CN113543295B - 基于声波通讯的数据传输方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于声波通讯的数据传输方法及系统，包括一发送设备和至少一接收设备，所述任一接收设备均具有唯一的ID，且所述发送设备和所述接收设备均具有声音播放和拾取功能，所述数据传输方法包括以下步骤:首先，一探测设备帧首先被所述发送设备周期性地发送，所述接收设备如果接收到该探测设备帧，则所述接收设备会向所述发送设备回复一探测应答帧；其次，所述发送设备发送的数据帧中记载有帧号和该接收设备ID，相邻数据帧的帧号是连续的；最后，所述接收设备将所有缺少和数据校验错误数据帧的帧号发送给所述发送设备，所述发送设备重传，直到所有数据帧被所述接收设备正确地接收。本发明有效地提高了数据通讯的波特率。

Description

基于声波通讯的数据传输方法及系统

技术领域

本发明涉及声波技术领域，特别是涉及基于声波通讯的数据传输方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提到了与本发明相关的背景技术，并不必然构成现有技术。

在工业控制系统可以划分为设备层、网络层和应用层，其中设备层多为工业控制的各种传感器、控制设备的输入和输出信号，这些输入输出信号通过网络层，传输到应用层的计算机，进行系统监测和控制。

由于工业控制系统事关工业生产安全，一般不允许直接接入公共网络，更不允许外网接入工业控制系统的网络层直接获取底层数据。但是，随着系统智能化提高和透明工厂的发展，工业控制系统中的部分数据还是需要通过公共网络实现共享。由于工业控制系统的应用层一般配置有监测计算机，通过该计算机的声音播放和拾取部件实现工业控制系统的部分内网数据传输到外网，具有不需要在工业控制系统中添加硬件板卡，发送和接收在物理介质上隔离，传输方案灵活的优点。

但是，由于声波在空气中是以纵波的形式传播的，数据传输速度慢，传输过程中特别容易受到环境噪声的干扰，因此必须提供一种可靠的数据传输方法才能实现稳定的数据传输，以应用于工业控制系统中内外网的数据交互。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提供了基于声波通讯的数据传输方法及系统；所述数据传输方法中的探测设备帧用于所述发送设备探测接收设备，以建立稳定数据传输通道，提高数据传输的稳定性。

第一方面，本发明提供了基于声波通讯的数据传输方法；

基于声波通讯的数据传输方法，包括：

发送设备向至少一个接收设备周期性地发送探测设备帧；

发送设备判断是否收到接收设备回复的探测应答帧；如果是，则发送设备解析探测应答帧，进入下一步；如果否，则发送设备调整发射功率等级后，返回上一步；

发送设备判断探测应答帧是否符合设定要求；如果是，则进入下一步；如果否，返回第一步；

发送设备向符合设定要求的接收设备发送数据帧；

接收设备判断是否有需要重传的数据帧，如果是，则接收设备发送要求重传数据帧的帧号给发送设备，返回上一步；如果否，则数据传输结束。

第二方面，本发明提供了基于声波通讯的数据传输系统；

基于声波通讯的数据传输系统，包括：发送设备和至少一个接收设备；

发送设备向至少一个接收设备周期性地发送探测设备帧；发送设备判断是否收到接收设备回复的探测应答帧；如果是，则发送设备解析探测应答帧；发送设备判断探测应答帧是否符合设定要求；如果是，则发送设备向符合设定要求的接收设备发送数据帧；

接收设备判断是否有需要重传的数据帧，如果是，则接收设备发送要求重传数据帧的帧号给发送设备；如果否，则数据传输结束。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供了一种基于声波通讯的数据传输方法，该方法公开了发送设备与接收设备通过探测设备帧、探测应答帧建立通信通道的方法，通过接收设备ID有效地识别了各不同接收设备，并进行准确的数据传输；

另外，通过数据帧中的帧号实现了不同接收设备的数据快速传输和错误帧的重传机制，有效地提高了数据通讯的波特率，以使该数据传输方法有效地应用在工业控制系统中；

最后，本发明还提出了一种利用该声波通讯的数据传输方法的系统，其中，发送和接收设备可以是计算机、手机和各种智能终端，提高了该数据传输方法的适应性。

本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为声波通讯系统示意图；

图2为基于声波通讯的数据传输方法流程图；

图3为公开实施例中一发送设备和一接收设备的数据传输序列图；

图4为公开实施例中一发送设备和两个接收设备的数据传输序列图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本实施例所有数据的获取都在符合法律法规和用户同意的基础上，对数据的合法应用。

