一种超声波定位装置制造方法
【专利摘要】一种超声波定位装置，所述超声波定位装置适于与移动装置进行超声波通信，所述超声波定位装置包括：存储器，用于存储所述超声波定位装置的唯一标识符和频率调制信息；处理器，生成包含所述唯一标识符的数据帧，所述数据帧包括报头部分和数据部分；频率生成单元，根据所述频率调制信息将所述数据帧转换为频率信号；信号放大和滤波单元，对所述频率信号进行放大并且进行滤波，将经过滤波的频率信号加载到超声波换能器；以及超声换能器，将频率信号转换为超声波信号，并且发射所述超声波信号。
【专利说明】一种超声波定位装置
【技术领域】
[0001]一般地，本申请涉及通信定位领域，并且具体地，涉及用于对手机等智能移动通讯设备进行超声波定位的装置。
【背景技术】
[0002]目前，非常广泛地使用的定位技术包括GPS定位。GPS定位系统由地面主控站收集各监测站的观测资料和气象信息，计算各卫星的星历表及卫星钟改正数，按规定的格式编辑导航电文，通过地面上的注入站向GPS卫星注入这些信息。测量定位时，用户可以利用接收机的储存星历得到各个卫星的粗略位置。GPS定位系统又被称为GPRS，GPS定位系统通过在各种终端中内置能够进行通信的芯片，通过手机信号传输到后台，来实现定位，GPS终端就是这个后台，可以帮你实现一键导航、后台服务、等各种人性服务。GPS定位系统随着社会的发展被应用到越来越多的行业，它起到前期监督，后期管理的作用，统一分配，便于管理，提高我们的工作效率，降低成本。
[0003]然而，当终端设备进入信号较弱的位置(例如，建筑物)时，GPS定位系统通常难以确定终端设备的准确位置。因此，需要利用其他定位技术来应对通信信号较弱的情况。
[0004]微机电系统(MEMS)技术的出现使得智能手机等智能终端对声音信号高感知和高灵敏性成为可能。目前市场上以IPhone和Android等为主的智能手机和平板电脑等设备基本都采用MEMS工艺的麦克风，结合这些智能设备普遍都具有的自动增益控制功能，使得智能设备的声音感知能力大大提高，而其优异的接收特性使得接收低频超声波的可能成为现实。
[0005]因此，利用智能终端对携带广播地址的超声波进行接收、处理并还原其地址信息，可以获得终端的精确位置信息。本申请可以广泛适用于室内定位系统，以及其它GPS等无法使用的场合。相比较于传统的定位方法，超声波定位方法简单、快捷，不需要额外的硬件的特点，也不像WiF1、蓝牙等方法需要输入密码等鉴权等操作。使用本申请的低价格的超声波发射装置，可以获得易于普及的快速定位及与位置相关的应用。
【发明内容】
[0006]为了解决现有技术中的问题，提出一种超声波定位装置，所述超声波定位装置适于与移动装置进行超声波通信，所述超声波定位装置包括:
[0007]存储器，用于存储所述超声波定位装置的唯一标识符和频率调制信息；
[0008]处理器，生成包含所述唯一标识符的数据帧，所述数据帧包括报头部分和数据部分；
[0009]频率生成单元，根据所述频率调制信息将所述数据帧转换为频率信号；
[0010]信号放大和滤波单元，对所述频率信号进行放大并且进行滤波，将经过滤波的频率信号加载到超声波换能器；以及
[0011]超声换能器，将频率信号转换为超声波信号，并且发射所述超声波信号。
[0012]优选地，所述终端装置利用麦克风接收所述超声波信号，将所述超声波信号转换为频率信号，并且将所述频率信号转换为数据帧，从所述数据帧中获取超声波定位装置的唯一标识符。
[0013]优选地，所述终端装置将所述超声波定位装置的唯一标识符发送给服务器，所述服务器根据所述超声波定位装置的唯一标识符确定所述超声波定位装置的物理地址。
[0014]优选地，所述服务器将所述超声波定位装置的物理地址发送给所述终端装置，所述终端装置根据所述超声波定位装置的物理地址确定所述终端装置的当前位置。
[0015]优选地，其中报头部分包括31比特的伪随机码，以用作帧同步信号，并且所述数据部分包括地址编码和校验码，其中所述地址编码为32比特且所述校验码为16比特。
[0016]优选地，其中所述超声波信号的频率范围为20KHz至22KHz，和/或利用带有EEPROM的单片机来产生频率为H)=20.5KHz和Fl=21.5KHz的方波信号。
[0017]优选地，其中使用频移键控来调制超声波信号。
[0018]优选地，所述处理器还具有输入/输出单元。
[0019]优选地，所述数据帧包括N个比特，其中N是大于81的整数。
