声学通信系统

1.本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种声学通信系统。


背景技术：

2.智能家居在近些年来得到了长足的发展。许多家电设备被接入互联网，也因此被赋予了很多有趣的功能，从而提高了用户体验。不仅仅用户可以远程地控制这些家电设备，而且这些家电设备本身也可以互相协作提供一个全面、无缝的智能家居服务。
3.相关技术中，通常在普通的家电设备中增加通信模块，例如增加蓝牙模块或者wifi模块等，以实现家电设备的联网。
4.但上述相关技术中，需要增加通信模块，从而提高了家电设备联网的成本。


技术实现要素：

5.针对现有技术存在的问题，本发明提供一种声学通信系统。
6.本发明提供一种声学通信系统，包括带有电机的发送设备和带有声音接收模块的智能接收设备；
7.所述发送设备，用于基于所述发送设备的随机脉冲宽度调制rpwm符号调制所述电机的输入电压，以使所述电机产生与所述rpwm符号对应的声学信号；其中，所述声学信号是由电磁引起的；
8.所述智能接收设备，用于通过所述声音接收模块接收所述声学信号，并基于所述声学信号和所述rpwm符号确定所述发送设备的传输信息。
9.根据本发明提供的一种声学通信系统，所述rpwm符号包括多个方波，每个所述方波的占空比为预设值，每个所述方波的切换周期是伪随机的。
10.根据本发明提供的一种声学通信系统，所述发送设备，具体用于基于一个所述rpwm符号调制所述电机的输入电压，以使所述电机产生与所述rpwm符号对应的声学信号；
11.所述智能接收设备，具体用于通过所述声音接收模块接收所述声学信号，并在确定所述声学信号与所述rpwm符号匹配时，确定所述传输信息为所述发送设备的心跳。
12.根据本发明提供的一种声学通信系统，所述发送设备，具体用于基于传输信息确定所述rpwm符号的发送数量和每个所述rpwm符号之间的时间间隔，并按照每个所述时间间隔，基于所述发送设备的rpwm符号调制所述电机的输入电压，以使所述电机产生多个与所述rpwm符号对应的声学信号；
13.所述智能接收设备，具体用于通过所述声音接收模块接收多个所述声学信号，从多个所述声学信号的时间戳中提取每个所述时间间隔，基于每个所述时间间隔解码数据比特信息，并基于所述数据比特信息确定所述传输信息。
14.根据本发明提供的一种声学通信系统，所述发送设备，具体用于基于所述传输信息确定每个所述rpwm符号之间的目标系数，并基于公式(1)确定每个所述rpwm符号之间的所述时间间隔；
15.t
interval
＝t
min
kδ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
16.其中，所述t
interval
表示每个所述rpwm符号之间的所述时间间隔，t
min
表示所述rpwm符号之间的最小间隔时间，k表示所述目标系数，k的取值范围为[0,2n)的整数，n表示每个所述时间间隔编码的比特位数，δ表示时间粒度。
[0017]
根据本发明提供的一种声学通信系统，所述智能接收设备，具体用于基于每个所述时间间隔和所述公式(1)确定所述目标系数，并基于所述目标系数和所述比特位数确定对应时间间隔的数据比特信息，并基于每个所述数据比特信息确定所述传输信息。
[0018]
根据本发明提供的一种声学通信系统，所述发送设备的数量为多个，且每个所述发送设备的rpwm符号均不同。
[0019]
根据本发明提供的一种声学通信系统，所述发送设备包括第一处理器、电源模块、驱动模块和所述电机；所述电源模块通过所述驱动模块与所述电机连接，所述第一处理器与所述驱动模块连接；
[0020]
所述第一处理器，用于基于所述rpwm符号控制所述驱动模块来调制所述电机的输入电压，以使所述电机产生与所述rpwm符号对应的声学信号。
[0021]
根据本发明提供的一种声学通信系统，所述智能接收设备包括第二处理器和所述声音接收模块；所述声音接收模块与所述第二处理器连接；
[0022]
所述声音接收模块，用于接收所述声学信号，并将所述声学信号转换为电信号后发送至所述第二处理器；
[0023]
所述第二处理器，用于基于所述电信号和所述rpwm符号确定所述发送设备的传输信息。