实施例一

本实施例提供了基于声波通讯的数据传输方法；

如图2所示，基于声波通讯的数据传输方法，包括：

S101：发送设备向至少一个接收设备周期性地发送探测设备帧；

S102：发送设备判断是否收到接收设备回复的探测应答帧；如果是，则发送设备解析探测应答帧，进入S103；如果否，则发送设备调整发射功率等级后，返回S101；

S103：发送设备判断探测应答帧是否符合设定要求；如果是，则进入S104；如果否，返回S101；

S104：发送设备向符合设定要求的接收设备发送数据帧；

S105：接收设备判断是否有需要重传的数据帧，如果是，则接收设备发送要求重传数据帧的帧号给发送设备，返回S104；如果否，则数据传输结束。

应理解的，所述发送设备调整发射功率等级，将发送功率划分为不同的等级，是为了更好地探测接收设备，并节约发射功率，实现数据传输通道的合理搭建。所述发送设备可以不调整发射功率等级，一直以设定的功率周期性地发送探测设备帧。

示例性的，把所述发送设备的发射功率划分为固定档，比如十档，每次用不同档位轮循地发送该探测设备帧，直到接收所述接收设备的回应。使用不同档位轮循地发送探测设备帧的优势在于可以探测较大的范围内是存在所述接收设备，并可以节约发送设备的电能，特别适合所述发送设备是便携式智能终端的情况，便携式智能终端包括但不限于手机、iPad、笔记本电脑。

进一步地，所述发送设备调整发射功率等级，其中，发送设备将发送功率划分为若干等级，首次发送为最低等级，如果没有收到所述接收设备返回的探测应答帧，则所述发送设备将发送功率提升一个等级，继续发送；如果发送功率提升到最高等级依然探测不到接收设备，则跳转到最低发射功率发射探测设备帧，如此循环。

进一步地，所述探测设备帧中记载接收设备的ID、发送探测设备帧的发送功率、环境噪声和信号信息，以使发送设备根据环境噪声调整发送功率。提高数据传输的稳定性。

进一步地，所述探测设备帧的数据格式为十六进制，具体表示为：

TT MM NN QQ。

其中，TT为帧号，用于区分探测帧和数据帧，比如取TT为0x00探测帧标识，0x01～0xFF为数据帧标识；

MM代表所述发送设备发送该探测设备帧时的功率，优选将所述发送设备的发送功率分为十个档，用1～A的十个数字代表；

NN代表探测所述接收设备的ID，优选当NN为0x00时，代表探测所有接收设备,当NN为0x01～0xFF时，代表只探测扪收设备ID与该数字相同的接收设备；

QQ代表本帧的数据校验字节，为本帧所有数据字节的累加求和校验，也可以为CRC8校验。

进一步地，所述探测应答帧中记载接收设备的ID、发送探测应答帧的发送功率、接收探测设备帧时的环境噪声和信号信息，以使发送设备根据环境噪声调整发送功率。提高数据传输的稳定性。

进一步地，所述探测应答帧的数据格式为十六进制，具体表示为：

TT MM NN PP1 PP2 QQ。

其中，TT为帧号；

MM此时则代表所述接收设备发送探测应答帧时功率，该功率与所述发送设备一样，优选将所述接收设备的发送功率分为十个等级；

NN则代表该接收设备的ID；

PP1代表声音拾取后，解析时的环境噪声强度,PP2则为信号强度。

PP1和PP2可以存储绝对值，也可以存储相对值，本领域的技术人员根据本启示，还可以不付出创造性劳动想通过传输PP1和PP2比值来判断数据传输的信道稳定性；

QQ代表本帧的数据校验字节，为本帧所有数据字节的累加求和校验，也可以为CRC8校验。

在探测设备帧和探测应答帧中都记载有发送该探测帧时的发送功率，为该帧的接收设备计算信号衰减，以便接下来用更合适的功率来进行数据传输。

所述发送设备和所述接收设备的具体数据探测数据序列的实施方式如图3、图4所示，其中，图中NN采用累加求和校验。

进一步地，所述发送设备根据探测应答帧中接收设备的ID区分传输范围内的接收设备；所述发送设备根据探测应答帧中的环境噪声和信号信息，判断各个接收设备的距离和环境噪声情况，以使发送设备针对不同的接收设备选择最优发射功率来传输数据。其中，所述环境噪声和信号信息主要依据随机噪声的幅值和声波数据信号幅值衰减大小确定。

