟信号时连续的，而如果采用蜂鸣器作为发声器件2时，器件本身在不同频段之间的变换时或多或少会有机械振动的起振与停振时间，如果没有设置防干扰用的空置频段，则可能使得两个连续播放的位频段的采样收到互相干扰，导致采样不精准；当作为待用位频段时，空置频段的选取范围必须在通信用频段范围内，如果用户需要进行区域限制，则可能在不同区域，或者不同设备上使用不同的发送用编码进制，在不同编码进制之间必然存在数码的数量差异，比如规定A地区的设备使用十进制，而B地区的同型号设备使用十六进制，则存在六个数码差距，这个时候在使用十进制的A地区的设备上，空置频段数量为六个。
本实施例中通信用频段的最大范围为20Hz-20kHz，如果使用蜂鸣器最为发声器件2，则实际优选通信用频段为2kHz-4kHz，由于具体使用时器件性能的可能性差异，则上下限误差±0.5kHz，选取2kHz-4kHz时对应蜂鸣器则干扰和谐振相对极小，同时正常人发声频率为500Hz～1KHz，选取2kHz-4kHz也可以很好的避开最常见的干扰音频既是人声音频。
本是实施例合成通信音频的方法为将通信数据使用发送用编码进制进行编写后形成待发送数据；然后根据待发送数据将位频段进行排列形成通信音频。通信音频包括依次设置的前导信号、数据信号以及结束信号。
如图3所示，本发明的系统的实施例包括编码器1、发声器件2、收音装置3以及解码器4；编码器1用于将通信数据合称为通信音频，发声器用于播放通信音频，收音装置3用于监测通信音频，解码器4用于将监测到的通信音频解码为通信数据，如图4所示本实施例中最小系统可以为将编码器1与发声器件2进行集成整合为发送端装置6，将收音装置3与解码器4进行集成整合为接收端装置7，举例说明本系统一个具体使用实施例，稻田水泵搭载本系统时，则编码器1采用变频水泵自带的控制单元，既是单片机，在单片机内，内置一段编码程序作为编码器1使用，在变频水泵上安装一蜂鸣器，当水泵产生故障时，单片机驱动蜂鸣器发出通信音频，用户则使用手机作为收音装置3对通信音频进行录音，然后采用相应解码程序进行解码即可知道错误代码，对照变频水泵自带的错误代码表即可知道故障原因，本系统的优点明显，稻田环境十分潮湿，对于通信布线工作时十分繁琐的，而采用无线通信方式，则可能由于稻田的具体位置不同，而会产生信号覆盖不到，信号不好等问题，同时变频水泵由于使用量巨大，如果采用蓝牙等通信模块又会大幅度提升成本，而本实施例采用的蜂鸣器十分便宜，可以大批量搭载，手机也是每一个用户均会佩戴的随身器件，本实施例在使用时，完全可以先录音，后解码，然后到信号好的环境下再发送至其他设备进行通信，使用过程十分便利，且不受环境干扰，同时由于蜂鸣器单频声音可以使用一个频率比较高的频段作为通信用频段，所以完全可以做到很好的防水，声音一样能够穿透出来，相对无线信号更加稳定。
如图5所示，本发明的系统实施例的远程模式系统实施还包括云端服务器5，解码器4设置于云端服务器5内，收音装置3将接收到的通信音频上传至云端服务器5进行解码，该实施例下，可以仅用手机等收音装置3进行录音，然后将录音文件收到的通信音频上传后，由云端服务器5进行解码，这样可以便于使用了本系统的产品开发商进行区域管理。
本系统实施例中优选发声器件2为蜂鸣器，蜂鸣器的优点是价格便宜，且为单频声音，便于信号处理，这样更加便于推广。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
Claims (3)
1.一种利用音频进行编码通信的方法，其特征在于：通过具有至少两个不同频段组成的通信音频作为通信数据的信息载体进行发送，并通过对所述通信音频进行监测、解码以还原所述通信数据；所述的通信用频段范围为2kHz-4kHz，具体包括以下步骤：
步骤一，采用蜂鸣器作为发声器件，确定通信用频段的范围，确定至少一个空置频段，在所述通信用频段的范围内选取至少两个用于代表不同数码的位频段，根据所述位频段的数量确定发送用编码进制，且使用多个不同的频段表示同一个数码；
步骤二，将所述通信数据根据所述发送用编码进制利用所述位频段合成通信音频，并将所述通信音频进行播放；
步骤三，对所述通信音频进行监测，并将监测到的所述通信音频解码为所述通信数据；
合成所述通信音频的方法为将所述通信数据使用所述发送用编码进制进行编写后形成待发送数据；然后根据所述待发送数据将所述位频段进行排列形成所述通信音频；所述的空置频段设置于所述通信音频内相邻两个所述位频段之间，所述的空置频段的范围为2kHz-4kHz，所述的空置频段的具体数量，则是根据使用需求而确定的，所述的空置频段的最小值为21.53HZ，所述的空置频段用于防干扰。
2.根据权利要求1所述的一种利用音频进行编码通信的方法，其特征在于：所述的通信音频包括依次设置的前导信号、数据信号以及结束信号。
3.一种利用音频进行编码通信的系统，用于执行如权利要求1所述的一种利用音频进行编码的方法，其特征在于：包括编码器（1）、发声器件（2）、收音装置（3）以及解码器（4）；所述的编码器（1）用于将通信数据合称为通信音频，所述的发声器用于播放所述通信音频，所述的收音装置（3）用于监测所述通信音频，所述的解码器（4）用于将监测到的所述通信音频解码为所述通信数据；还包括云端服务器（5），解码器（4）设置于云端服务器（5）内，收音装置（3）将接收到的通信音频上传至云端服务器（5）进行解码；所述发声器件（2）为蜂鸣器。
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