[0024]
根据本发明提供的一种声学通信系统，所述声音接收模块包括线性麦克风阵列。
[0025]
本发明提供的一种声学通信系统，包括带有电机的发送设备和带有声音接收模块的智能接收设备，发送设备基于rpwm符号调制电机的输入电压，以使电机产生与rpwm符号对应的声学信号；智能接收设备通过声音接收模块接收发送设备的声学信号，并基于声学信号和rpwm符号确定发送设备的传输信息。可知，本发明是通过声学信号间接地将带有电机的发送设备连入互联网，无需发送设备额外增加通信模块，从而降低了联网成本。
附图说明
[0026]
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0027]
图1是本发明提供的直流电机的结构示意图；
[0028]
图2是本发明提供的电压与电磁引起的声学信号的示意图；
[0029]
图3是本发明提供的声学通信系统的结构示意图；
[0030]
图4是本发明提供的rpwm符号的示意图；
[0031]
图5是本发明提供的发送设备的原理示意图；
[0032]
图6是本发明提供的智能接收设备的原理示意图。
具体实施方式
[0033]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0034]
首先介绍电机的声学特性，以直流电机为例，图1是本发明提供的直流电机的结构示意图，直流电机主要由定子和转子两部分组成。其中，定子有两个极性不同的磁铁产生一个固定的磁场；转子配有线圈，这个线圈通电的时候，则会产生一个电磁场。这样，定子的磁场和转子的磁场就会互相吸引或排斥，使得直流电机转动。线圈一般会通过电刷连接电流，从而在转动的过程中不断切换电流方向进而切换电磁场方向，从而保证直流电机以相同的方向转动。
[0035]
电机转动的时候将会产生两个类型的声音：机械引起的声音和电磁引起的声音。其中，机械引起的声音主要由转子的不平衡和电刷引起的：一方面，转子的惯性轴与其几何轴之间的不对齐将使电机的支撑结构振动并产生声音；另一方面，电刷和转子之间的摩擦也会产生声音。电磁引起的声音主要由电压变化引起的：定子上的磁铁产生静磁场，转子上的线圈产生受电压控制的动态磁场，这两个磁场会使定子和转子相互吸引或排斥，从而进一步引起电动机的轻微变形和振动，进而产生声音。
[0036]
本发明调制电磁引起的声音以发送声学信号，而机械引起的声音对我们而言是噪声。原因如下：
[0037]
1、鉴于电机正常的工作不能受影响的限制，我们只能调制电磁引起的声音，而不能调制机械引起的声音。与电机旋转高度相关的机械信号相比，电磁引起的声音几乎不受旋转影响。此特性为我们提供了调制的空间，而不会干扰电机的正常旋转。
[0038]
2、即使我们可以调制机械引起的声音，机械引起的声音也比电磁引起的信号更难以预测和控制。这是因为旋转速度随着施加到电机上的负载(或力)而变化，而负载是不可预测的、动态的(例如，施加到牙刷上的力)。因此，旋转和其产生的机械声音是不可预测的。而电磁引起的声音仅由电压确定，只要电压是确定性的，声音信号就是确定性的。
[0039]
另外，为了进一步理解电磁引起的声音和电压的关系，图2是本发明提供的电压与电磁引起的声学信号的示意图，如图2所示，横坐标代表时间，纵坐标代表幅度(amp)，电压在上升沿和下降沿的时刻会在音频中引入尖峰。以上升沿为例进行解释说明原因：在电压接通的时刻，会产生电磁力并引起电机一定程度的形变，这种变形的突然出现就像是电机受到一下物理的敲击，从而发出声音；类似地，当电压关闭时(下降沿)，变形会突然消失，也表现为像是电机受到物理的敲击，从而发出声音。
[0040]
下面结合图3-图6描述本发明的声学通信系统。
[0041]
图3是本发明提供的声学通信系统的结构示意图，如图3所示，该声学通信系统包括带有电机的发送设备和带有声音接收模块的智能接收设备。
[0042]
所述发送设备，用于基于所述发送设备的随机脉冲宽度调制(random pulse width modulation，rpwm)符号调制所述电机的输入电压，以使所述电机产生与所述rpwm符号对应的声学信号；其中，所述声学信号是由电磁引起的；
[0043]
