本發(fā)明一般地涉及安全防范技術(shù)領(lǐng)域，并且更特別地，涉及一種基于聲波數(shù)字通信的門禁系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

在智能科技飛速發(fā)展的今天，門禁系統(tǒng)早已超越了單純的門道及鑰匙管理，已逐漸發(fā)展成為一套完整的出入口控制管理系統(tǒng)。它在工作環(huán)境安全、認(rèn)識(shí)考勤等行政管理工作中發(fā)揮著巨大的作用。

目前，國(guó)內(nèi)外研制和使用的門禁系統(tǒng)，主要集中在感應(yīng)卡/芯片門禁系統(tǒng)和生物識(shí)別門禁系統(tǒng)，感應(yīng)卡/芯片門禁系統(tǒng)目前以非接觸式rfid射頻標(biāo)簽卡和具有nfc芯片的移動(dòng)設(shè)備為主，而生物識(shí)別門禁系統(tǒng)又以指紋識(shí)別門禁系統(tǒng)應(yīng)用最為廣泛。

一般使用廣泛的非接觸式rfid射頻標(biāo)簽卡是無源rfid，其需要近距離識(shí)別。而有源rfid雖然能夠?qū)崿F(xiàn)較遠(yuǎn)距離通信識(shí)別，但其需要更換電池，日常維護(hù)比較麻煩。rfid射頻標(biāo)簽卡也比較容易被復(fù)制，不易做到動(dòng)態(tài)保密。nfc芯片是一種新興的近場(chǎng)無線通信技術(shù)，并開始被用于門禁系統(tǒng)。然而nfc芯片一般需要移動(dòng)設(shè)備的支持，成本較高，識(shí)別距離近，且nfc標(biāo)準(zhǔn)不一，這提高了nfc芯片在門禁中的應(yīng)用門檻。

由于生物特征具有難以仿冒與借用、不怕遺失、不用攜帶和不會(huì)遺忘的特點(diǎn)，因此生物識(shí)別具有獨(dú)特性、唯一性和安全性。然而由于生物識(shí)別需要超近距離接觸，識(shí)別時(shí)間較長(zhǎng)，且成本較高，一般僅適用于高機(jī)密場(chǎng)所的門禁應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述情況，本發(fā)明通過一種基于聲波數(shù)字通信的門禁系統(tǒng)及其控制方法，解決現(xiàn)有技術(shù)中存在無法同時(shí)實(shí)現(xiàn)識(shí)別距離較遠(yuǎn)、安全性高和低成本的問題。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案。

一種基于聲波數(shù)字通信的門禁系統(tǒng)，其特征在于，包括：

聲波數(shù)字發(fā)射端，用于將數(shù)據(jù)保密并形成聲波發(fā)射出去，包含：

保密數(shù)據(jù)幀單元，用于保密原始數(shù)據(jù)并形成保密數(shù)據(jù)幀，所述保密數(shù)據(jù)幀由同步碼、幀數(shù)據(jù)和校驗(yàn)碼依次串聯(lián)而成，所述幀數(shù)據(jù)由原始數(shù)據(jù)、時(shí)間戳和動(dòng)態(tài)保密附加碼依次串聯(lián)而成；

基帶波形單元，用于將保密數(shù)據(jù)幀根據(jù)預(yù)設(shè)調(diào)制波形而生成基帶復(fù)數(shù)序列；

數(shù)字載波發(fā)生器單元i，用于生成預(yù)存載波序列，所述載波序列為每周期n個(gè)點(diǎn)的cos(ωn)和sin(ωn)；

數(shù)字正交調(diào)制單元，用于將基帶波形單元所生成的基帶復(fù)數(shù)序列與數(shù)字載波發(fā)生器單元生成的載波進(jìn)行iq正交調(diào)制以生成發(fā)射幀序列；

d/a轉(zhuǎn)換單元，用于將數(shù)字正交調(diào)制單元生成的發(fā)射中序列經(jīng)過d/a轉(zhuǎn)換生成模擬發(fā)射信號(hào)；

