基于聲波認(rèn)證的手機(jī)簽到系統(tǒng)

姚宏偉　吳震東

摘 要：本系統(tǒng)主要使用一種基于聲波通信的技術(shù)實(shí)現(xiàn)手機(jī)認(rèn)證。傳統(tǒng)的簽到方式主要是人工登記，目前的簽到主要使用RFID技術(shù)、指紋識別。系統(tǒng)包括用于簽到的手機(jī)app、簽到接收端app，簽到服務(wù)器。用于簽到的手機(jī)，安裝有簽到系統(tǒng)軟件。文章對近場的通信現(xiàn)狀、系統(tǒng)原理和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：聲波認(rèn)證；手機(jī)簽到系統(tǒng)

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）12-0012-02

本系統(tǒng)主要使用一種基于聲波通信的技術(shù)實(shí)現(xiàn)手機(jī)認(rèn)證。傳統(tǒng)的簽到方式主要是人工登記，目前的簽到方式主要使用RFID技術(shù)、指紋識別。

系統(tǒng)包括用于簽到的手機(jī)app、簽到接收端app，簽到服務(wù)器。用于簽到的手機(jī)，安裝有簽到系統(tǒng)軟件，具體包括本機(jī)信息存儲模塊、錄音模塊、發(fā)聲子系統(tǒng)和接收簽到子系統(tǒng)。簽到終端和簽到手機(jī)相同，安裝有簽到系統(tǒng)軟件，該系統(tǒng)軟件具體包括本機(jī)信息存儲模塊、錄音模塊、發(fā)聲子系統(tǒng)和接收簽到子系統(tǒng)。簽到服務(wù)器內(nèi)置有將用戶標(biāo)識和位置信息關(guān)聯(lián)的程序，該程序具體包括簽到信息接收模塊、信息檢索模塊、簽到數(shù)據(jù)庫。

1 近場通信現(xiàn)狀

NFC技術(shù)已經(jīng)存在很多年，相對成熟，但是，仍然未能大規(guī)模在手機(jī)上應(yīng)用，支持近場通信需要更換設(shè)備所導(dǎo)致的高成本，一直是推廣近場通信的阻力。今天，幾乎所有售出的智能手機(jī)將采用該技術(shù)兼容。而相比NFC，超聲波方案更以低成本和兼容性顯示了突出的優(yōu)勢，目前市面上幾乎所有的iPhone，android和wphone手機(jī)無需升級改造均可以支持超聲波通信。

印度安全公司SlickLogin研發(fā)了一種使用電腦揚(yáng)聲器產(chǎn)生高頻聲音，通過手機(jī)的麥克風(fēng)接收并解碼的加密方式。2014年，該公司被google收購。除谷歌外，微軟研究院也在2013年8月，展示了類似的聲波技術(shù)，主要用于移動(dòng)傳輸文件功能。4年前，shopkick在大型超市實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)定位，后被證實(shí)正是應(yīng)用了超聲波技術(shù)。2年前Facebook收購的Tagtile也同樣利用了超聲波技術(shù)實(shí)現(xiàn)royalty的管理系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)原理

人能聽到的聲音在大約20～20 kHz范圍內(nèi)，此范圍外的任何頻率人類聽覺系統(tǒng)難以察覺。現(xiàn)有移動(dòng)設(shè)備一般能記錄和再現(xiàn)的聲音峰值頻率達(dá)到22 kHz。此限制是由這些設(shè)備的最大可能輸出采樣率44.1 kHz推得，實(shí)際可記錄范圍比峰值頻率略低。

采樣率表示了每秒對原始信號采樣的次數(shù)，我們常見到的音頻文件采樣率多為44.1 kHz，這意味著什么呢？假設(shè)我們有2段正弦波信號，分別為20 Hz和20 kHz，長度均為1 s，以對應(yīng)我們能聽到的最低頻和最高頻，分別對這兩段信號進(jìn)行40 kHz的采樣，我們可以得到的結(jié)果是：20 Hz的信號每次振動(dòng)被采樣了40 K/20=2 000次，而20 kHz的信號每次振動(dòng)只有2次采樣。顯然，在相同的采樣率下，記錄低頻的信息遠(yuǎn)比高頻的詳細(xì)。