所述智能接收设备，用于通过所述声音接收模块接收所述声学信号，并基于所述
声学信号和所述rpwm符号确定所述发送设备的传输信息。
[0044]
其中，发送设备可以为家电设备，智能接收设备可以为带有声音接收模块的联网设备，例如，智能音箱；而且智能音箱不仅仅实现了联网，同时还拥有一个“永远在线”的声音接收模块(例如，麦克风)，所以，智能音箱可以充当一个网关的角色，可以接收家电设备发送的声学信号，并将声学信号解码得到的发送设备的传输信息中继至互联网，从而间接地将家电设备连入互联网，帮助这些发送设备在声学信道广播信息。另外，由于目前大部分家电设备均配置有电机，所以本发明的声学通信系统的应用范围较广。
[0045]
需要说明的是，本发明的所述发送设备的数量为多个，且每个所述发送设备的rpwm符号均不同。
[0046]
需要说明的是，带有电机的发送设备可以是带有直流电机的发送设备，也可以是带有交流电机的发送设备，本发明对此不作限定。
[0047]
需要说明的是，本发明的发送设备还可以为除家电设备之外的其他带有电机的设备，本发明对此不作限定。
[0048]
本发明提供的一种声学通信系统，包括带有电机的发送设备和带有声音接收模块的智能接收设备，发送设备基于rpwm符号调制电机的输入电压，以使电机产生与rpwm符号对应的声学信号；智能接收设备通过声音接收模块接收发送设备的声学信号，并基于声学信号和rpwm符号确定发送设备的传输信息。可知，本发明是通过声学信号间接地将带有电机的发送设备连入互联网，无需发送设备额外增加通信模块，从而降低了联网成本。
[0049]
可选地，图4是本发明提供的rpwm符号的示意图，如图4所示，所述rpwm符号包括多个方波，每个所述方波的占空比为预设值，每个所述方波的切换周期是伪随机的。
[0050]
示例地，rpwm是常见的pwm调制信号的扩展，如图4所示，横坐标代表时间(time)，纵坐标代表幅度(amp)，rpwm符号的每个方波都是随机的，具体而言，每一个rpwm符号由《a,t》定义；其中，a＝{α1,α2,α3…
}用于定义每个方波的占空比(即状态1在一个方波周期中的占比)，而t＝{t1,t2,t3…
}用于定义每个方波的切换周期。本发明a中的每个占空比为一个预设值，具体预设值可根据实际需求进行设定，t中的每个切换周期是伪随机的。
[0051]
在实际应用中，为每个发送设备(家电设备)分配一个唯一识别码(identity document，id)，作为发送设备的r-pwm符号生成的随机种子，该随机种子用于生成一连串的切换周期，即{t1,t2,t3…
}。其中，ti可以均匀分布于最小切换周期t
min
和最大切换周期t
max
之间，也可以随机分布在最小切换周期t
min
和最大切换周期t
max
之间。这样每个发送设备按照其特定的rpwm符号调制其电机的电压。
[0052]
在本发明中，在每个发送设备的rpwm符号中，由于方波的周期不是一个固定的值，是随机的，则相应的切换频率也是随机的，所以最终生成的声学信号的频率不再集中于特定的值，而是分散在特定的区间内。从而，对于人耳而言，特别敏感的声学信号得到了很大程度的抑制，经过rpwm方式调制的电磁声音更接近白噪声，更不容易被人耳察觉，从而降低了对用户的干扰。
[0053]
另外，通常电机的工作模式主要通过调整电机转速来实现的，不同的转速对应于不同的工作模式。而电机的转速直接由电机的输入有效电压决定。本发明提出的rpwm调制方式，允许动态地调整有效电压，从而允许动态地调整电机的工作模式。这是因为有效电压只与rpwm的占空比有关，而与切换周期无关。在实际声学通信过程中，占空比可以在线地被
调整而不会中断通信。因此，本发明支持电机的多个工作模式，以及在这些工作模式之间的切换。
[0054]
而且，由不同随机种子产生的rpwm符号在统计意义上是彼此正交的。类似于码分多址的原理，所以多个发送设备可以并发传输，同时智能接收设备能够分别解码每个发送设备的传输信息。
[0055]
可选地，所述发送设备，具体用于基于一个所述rpwm符号调制所述电机的输入电压，以使所述电机产生与所述rpwm符号对应的声学信号；
[0056]
所述智能接收设备，具体用于通过所述声音接收模块接收所述声学信号，并在确定所述声学信号与所述rpwm符号匹配时，确定所述传输信息为所述发送设备的心跳。