聲波轉(zhuǎn)換單元，用于將模擬發(fā)射信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲波并發(fā)射出去；

聲波數(shù)字接收端，用于接收聲波并將聲波中包含的有效數(shù)據(jù)解密，包含：

聲波接收單元，用于將采集空氣中的原始聲波并轉(zhuǎn)換成接收模擬信號(hào)；

a/d轉(zhuǎn)換單元，用于將聲波接收單元生成的接收模擬信號(hào)經(jīng)過a/d轉(zhuǎn)換生成接收數(shù)字序列；

數(shù)字載波發(fā)生器單元ii，用于生成預(yù)存載波序列，所述載波序列為每周期n個(gè)點(diǎn)的cos(ωn)和sin(ωn)；

數(shù)字正交下變頻單元，用于將聲波接收單元生成的接收數(shù)字序列與數(shù)字載波發(fā)生器單元ii生成的預(yù)存載波序列進(jìn)行數(shù)字正交下變頻，生成接收基帶復(fù)數(shù)序列；

同步與解碼單元，用于將數(shù)字正交下變頻單元生成的接收基帶復(fù)數(shù)序列與預(yù)存的同步序列進(jìn)行物理層幀同步，在同步后判決并解碼，在進(jìn)行校驗(yàn)碼校驗(yàn)無誤后得到接收保密數(shù)據(jù)幀；

認(rèn)證與觸發(fā)單元，用于提取接收保密數(shù)據(jù)幀中的原始數(shù)據(jù)、時(shí)間戳和動(dòng)態(tài)保密附加碼，計(jì)算本地動(dòng)態(tài)保密附加碼，以及將本地動(dòng)態(tài)保密附加碼與接收到的動(dòng)態(tài)保密附加碼比對(duì)，并將比對(duì)結(jié)果發(fā)送至門鎖控制模塊；

門鎖控制模塊，用于根據(jù)聲波數(shù)字接收端的比對(duì)結(jié)果控制門鎖的開關(guān)，比對(duì)一致則開啟門鎖，反之則保持門鎖關(guān)閉。

進(jìn)一步地，所述動(dòng)態(tài)保密附加碼和本地動(dòng)態(tài)保密附加碼是由下列公式計(jì)算得到：

i＝(a*time+b*id)mod(2^31)；

其中，i為動(dòng)態(tài)保密附加碼，a和b均為常數(shù)，time為正序格式的14位時(shí)間戳，id為原始數(shù)據(jù)。

進(jìn)一步地，所述同步碼為32bit的pn碼。

進(jìn)一步地，所述校驗(yàn)碼為crc校驗(yàn)碼，優(yōu)選crc-16。

進(jìn)一步地，所述數(shù)字正交調(diào)制單元在將基帶波形單元所生成的基帶復(fù)數(shù)序列與數(shù)字載波發(fā)生器單元生成的載波進(jìn)行iq正交調(diào)制之前，還對(duì)基帶復(fù)數(shù)序列進(jìn)行高倍內(nèi)插處理。

進(jìn)一步地，所述聲波數(shù)字發(fā)射端還包括一功率調(diào)整單元，用于將d/a轉(zhuǎn)換單元生成的模擬信號(hào)進(jìn)行功率調(diào)整處理，并將處理后的模擬信號(hào)傳輸至聲波轉(zhuǎn)換單元。

進(jìn)一步地，所述聲波數(shù)字接收端還包括一放大濾波單元，所述放大濾波單元將聲波接收單元生成的接收模擬信號(hào)放大，之后進(jìn)行低通去噪，并將處理好的接收模擬信號(hào)傳輸至a/d轉(zhuǎn)換單元。