进一步地，所述探测设备帧，包括接收设备的ID和两个以及两个以上接收设备的探测顺序；

或者，所述探测设备帧不包括接收设备ID，当两个以及两个以上探测设备，接收到不包括接收设备ID的探测设备帧时，以随机数据作为自接收所述探测设备帧到发送自各探测应答帧的等待时间间隔，以避免各接收设备发送所述探测应答帧的干扰。

应理解的，当探测设备帧中包括接收设备ID时，在声波传输的范围内，只有与该ID一致的所述接收设备才会回应，从而实现对特定接收设备的探测。

进一步地，所述探测应答帧和接收设备均记载有唯一的ID，实现发送设备到接收设备不间断的数据传输通道。

进一步地，发送设备发送的数据帧中，每一帧数据均包含唯一的帧号和接收设备ID，且相邻数据帧的帧号是连续的，以使接收设备发现不正确的数据帧后，进行数据帧重传。保证数据传输的完整性。

进一步地，所述发送设备和接收设备均具有声音播放和拾取功能。

进一步地，所述接收设备如果接收到探测设备帧，则接收设备向发送设备回复探测应答帧；其中，所述探测应答帧中记载所述接收设备的ID、所述接收设备接收探测设备帧时的环境噪声和信号信息。

进一步地，所述探测设备帧和探测应答帧均为声波信号，探测设备帧用于对接收设备进行探测，探测应答帧用于对探测设备帧进行应答。

进一步地，所述S102还包括：当探测设备帧存在数据错误，或者环境噪声大于等于信号信息时，发送设备再次发送探测设备帧。

进一步地，所述S103：发送设备判断探测应答帧是否符合设定要求，其中，设定要求是指探测应答帧所记录的环境噪声小于设定阈值。

进一步地，所述S103，包括：除了探测应答帧不符合设定要求而再次发送探测设备帧以外，还包括：

当发送设备需要再次确认环境噪声是否适合数据传输或者确认信号的衰减数据时，发送设备再次发送探测设备帧，并再次获得探测应答帧进行分析。

进一步地，所述S104：发送设备向探测应答帧符合设定要求的接收设备发送数据帧；具体包括：

发送设备交替向两个以及两个以上的接收设备传输数据；或者，

发送设备每次仅向一个接收设备传输数据，待数据传输完成后，再向另外一台接收设备传输数据，依次完成数据传输。

进一步地，发送设备进入数据传输阶段，本阶段存在两种数据传输情况。

一种为所述发送设备同时只针对一个接收设备发起数据传输，如图3所示，在数据传输完成后再发起对另一个接收设备的数据传输，以次类推；

另一种是所述发送设备同时对两个以上的所述接收设备同时进行数据传输，由于对三个以上的所述接收设备同时进行数据传输与对两个接收设备同时进行数据传输理论相同，本领域技术人员根据同时针对两个接收设备数据传输方法的启示，不必通过创造性劳动即可得出同时针对三个以上接收设备的数据传输方法。因此，下面仅以同时针对两个接收设备的数据传输进行阐述，如图4所示。

如图3、图4所示，所述发送设备的数据帧的数据格式以十六进制表示为：

TT NN LL X1……Xn QQ。

式中，TT为代表帧号，与探测设备帧不同的是，在数据帧中TT的取值范围为0x01～0xFF，在数据传输时从0x01开始，逐次加1，累加到0xFF后所述接收设备必须回复一次；