[0020]优选地，其中根据所述频率调制信息将所述数据帧转换为频率信号包括:将数据帧的每个比特转换为频率信号。在这种情况下，根据所述频率调制信息将所述数据帧中所有比特(至少82个比特)一起转换为频率信号，并且利用信号放大和滤波单元对所述频率信号进行放大并且进行滤波，将经过滤波的频率信号加载到超声波换能器，然后通过超声换能器将频率信号转换为超声波信号，并且发射所述超声波信号。
[0021]优选地，其中根据所述频率调制信息将所述数据帧转换为频率信号包括:按顺序分别将数据帧的N个比特中的每η个比特转换为频率信号，其中η为1、2、3、4或5，其中当N个比特中未转换的剩余比特不足η个时，用填充比特进行填充。
[0022]在η为I的情况下，根据所述频率调制信息将所述数据帧中所有比特(至少82个比特)中的每个比特按顺序分别转换为频率信号，并且每次转换一个比特为频率信号时，利用信号放大和滤波单元对所述频率信号进行放大并且进行滤波，将经过滤波的频率信号加载到超声波换能器，然后通过超声换能器将频率信号转换为超声波信号，并且发射所述超声波信号。随后，将下一比特转换为频率信号，并且重复上述放大、滤波、加载、转换和发射过程，直到所有比特均进行了相应处理之后才结束。
[0023]优选地，当数据帧包括82个比特，并且每次将2个比特转换为频率信号时，需要进行41次转换。
[0024]根据一个实施方式，提出一种用于智能移动通讯设备定位的低频超声波定位系统，所述定位系统包括:超声波发射设备，具有唯一的标识符并且所述标识符与物理地址相关联，所述超声波发射装置能够产生包括所述标识符的数据帧，并且根据频率调制信息将所述数据帧转换为频率信号，然后将所述频率信号转换为超声波信号，并将超声波信号进行发射；超声波接收设备，接收超声波信号并且将超声波信号转换为频率信号，根据频率解调制信息将所述频率信号转换为数据帧，并且从数据帧中提取标识符，将所述标识符发送给服务器；以及服务器，根据所述标识符确定所述超声波定位装置的物理地址，将所述物理地址发送给超声波接收设备。从而实现了超声波接收设备的精确定位功能。
[0025]本申请能够实现如下有益效果:
[0026]本申请利用超声波发射装置产生的低频超声波，使用移动智能终端的音频接收功能接收并分析该信号，获得超声波发射装置的唯一标识符。智能终端将该唯一标识符通过网络进行确认，进而获得移动智能终端的定位以及信息交换。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]已经大致地描述了本申请，现在参照附图，其不必按照规定比例绘制，其中:
[0028]图1示出了根据本申请优选实施方式的超声波定位示意图；
[0029]图2示出了根据本申请优选实施方式的发送超声波的示意图；
[0030]图3示出了根据本申请优选实施方式的信号放大和滤波单元的电路原理图；以及
[0031]图4示出根据本申请优选实施方式的超声波定位装置的示意图。
【具体实施方式】
[0032]以下，参照附图更完整地描述本申请实施方式，在附图中，示出本申请的一些实施方式，而并非所有实施方式。当然，本申请的各种实施例可通过许多不同形式实现，并且不应理解为限制为这里阐述的实施方式；而是，提供这些实施方式使得所述公开内容将满足可适用的合法要求。其中类似的标号表示类似的元素。其中，术语“数据”、“内容”、“信息”和类似术语可交换使用，以表示能够根据本申请实施方式发送、接收和/或存储的数据。因此，任意这样术语的使用不应被用来限制本申请实施方式的精神和范围。
[0033]此外，如这里使用的，术语“电路”指的是(a)仅硬件电路方案(例如用模拟电路和/或数字电路的方案);(b)包括在一个或多个计算机可读存储器上存储的软件和/或固件指令的电路和计算机程序产品的组合，其在一起工作以使得正在执行这里所述的一个或多个功能；以及(C)需要用于操作的软件或固件(即使软件或固件非物理存在)的电路，例如微处理器或微处理器的一部分。“电路”的这个定义应用于在此，包括任意权利要求，对这个术语的所有使用。作为其他实例，这里，术语“电路”还包括含有一个或多个处理器和/或其部分以及伴随软件和/或固件的方案。作为另一实例，这里使用的术语“电路”还包括，例如用于移动电话的基带集成电路或应用处理器集成电路，或服务器、蜂窝网络设备、其他网络设备、和/或其他计算设备中的类似集成电路。
[0034]如此处定义的，指代物理存储介质(例如，易失性或非易失性存储器设备)的“计算机可读存储介质”，可能与指代电磁信号的“计算机可读传输介质”不同。