本發(fā)明所述的基于聲波數(shù)字通信的門禁系統(tǒng)利用聲波這一通訊媒介，通過聲波調(diào)制數(shù)字信息來攜帶與認(rèn)證信息，完成門禁系統(tǒng)的通訊過程。由于聲波頻率低，可以在mcu中實(shí)現(xiàn)聲波數(shù)字化收發(fā)而不需要額外硬件。此外，發(fā)射聲波還能利用人耳聽覺判定設(shè)備是否工作，也容易判斷聲波干擾源。與現(xiàn)有技術(shù)相比，基于聲波數(shù)字通信的門禁系統(tǒng)具有低成本、低功耗、抗干擾性好、安全性高和通信距離較遠(yuǎn)這些優(yōu)點(diǎn)。

附圖說明

圖1是根據(jù)本發(fā)明公開的基于聲波數(shù)字通信的門禁系統(tǒng)一種示例性的結(jié)構(gòu)框圖；

圖2是根據(jù)本發(fā)明公開的基于聲波數(shù)字通信的門禁系統(tǒng)一個(gè)實(shí)施例中聲波數(shù)字發(fā)射端的結(jié)構(gòu)框圖；

圖3是根據(jù)本發(fā)明公開的基于聲波數(shù)字通信的門禁系統(tǒng)一個(gè)實(shí)施例中聲波數(shù)字接收端的結(jié)構(gòu)框圖；

圖4是根據(jù)本發(fā)明公開的基于聲波數(shù)字通信的門禁系統(tǒng)中保密數(shù)據(jù)幀一種示例性的結(jié)構(gòu)圖；

圖5是根據(jù)本發(fā)明公開的基于聲波數(shù)字通信的門禁系統(tǒng)一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)框圖；

圖6是根據(jù)本發(fā)明公開的基于聲波數(shù)字通信的門禁系統(tǒng)一個(gè)實(shí)施例中數(shù)字載波發(fā)生器單元發(fā)生的載波信號(hào)；

圖7是根據(jù)本發(fā)明公開的基于聲波數(shù)字通信的門禁系統(tǒng)一個(gè)實(shí)施例中數(shù)字正交調(diào)制單元正交調(diào)制示意圖；

圖8是根據(jù)本發(fā)明公開的基于聲波數(shù)字通信的門禁系統(tǒng)一個(gè)實(shí)施例中數(shù)字正交下變頻單元正交下變頻示意圖；

圖9是根據(jù)本發(fā)明公開的基于聲波數(shù)字通信的門禁系統(tǒng)一個(gè)實(shí)施例中同步與解碼單元進(jìn)行同步序列滑動(dòng)處理時(shí)信號(hào)圖。

具體實(shí)施方式

下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，所述實(shí)施例的示例在附圖中示出。所述參考附圖描述的實(shí)施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能視為對(duì)本發(fā)明的限制。為了避免不必要地模糊所述實(shí)施例，本部分對(duì)一些本領(lǐng)域的公知技術(shù)，即對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是顯而易見的技術(shù)，未進(jìn)行詳細(xì)描述。

如圖1所示，一種基于聲波數(shù)字通信的門禁系統(tǒng)實(shí)施例1000，其特征在于，包括：

聲波數(shù)字發(fā)射端100，用于將數(shù)據(jù)保密并形成聲波發(fā)射出去，包含：

保密數(shù)據(jù)幀單元101，用于保密原始數(shù)據(jù)并形成保密數(shù)據(jù)幀，所述保密數(shù)據(jù)幀由同步碼、幀數(shù)據(jù)和校驗(yàn)碼依次串聯(lián)而成，所述幀數(shù)據(jù)由原始數(shù)據(jù)、時(shí)間戳和動(dòng)態(tài)保密附加碼依次串聯(lián)而成；

基帶波形單元102，用于將保密數(shù)據(jù)幀根據(jù)預(yù)設(shè)調(diào)制波形而生成基帶復(fù)數(shù)序列；

數(shù)字載波發(fā)生器單元i103，用于生成預(yù)存載波序列，所述載波序列為每周期n個(gè)點(diǎn)的cos(ωn)和sin(ωn)；

數(shù)字正交調(diào)制單元104，用于將基帶波形單元所生成的基帶復(fù)數(shù)序列與數(shù)字載波發(fā)生器單元生成的載波進(jìn)行iq正交調(diào)制以生成發(fā)射幀序列；

d/a轉(zhuǎn)換單元105，用于將數(shù)字正交調(diào)制單元生成的發(fā)射中序列經(jīng)過d/a轉(zhuǎn)換生成模擬發(fā)射信號(hào)；