NN代表接收该帧数据的所述接收设备的ID；

LL代表本帧中传输的数据长度，范围为0x01～0xFF；

X1…Xn代表数据帧中具体的数据；

QQ为校验字节，其含义与所述探测设备帧相同。

不同的传输是通过数据帧的帧号来识别的，如果出现数据丢失、错误，所述接收设备也是通过帧号来通知所述发送设备进行该数据帧的重传。

另外，为了保证数据传输的完整性，所述接收设备在收到帧号为0xFF的数据帧或者最后的数据帧时，所述接收设备向所述发送设备发送数据应答帧。

其中，所述数据应答帧的数据格式以十六进制表示为：

TT NN YY1 YY2 LL R1…Rn QQ。

式中，TT为0xFF，表示该帧为数据应答帧；

NN为该发送该数据应答帧的所述接收设备的ID；

YY1，YY2为所述接收设备自上次发出数据应答帧后收到的所有数据帧中有效数据的个数，占两个字节长度；

LL为需要重传数据帧的个数，当LL为0时，表示本帧数据传输成功，不再需要重传，当LL为非0时，则所述发送设备需要重传指定的数据帧；

R1…Rn为需要重传的数据帧的帧号；

QQ为校验字节，其含义与所述探测设备帧相同，在图3和图4中采用累加求和校验法。

所述发送设备向接收设备传输的数据量超过设定阈值，所述接收设备需要在数据帧的帧号到达0xFF时发出数据应答帧，以通知所述发送设备及时重传错误或者丢失的数据帧；判断是否为所述发送设备发送的最后的数据帧时，有两种情况：

一种为本帧数据少于前帧数据，但帧号大于前一数据帧的帧号；

另一种为收到上一帧数据帧后，超过规定时间没有再收到数据帧，所述接收设备则认为数据传输完成，启动发送数据应答帧。

本发明的一种基于声波通讯数据传输方法的实施例中的数据格式，只是其实现方式中较优的一种，本领域技术人员根据本发明的技术启示，很容易想到数据格式的变形或者变换来实现本发明的构思；其次，本发明实施例中的数据格式只是发明人为了更清楚地阐述本构思的一种实现方式，还有很多数据格排列格式可以实现本发明构思。

进一步地，所述S105步骤，被替换为：

S106：接收设备接收所述数据帧，待当前数据传输完成后，所述接收设备对接收到的数据帧进行解析；判断接收到的数据帧是否存在缺少或数据校验错误的情形；如果存在缺少或数据校验错误的情形，则接收设备向发送设备发送需要重传的数据帧帧号，返回S104，直到所有数据帧被所述接收设备正确地接收；如果不存在缺少或数据校验错误的情形，则数据传输结束。

发送设备和接收设备包括但不限于为计算机、手机或者智能终端。

实施例二

本实施例提供了基于声波通讯的数据传输系统；

如图1所示，基于声波通讯的数据传输系统，包括：发送设备和至少一个接收设备；

发送设备向至少一个接收设备周期性地发送探测设备帧；发送设备判断是否收到接收设备回复的探测应答帧；如果是，则发送设备解析探测应答帧；发送设备判断探测应答帧是否符合设定要求；如果是，则发送设备向符合设定要求的接收设备发送数据帧；

接收设备判断是否有需要重传的数据帧，如果是，则接收设备发送要求重传数据帧的帧号给发送设备；如果否，则数据传输结束。

进一步地，所述发送设备为一工控系统内网计算机，所述计算机与外网物理隔离；所述接收设备物理连接公共网络，发送设备和接收设备之间通过声波通讯实现内网数据转发到公共网络。

进一步地，所述发送设备和接收设备均具有声音播放设备和声音拾取设备，且任一接收设备具有唯一的标识ID。所述发送设备通过声音播放设备以声波为载体向所述任一接收设备发送信息，所述接收设备通过声音拾取设备接收声波数据，通过解析得到调制在声波中的数据信息。

其中，发送设备和接收设备可以为计算机、手机或者智能终端；所述声音播放设备对于为计算机而言为声卡，对手机而言为声音播放模块；所述声音拾取设备对于计算机而言为麦克风或者话筒，对手机或者智能终端而言为麦克风。

所述声音采样频率较优选择为44.1kHz,以便于声波载波频段可以工作在19KHz～22.05KHz的范围，较利于提高通讯的抗干扰性且不会对人耳产生噪声干扰。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.基于声波通讯的数据传输方法，其特征是，包括：