[0057]
示例地，发送设备基于rpwm符号来开启电机和关闭电机，使得电机在开启和关闭的时候产生声音，从而得到与rpwm符号对应的声学信号，智能音箱可以通过声音接收模块接收到该声学信号，并将接收到的声学信号与预先存储的发送设备的rpwm符号进行匹配，具体匹配过程为：首先将rpwm符号归一化为[-1,1]，然后将每个归一化符号作为模板，将该模板与接收到的声学信号进行互相关运算，得到绝对相关值；再测量绝对相关值的均值(μ)和标准差(σ)，并将检测阈值设置为高于均值的五个标准差(即，检测阈值为μ 5σ)。若绝对相关值大于检测阈值，则确定检测到此rpwm符号，如果检测到一个rpwm符号，则说明传输的声学信号是发送设备是开启的，从而确定传输信息为发送设备的心跳；另外，智能接收设备在确定传输信息为发送设备的心跳时，还可以输出一个三元组信息：《设备id，时间戳，开启》，其中，设备id为发送设备的id，与发送设备的rpwm符号对应；时间戳为智能接收设备接收到发送设备传输的声学信号的时间；开启表示传输信息为发送设备处于开启状态，也就是发送设备的心跳。
[0058]
基于智能接收设备解码得到发送设备的心跳，可以确定发送设备的工作时间；例如，发送设备为电动牙刷，可以基于电动牙刷发送第一个rpwm符号对应的声学信号的时间和发送最后一个rpwm符号对应的声学信号的时间来确定电动牙刷的工作时间。
[0059]
可选地，所述发送设备，具体用于基于传输信息确定所述rpwm符号的发送数量和每个所述rpwm符号之间的时间间隔，并按照每个所述时间间隔，基于所述发送设备的rpwm符号调制所述电机的输入电压，以使所述电机产生多个与所述rpwm符号对应的声学信号；
[0060]
所述智能接收设备，具体用于通过所述声音接收模块接收多个所述声学信号，从多个所述声学信号的时间戳中提取每个所述时间间隔，基于每个所述时间间隔解码数据比特信息，并基于所述数据比特信息确定所述传输信息。
[0061]
进一步地，所述发送设备，具体用于基于所述传输信息确定每个所述rpwm符号之间的目标系数，并基于公式(1)确定每个所述rpwm符号之间的所述时间间隔；
[0062]
t
interval
＝t
min
kδ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0063]
其中，所述t
interval
表示每个所述rpwm符号之间的所述时间间隔，t
min
表示所述rpwm符号之间的最小间隔时间，k表示所述目标系数，k的取值范围为[0,2n)的整数，n表示每个所述时间间隔编码的比特位数，δ表示时间粒度，δ的取值可以为1毫秒(ms)，t
min
的设定是为了避免rpwm符号之间的重叠，t
min
的取值可以为t0表示所述rpwm符号的长度，例如，rpwm符号的长度为0.25秒(s)。
[0064]
进一步地，所述智能接收设备，具体用于基于每个所述时间间隔和所述公式(1)确定所述目标系数，并基于所述目标系数和所述比特位数确定对应时间间隔的数据比特信息，并基于每个所述数据比特信息确定所述传输信息。
[0065]
示例地，一个发送设备可以按照时间间隔发送多个连续的rpwm符号，这些rpwm符号的时间间隔用于编码数据比特信息，也就是说，智能接收设备可以输出该发送设备的多个心跳；而为了获取每个时间间隔编码的数据比特信息，智能接收设备的声音接收模块在接收到发送设备传输的连续的多个声学信号时，将每个声学信号均与该发送设备的rpwm符号进行匹配，在确定每个声学信号均与该发送设备的rpwm符号均匹配时，依次从多个心跳的时间戳中提取时间间隔，并从这些时间间隔中解码数据比特信息，然后，智能接收设备也可以输出三元组形式的消息：《设备id，时间戳，数据比特信息》。
[0066]
下面以发送设备为血压计、智能接收设备为智能音箱为例来说明本发明的声学通信系统：
[0067]