[0035]图1示出了根据本申请优选实施方式的超声波定位示意图。如图1所示，超声波定位系统包括:超声波定位装置、终端装置和服务器。优选地，所述超声波定位装置属于低功耗设备，并且能够长时间持续地向周围发射超声波信号。并且进一步地如图4所示，图4示出根据本申请优选实施方式的超声波定位装置的示意图。所述超声波定位装置可以包括但不限于，存储器、处理器、频率生产单元、信号放大和滤波单元以及超声换能器。优选地，超声波定位装置还可以包括输入/输出单元、模数转换单元、数模转换单元等。优选地，存储器可以是各种类型的存储设备，例如，易失性存储器和非易失性存储器等。所述存储器用于存储所述超声波定位装置的唯一标识符和频率调制信息。其中，所有的超声波定位装置的标识符是唯一的且各不相同的。优选地，所述标识符与超声波定位装置的物理地址相关联。优选地，在服务器中存储标识符与物理地址的对应关系。
[0036]优选地，处理器可以是能够进行数据处理的通用处理器或专用处理器。处理器，用于生成包含超声波定位装置的标识符的数据帧。优选地，所述数据帧包括报头部分和数据部分。关于所述数据帧的具体内容将在下面进行详细介绍。优选地，频率生成单元，根据存储器中存储的频率调制信息将所述数据帧转换为频率信号。关于所述频率调制信息的具体内容将在下面进行详细介绍。优选地，信号放大和滤波单元，对频率生成单元生成的频率信号进行放大并且进行滤波，将经过滤波的频率信号加载到超声波换能器。优选地，超声波换能器用于将频率信号转换为超声波信号，并且向超声波定位装置的周围发射所述超声波信号。优选地，所述超声波换能器可以是扬声器。
[0037]根据本申请的优选实施方式，终端装置可以是能够运行和存储各种应用的任意类型设备，例如个人数字助理(PDA)、智能手机、平板计算机、无线电话、移动计算设备、照相机、视频记录器、音频/视频播放器、定位设备(例如，全球定位系统(GPS)设备)、游戏设备、无线电设备或各种其它类似的设备或其组合。优选地，终端装置可以包括但不限于，存储器、处理器、超声换能器以及解调制单元优选地，终端装置能够利用超声波换能器，例如，麦克风，接收由超声波定位装置发送的超声波信号。优选地，终端装置能够将接收的超声波信号转换为频率信号，并且根据频率解调制信息将所述频率信号转换为数据帧。优选地，终端装置从数据帧中提取超声波定位装置的标识符，并且将所述标识符发送给服务器。
[0038]根据本申请的优选实施方式，服务器可以是能够进行数据存储和计算的各种类型的设备。优选地，服务器中存储了所有超声波定位装置的标识符与物理位置的对应关系。优选地，服务器可以利用数据库来存储来存储上述对应关系。当服务器接收到终端装置发送的超声波定位装置的标识符时，能够查询到与所述标识符对应的物理地址，并且将所述物理地址发送给终端装置。终端装置从而能够根据所述物理地址来确定其当前位置。优选地，终端装置可以将超声波定位装置的物理地址确定为自身的物理地址。
[0039]根据优选的实施方式，作为本申请的超声波定位基础的超声波信号，在空气中传输衰减迅速、易于受到多途、空气扰动等多方面的干扰。因此，将超声波信号作为传输信号具有局限性，同时也约束了传输的码速率。因此，本申请需要解决传播的频率选择、调制方式、码速率以及编码方式的综合要求。同时，本申请还必须考虑接收装置，特别是面向的但不局限于具有网络和处理能力的移动设备，如智能手机和便携式计算机等。
[0040]发射超声频率的选择:
[0041]本申请在对所使用的超声波频率进行选择时主要考虑三个因素:
[0042](I)从传播衰减的角度来考虑,使用的频率越低衰减越小,传播距离越远,但是环境噪声在低频段也更大，易受干扰，对信号检测不利；
[0043](2)手机等终端装置的声信号的带宽限制，如前面所述，对于目前的大多数的智能手机而言，音频的接收带宽可以达到22KHz，部分手机的接收带宽可以达到24KHz ;以及
[0044](3)避免人类可以听到的音频频带，应尽可能高于20KHz。
[0045]综合上面的三个因素，本申请所使用的超声波信号的频率范围为20KHz-22KHz。
[0046]发射信号的组成:
[0047]发射信号是以数据帧(Frame)的形式进行。优选地，每个帧包括报头(Header)和数据段(Data)两个部分。Header部分具有两个用途，一是完成帧的同步，二是使用该数据获取声信道的特性。Data部分包括地址编码和校验码。
[0048]Header部分选择无线通信中使用的伪随机码序列，即PN码序列，通常PN码序列越长越有利于帧的同步，但是在空气超声信道中，由于前面提到的衰减、发射等多途效应，码速率受到较大的限制，因此需要选择适用于超声信道的PN码。本申请使用码长为31比特的PN码作为帧同步信号，同时也作为解码时信道估计的样本。