发送设备向至少一个接收设备周期性地发送探测设备帧；

发送设备判断是否收到接收设备回复的探测应答帧；如果是，则发送设备解析探测应答帧，进入下一步；如果否，则发送设备调整发射功率等级后，返回上一步；

发送设备判断探测应答帧是否符合设定要求；如果是，则进入下一步；如果否，返回第一步；

发送设备向符合设定要求的接收设备发送数据帧；

接收设备判断是否有需要重传的数据帧，如果是，则接收设备发送要求重传数据帧的帧号给发送设备，返回上一步；如果否，则数据传输结束；

所述发送设备调整发射功率等级，其中，发送设备将发送功率划分为若干等级，首次发送为最低等级，如果没有收到所述接收设备返回的探测应答帧，则所述发送设备将发送功率提升一个等级，继续发送；如果发送功率提升到最高等级依然探测不到接收设备，则跳转到最低发射功率发射探测设备帧，如此循环；

所述方法还包括：当探测设备帧存在数据错误，或者环境噪声大于等于信号信息时，发送设备再次发送探测设备帧；

所述方法还包括：除了探测应答帧不符合设定要求而再次发送探测设备帧以外，还包括：

当发送设备需要再次确认环境噪声是否适合数据传输或者确认信号的衰减数据时，发送设备再次发送探测设备帧，并再次获得探测应答帧进行分析；

所述探测设备帧，记载接收设备的ID、发送探测设备帧的发送功率、环境噪声和信号信息，以使发送设备根据环境噪声调整发送功率；

所述探测应答帧，记载接收设备的ID、发送探测应答帧的发送功率、接收探测设备帧时的环境噪声和信号信息，以使发送设备根据环境噪声调整发送功率。

2.如权利要求1所述的基于声波通讯的数据传输方法，其特征是，

所述探测设备帧，包括接收设备的ID和两个以及两个以上接收设备的探测顺序；或者，

所述探测设备帧不包括接收设备ID，当两个以及两个以上探测设备，接收到不包括接收设备ID的探测设备帧时，以随机数据作为自接收所述探测设备帧到发送自各探测应答帧的等待时间间隔，以避免各接收设备发送所述探测应答帧的干扰。

3.如权利要求1所述的基于声波通讯的数据传输方法，其特征是，发送数据帧中，每一帧数据均包含唯一的帧号和接收设备ID，且相邻数据帧的帧号是连续的，以使接收设备发现不正确的数据帧后，进行数据帧重传。

4.如权利要求1所述的基于声波通讯的数据传输方法，其特征是，发送设备向符合设定要求的接收设备发送数据帧；具体包括：

发送设备交替向两个以及两个以上的接收设备传输数据；或者，

发送设备每次仅向一个接收设备传输数据，待数据传输完成后，再向另外一台接收设备传输数据，依次完成数据传输。

5.如权利要求1所述的基于声波通讯的数据传输方法，其特征是，

所述发送设备向接收设备传输的数据量超过设定阈值，所述接收设备在数据帧的帧号到达0xFF时或者数据帧为最后的数据帧时发出数据应答帧，以通知所述发送设备及时重传错误或者丢失的数据帧；其中，

判断数据帧是否为所述发送设备发送的最后的数据帧时，有两种情况：

一种为本帧数据少于前帧数据，但帧号大于前一数据帧的帧号；

另一种为收到上一帧数据帧后，超过规定时间没有再收到数据帧，所述接收设备则认为数据传输完成，启动发送数据应答帧。

6.如权利要求1所述的基于声波通讯的数据传输方法，其特征是，所述方法还包括：接收设备接收所述数据帧，待当前数据传输完成后，所述接收设备对接收到的数据帧进行解析；判断接收到的数据帧是否存在缺少或数据校验错误的情形；如果存在缺少或数据校验错误的情形，则接收设备向发送设备发送需要重传的数据帧帧号，返回上一步，直到所有数据帧被所述接收设备正确地接收；如果不存在缺少或数据校验错误的情形，则数据传输结束。

7.基于声波通讯的数据传输系统，其特征是，包括：发送设备和至少一个接收设备；

发送设备向至少一个接收设备周期性地发送探测设备帧；发送设备判断是否收到接收设备回复的探测应答帧；如果是，则发送设备解析探测应答帧；发送设备判断探测应答帧是否符合设定要求；如果是，则发送设备向符合设定要求的接收设备发送数据帧；

接收设备判断是否有需要重传的数据帧，如果是，则接收设备发送要求重传数据帧的帧号给发送设备；如果否，则数据传输结束。