本系統(tǒng)采用采樣率為44.1 kHz，采樣大小為16 bit、雙聲道的PCM編碼，數(shù)據(jù)速率為44.1 k×16×2=1 411.2 kbps。

聲波簽到系統(tǒng)運(yùn)行框圖如圖1所示。

運(yùn)行步驟為：

①簽到終端持續(xù)發(fā)送編碼的聲波（code）。

②當(dāng)簽到端機(jī)靠近簽到終端，手機(jī)端收到聲波，對聲波譯碼，將譯碼后碼字發(fā)送給簽到服務(wù)器認(rèn)證。

③簽到服務(wù)器收到認(rèn)證信息，檢測簽到終端節(jié)點(diǎn)（node）是否存在，如果存在，則向后臺數(shù)據(jù)庫寫入簽到數(shù)據(jù)、返回確認(rèn)，完成簽到。

3 關(guān)鍵技術(shù)

為了減小數(shù)據(jù)處理過程中的延遲現(xiàn)象，采取了實(shí)時(shí)音頻數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理技術(shù)，而不是像某些類似SDK中使用的技術(shù)那樣，先錄音得到一段音頻文件，然后再進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。具體到Android平臺上，使用AudioTrack模塊來搭建PCM音頻數(shù)據(jù)的采集管道，在管道的最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)上，對得到的PCM數(shù)據(jù)再進(jìn)行進(jìn)一步的處理。為了進(jìn)一步降低延遲，使用手機(jī)的DSP硬件來進(jìn)行快速傅里葉變換，具體到Android系統(tǒng)上，就是使Native相關(guān)內(nèi)置函數(shù)進(jìn)行音頻信號處理。

基于標(biāo)準(zhǔn)的2FSK，假如約定用1.6 kHz的音頻信號表示二進(jìn)制的0，用1.7 kHz的音頻信號表示二進(jìn)制的1，同時(shí)約定每一個(gè)bit持續(xù)的發(fā)送時(shí)間為100 ms，假設(shè)要發(fā)送一個(gè)8 bit的二進(jìn)制數(shù)據(jù)11 001 010（忽略同步和校驗(yàn)部分的bit），對于發(fā)送端來說，代碼邏輯相對簡單，只需要讓特定頻率的信號發(fā)送特定的時(shí)間就行了。但是對于接收端來說，代碼就較困難。雖然使用2FSK，但是并沒有專用的硬件來完成調(diào)制解調(diào)過程，所以要完全用代碼來模擬整個(gè)過程。這里面涉及到傅里葉變換、濾波等大量的數(shù)字信號處理內(nèi)容，經(jīng)上述處理完畢后，音頻信號轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制的0和1序列，進(jìn)入系統(tǒng)通信協(xié)議棧繼續(xù)處理。

舉個(gè)例子，對于十進(jìn)制數(shù)據(jù)12 345 678，轉(zhuǎn)換成頻率值后，可能就會是這樣的一組值（1.7 kHz，1.8 kHz，1.9 kHz，2.0 kHz，2.1 kHz，2.2 kHz，2.4 kHz，2.5 kHz），因?yàn)槊恳粋€(gè)bit對應(yīng)的頻率值都會發(fā)生變化，那么接收端就可以忽略每個(gè)bit持續(xù)的時(shí)間，只需要檢測出每一次頻率值發(fā)生變化就行了，每一次變化后得到的數(shù)值，就可以對應(yīng)到當(dāng)前的bit位的值。使用這種調(diào)制解調(diào)的思路，接收端的代碼處理相對容易。

4 結(jié) 語

我們對聲波檢查采樣，提取其中的頻率。在一個(gè)波周期，簽到終端發(fā)送一系列相同頻率的正弦波，并且相對穩(wěn)定誤差較小，波周期與波周期的間隔起伏明顯。

系統(tǒng)簽到端收到聲源信息的結(jié)果如圖2所示。從兩個(gè)手機(jī)截圖可以看出，左側(cè)手機(jī)發(fā)送的信息，被右側(cè)手機(jī)識別了，識別后即可進(jìn)行簽到驗(yàn)證。

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