血压计在测量血压完成后，获取当前测量结果，将当前测量结果作为血压计需要向智能音箱发送的传输信息，则血压计需要根据当前测量结果来确定需要连续发送rpwm符号的个数，并确定每个rpwm符号之间的时间间隔；例如血压计的当前测量结果为60毫米汞柱(mm hg)，60转化为二进制为111100，假设n＝3，则可以确定连续发送rpwm符号的个数为3，3个rpwm符号之间有两个时间间隔，第一个时间间隔编码111，对应的k的取值为7，则第一个时间间隔第二个时间间隔编码100，对应的k的取值为4，则第二个时间间隔在确定第一个时间间隔和第二个时间间隔后，按照第一个时间间隔和第二个时间间隔来发送每个rpwm符号对应的声学信号；则智能音箱可以接收到3个rpwm符号对应的声学信号，然后确定3个rpwm符号之间的第一个时间间隔和第二个时间间隔，并基于公式t
interval
＝t
min
kδ计算得出第一个时间间隔对应的k＝7，由于n＝3，则可以得出从第一个时间间隔解码得到的数据比特信息为111，第二个时间间隔对应的k＝4，则可以得到从第二个时间间隔解码得到的数据比特信息为100，最后将两个时间间隔的数据比特信息进行组合，得到111100，最终解码得到传输信息为60。
[0068]
下面再以发送设备为电动剃须刀、智能接收设备为智能音箱为例来说明本发明的声学通信系统：
[0069]
假设1代表电动剃须刀需要清洁，0代表电动剃须刀需要更换，n＝3，若电动剃须刀需要清洁时，1转化为二进制为001，则可以确定连续发送rpwm符号的个数为2，2个rpwm符号之间有一个时间间隔，该时间间隔编码001，对应的k的取值为1，则该时间间隔在确定时间间隔后，按照时间间隔来发送2个rpwm符号对应的声学信号；则智能音箱可以接收到2个rpwm符号对应的声学信号，然后确定2个rpwm符号之间的时间间隔，并基于公式t
interval
＝t
min
kδ计算得出时间间隔对应的k＝1，由于n＝3，则可以得出从时间间隔解码得到的数据比特信息为001，与清洁对应，也就是最终解码得到电动剃须刀的传输信息为需要清洁电动剃须刀。
[0070]
需要说明的是，本发明提供的声学通信系统还可以编解码其他传输信息，具体编解码原理可参考上述针对电动剃须刀和血压计的编解码原理，在此不再赘述。
[0071]
可选地，图5是本发明提供的发送设备的原理示意图，如图5所示，所述发送设备包括第一处理器、电源模块、驱动模块和所述电机；所述电源模块通过所述驱动模块与所述电机连接，所述第一处理器与所述驱动模块连接。
[0072]
所述第一处理器，用于基于所述rpwm符号控制所述驱动模块来调制所述电机的输入电压，以使所述电机产生与所述rpwm符号对应的声学信号。
[0073]
示例地，第一处理器可以为seeeduino xiao，驱动模块可以为l298n，电源模块可以提供6v直流电压，seeeduino xiao有两个gpio引脚连接到l298n模块，seeeduino xiao可以基于rpwm符号通过切换引脚的状态来打开和关闭电机，以调制电机的声学信号。
[0074]
可选地，图6是本发明提供的智能接收设备的原理示意图，如图6所示，所述智能接收设备包括第二处理器和所述声音接收模块；所述声音接收模块与所述第二处理器连接。
[0075]
所述声音接收模块，用于接收所述声学信号，并将所述声学信号转换为电信号后发送至所述第二处理器；
[0076]
所述第二处理器，用于基于所述电信号和所述rpwm符号确定所述发送设备的传输信息。
[0077]
其中，所述声音接收模块包括线性麦克风阵列。
[0078]
示例地，线性麦克风阵列可以为respeaker 4-mic，第二处理器可以为raspberry pi，respeaker 4-mic线性阵列以24千赫兹(khz)的采样率接收声学信号，并通过raspberry pi上运行软件来检测和解码传输信息。
[0079]
另外，软件部分的信号处理是用python编写的，使用滑动窗口方法流式处理声学信号。为了确保滑动窗口可以覆盖整个rpwm符号，我们将窗口长度设置为1.25个rpwm符号长度。由于rpwm符号边界未知，窗口采用重叠的方式来滑动，滑动的步进大小可以为0.25个rpwm符号长度。
[0080]
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
[0081]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。