聲波轉(zhuǎn)換單元106，用于將模擬發(fā)射信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲波并發(fā)射出去；

聲波數(shù)字接收端200，用于接收聲波并將聲波中包含的有效數(shù)據(jù)解密，包含：

聲波接收單元201，用于將采集空氣中的原始聲波并轉(zhuǎn)換成接收模擬信號(hào)；

a/d轉(zhuǎn)換單元202，用于將聲波接收單元生成的接收模擬信號(hào)經(jīng)過a/d轉(zhuǎn)換生成接收數(shù)字序列；

數(shù)字載波發(fā)生器單元ii203，用于生成預(yù)存載波序列，所述載波序列為每周期n個(gè)點(diǎn)的cos(ωn)和sin(ωn)；

數(shù)字正交下變頻單元204，用于將聲波接收單元生成的接收數(shù)字序列與數(shù)字載波發(fā)生器單元ii生成的預(yù)存載波序列進(jìn)行數(shù)字正交下變頻，生成接收基帶復(fù)數(shù)序列；

同步與解碼單元205，用于將數(shù)字正交下變頻單元生成的接收基帶復(fù)數(shù)序列與預(yù)存的同步序列進(jìn)行物理層幀同步，在同步后判決并解碼，在進(jìn)行校驗(yàn)碼校驗(yàn)無誤后得到接收保密數(shù)據(jù)幀；

認(rèn)證與觸發(fā)單元206，用于提取接收保密數(shù)據(jù)幀中的原始數(shù)據(jù)、時(shí)間戳和動(dòng)態(tài)保密附加碼，計(jì)算本地動(dòng)態(tài)保密附加碼，以及將本地動(dòng)態(tài)保密附加碼與接收到的動(dòng)態(tài)保密附加碼比對(duì)，并將比對(duì)結(jié)果發(fā)送至門鎖控制模塊；

門鎖控制模塊300，用于根據(jù)聲波數(shù)字接收端的比對(duì)結(jié)果控制門鎖的開關(guān)，比對(duì)一致則開啟門鎖，反之則保持門鎖關(guān)閉。

在本發(fā)明一些實(shí)施例中，聲波數(shù)字發(fā)射端中的保密數(shù)據(jù)幀單元、基帶波形單元、數(shù)字載波發(fā)生器單元和數(shù)字正交調(diào)制單元i，以及聲波數(shù)字接收端中的數(shù)字載波發(fā)生器單元ii、數(shù)字正交下變頻單元、同步與解碼單元和認(rèn)證與觸發(fā)單元，均可以通過對(duì)mcu編輯后在mcu內(nèi)實(shí)現(xiàn)。

在本發(fā)明一些實(shí)施例中，如圖2所示，聲波數(shù)字發(fā)射端400還包括一功率調(diào)整單元407，用于將d/a轉(zhuǎn)換單元生成的模擬信號(hào)進(jìn)行功率調(diào)整處理，并將處理后的模擬信號(hào)傳輸至聲波轉(zhuǎn)換單元。

在本發(fā)明一些實(shí)施例中，如圖3所示，聲波數(shù)字接收端500還包括一放大濾波單元507，所述放大濾波單元將聲波接收單元生成的接收模擬信號(hào)放大，之后進(jìn)行低通去噪，并將處理好的接收模擬信號(hào)傳輸至a/d轉(zhuǎn)換單元。

圖4為本發(fā)明為基于聲波數(shù)字通信的門禁系統(tǒng)中保密數(shù)據(jù)幀一種示例性的結(jié)構(gòu)圖，保密數(shù)據(jù)幀依次由同步碼、初始數(shù)據(jù)、時(shí)間戳、動(dòng)態(tài)保密附加碼和校驗(yàn)碼串聯(lián)而成，其中初始數(shù)據(jù)、時(shí)間戳和動(dòng)態(tài)保密附加碼組成幀數(shù)據(jù)。

結(jié)合一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例與圖5，更詳細(xì)描述本發(fā)明意圖。

一種基于聲波數(shù)字通信的門禁系統(tǒng)6000，其特征在于，包括：

聲波數(shù)字發(fā)射端600，用于將數(shù)據(jù)保密并形成聲波發(fā)射出去，包含：

保密數(shù)據(jù)幀單元601，用于由主控板mcu或cpu生成基于初始數(shù)據(jù)與時(shí)間戳的數(shù)據(jù)幀通過共享認(rèn)證算法生成動(dòng)態(tài)保密附加碼完成數(shù)據(jù)的保密，mcu產(chǎn)生32bit的初始數(shù)據(jù)，時(shí)間戳讀取rtc時(shí)鐘當(dāng)前時(shí)間數(shù)據(jù)，精確到秒，再由公式得到動(dòng)態(tài)保密附加碼：

i＝(a*time+b*id)mod(2^31)，

其中a，b在本實(shí)施例中均為常數(shù)65539,time為時(shí)間戳20170204174823(2017年2月4日17時(shí)48分23秒)，最終生成動(dòng)態(tài)保密附加碼，將幀數(shù)據(jù)幀頭添加同步序列pn碼，幀尾添加crc-16校驗(yàn)碼組成保密數(shù)據(jù)幀，同步碼采用32bit的優(yōu)選pn碼：

pn＝[-1,-1，1，1，-1，-1，1，-1，-1，1，1，1，1，-1，-1，1，1，1，1，1，1，1，-1，1，-1，-1，1，-1，1，-1，1，1]，

校驗(yàn)碼采用檢錯(cuò)能力強(qiáng)，開銷較小的crc-16校驗(yàn)碼；

基帶波形單元602，用于根據(jù)預(yù)設(shè)調(diào)制波形將bit流狀態(tài)的保密數(shù)據(jù)幀映射成基帶波形復(fù)數(shù)序列，mcu中本地預(yù)先存儲(chǔ)預(yù)調(diào)制波形，為方便區(qū)分同步碼和幀數(shù)據(jù)，同步碼采用原始pn碼波形，幀數(shù)據(jù)采用qam正交調(diào)制，形成iq復(fù)數(shù)序列，幀頭幀尾拼接同步碼與校驗(yàn)碼，形成基帶復(fù)數(shù)序列；

數(shù)字載波發(fā)生器單元i603，用于生成預(yù)存載波序列，所述載波序列為每周期n個(gè)點(diǎn)的cos(ωn)和sin(ωn)，可以在一定采樣頻率下，改變n值形成不同頻率的載波，本實(shí)施例將n賦值為12；

數(shù)字正交調(diào)制單元604，由于聲波通信頻率較低，可直接由主控板mcu產(chǎn)生不同頻率的載波信號(hào)，采用數(shù)字軟件方式完成對(duì)基帶復(fù)數(shù)序列的正交調(diào)制，形成發(fā)射幀序列：將基帶復(fù)數(shù)序列調(diào)制到數(shù)字載波發(fā)生器單元預(yù)先生成每周期12個(gè)點(diǎn)的cos(ωn)與sin(ωn)的i,q兩路載波上,i路信號(hào)與cos(ωn)相乘，q路信號(hào)與sin(ωn)相乘，之后再疊加，輸出i(n)cos(ωn)-q(n)sin(ωn)信號(hào)，生成發(fā)射幀序列；

d/a轉(zhuǎn)換單元605，用于將數(shù)字正交調(diào)制單元生成的發(fā)射中序列經(jīng)過d/a轉(zhuǎn)換生成模擬發(fā)射信號(hào)，根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景，優(yōu)選較高轉(zhuǎn)換速率，本實(shí)施例采用采用mcu內(nèi)置的12bit40ksps固定轉(zhuǎn)換速率d/a轉(zhuǎn)換器；

功率調(diào)整單元607，用于將d/a轉(zhuǎn)換單元生成的模擬信號(hào)進(jìn)行功率調(diào)整處理，并將處理后的模擬信號(hào)傳輸至聲波轉(zhuǎn)換單元；

聲波轉(zhuǎn)換單元606，本實(shí)施例考慮到發(fā)射端體積不宜太大和發(fā)射信號(hào)的頻率，選擇頻率特性為80～15khz的0.5w揚(yáng)聲器作為聲波轉(zhuǎn)換單元；

聲波數(shù)字接收端700，用于接收聲波并將聲波中包含的有效數(shù)據(jù)解密，包含：

聲波接收單元701，用于將采集空氣中的原始聲波并轉(zhuǎn)換成接收模擬信號(hào)，本實(shí)施例采用較寬頻段響應(yīng)mems麥克風(fēng)作為聲波接收單元；

放大濾波單元707，所述放大濾波單元將聲波接收單元生成的接收模擬信號(hào)放大，之后進(jìn)行低通去噪，并將處理好的接收模擬信號(hào)傳輸至a/d轉(zhuǎn)換單元；

a/d轉(zhuǎn)換單元702，用于將聲波接收單元生成的接收模擬信號(hào)經(jīng)過a/d轉(zhuǎn)換生成接收數(shù)字序列，本實(shí)施例中采用12bit40ksps固定轉(zhuǎn)換速率a/d轉(zhuǎn)換器；

數(shù)字載波發(fā)生器單元ii703，用于生成預(yù)存載波序列，所述載波序列為每周期n個(gè)點(diǎn)的cos(ωn)和sin(ωn)，本實(shí)施例將n賦值為12；

數(shù)字正交下變頻單元704，用于將a/d轉(zhuǎn)換單元生成的數(shù)字聲波形(即接收數(shù)字序列)在mcu中與載波發(fā)生器單元ii生成的i和q兩路載波信號(hào)數(shù)字正交下變頻：基帶接收數(shù)字信號(hào)一路乘以cos(ωn)再濾波，另一路乘以-sin(ωn)再濾波，生成接收基帶復(fù)數(shù)序列；

同步與解碼單元705，用于將下變頻之后的接收基帶復(fù)數(shù)序列進(jìn)行物理層幀同步碼判斷，接收基帶復(fù)數(shù)序列同步碼取一個(gè)周期的采樣信號(hào)與本地存儲(chǔ)的同步碼滑動(dòng)相關(guān)來完成，根據(jù)同步pn碼自相關(guān)特性，接收基帶復(fù)數(shù)序列中的同步碼與存儲(chǔ)的同步碼對(duì)齊時(shí)，相關(guān)值表現(xiàn)出一個(gè)峰值，相關(guān)峰搜索完成同步，同步碼判決后并解碼，進(jìn)行crc校驗(yàn)，校驗(yàn)無誤后得到保密數(shù)據(jù)幀；

認(rèn)證與觸發(fā)單元706，讀取保密數(shù)據(jù)幀中初始id和當(dāng)前時(shí)間戳，根據(jù)算法：i＝(a*time+b*id)mod(2^31)，其中a，b均為常數(shù)65539,time為時(shí)間戳20170204174823(2017年2月4日17時(shí)48分23秒)，生成本地保密動(dòng)態(tài)附加碼，將當(dāng)前生成的動(dòng)態(tài)附加碼與保密數(shù)據(jù)幀中的附加碼加以對(duì)比，并將比對(duì)結(jié)果發(fā)送至門鎖控制模塊；

門鎖控制模塊800，用于根據(jù)聲波數(shù)字接收端的比對(duì)結(jié)果控制門鎖的開關(guān)，比對(duì)一致則開啟門鎖，反之則保持門鎖關(guān)閉。