[0049]Data部分为交织后的地址编码和校验码的编码。由于超声信号在传输过程中衰减大且多途效应明显，因此要保证在较远的位置能够恢复地址码，需要终端能够提供信号处理增益。选取的地址码为32位(比特)，校验码为CRC校验码，长度选择16比特，这样地址码长度为48比特。为了适应超声信道的传输，48比特的地址码使用标准1/3码率的Turbo码进行编码，因此纠错编码后的码长为144比特。
[0050]超声信号发射的调制方式:
[0051]考虑超声传播的特性、码速率、抗干扰、计算量等因素，本申请采用频率调制方式发射超声波信号，即FSK调制，信号的频率为R)=20.5KHz和Fl=21.5KHz，分别代表O频率和I频率。优选地，本申请并不限于使用2个频率点，还可以使用4个、8个、16个、32个等的频率点来进行调制。优选地，当选择2个频点时，每次将数据帧中的I个比特转换为频率信号。当选择4个频点时，每次将数据帧中的2个比特转换为频率信号，以此类推。
[0052]图2示出了根据本申请优选实施方式的发送超声波的示意图。如图2所示，装置的发射流程在步骤201处开始。优选地，在步骤201，超声波定位装置进行上电初始化。在步骤202，生成包括超声波定位装置的标识符的数据帧。优选地，在步骤203，读取所述数据帧的输出比特。优选地，所述输出比特可以I比特、2比特等。优选地，每个比特之间的输出间隔可以是2.5ms、3.5ms等。优选地，所述输出比特也可以是数据帧的全部比特。优选地，当所有比特输出完毕后，进行数据帧的重复发送，即再次进行包含超声波定位装置的标识符的数据帧的发送。当在这种情况下时，在步骤207判断帧的所有比特输出完毕后时，当所有比特已经输出完毕后，流程转回到步骤202。例如，当帧总共有175比特并且每次传送I比特时，则重复进行上述步骤175次。在步骤204，频率生成单元根据存储器中存储的频率调制信息将所述输出比特转换为频率信号。在步骤205，对频率生成单元生成的频率信号进行放大并且进行滤波，得到经过滤波的频率信号。在步骤206，将经过滤波的频率信号加载到超声波换能器，由传声波换能器将所述经过滤波的频率信号转换为超声波信号并且发射到周围环境中。在步骤207，判断是否已将数据帧的所有比特输出完毕，如果还有未输出的比特，那么流程转回到步骤203，进行随后比特的处理；如果没有未输出的比特，那么流程转回至步骤202，进行下一个数据帧处理。根据本申请的优选实施方式，超声波定位装置在上电初始化之后周期性地向周围发送超声波信号，以帮助终端装置进行定位。
[0053]由于超声定位装置发射的信号为频率调制信号，因此可以使用程序控制的正弦(余弦)信号产生器，但是由于其使用复杂、价格相对较高，因此本申请中选取带有EEPROM的单片机来产生频率为H)和Fl的方波信号，能够实现该功能的一种单片机，如STC11F04E。该单片机具有可自动装载的定时器功能，用来在其I/O输出端口输出所需频率的方波信号；单片机上的存储器储存了为每个装置预先分配的位置编码。经过调制的方波频率信号，经过放大和滤波后加载到换能器发射出去。放大和滤波电路原理图如下面的图3所示。
[0054]图3示出了根据本申请优选实施方式的信号放大和滤波单元的电路原理图。在图3中，产生于单片机的2路互补的方波信号，经过SN75372D进行驱动放大后，作为Ql和Q2的驱动信号，驱动2个MOS FET进行关断，从而产生与输入频率相同但是幅度约为12V的方波信号(不考虑R5上的分压)。该信号通过中心抽头的变压器TO后，在TO的输出端转换为经过放大的方波信号。为了滤除人耳可闻的噪声，电路中L1、C4和L2、C5组成了一个二阶带通滤波器，中心频率为21KHz，带宽约为3KHz。经过带通滤波后的正弦(余弦)信号加载到Speaker (超声换能器)上，完成电声信号的转换，发射到空气中。
[0055]在先前的说明书和相关附图中呈现的教导下，本申请涉及的领域内普通技术人员将得知在此阐述的本申请的许多修改和其他实施方式。因此，可以理解，本申请实施方式不限于这里公开的特定实施方式，并且其修改和其他实施方式也被包括在所附权利要求的范围内。此外，尽管以上说明书和相关附图描述了在元件和/或功能的某些示例性组合的环境下的示例性实施方式，但是应理解可通过备选实施方式提供元件和/或功能的不同组合，而不脱离所附权利要求的范围。在这点上，例如，如可在所附权利要求中阐述的那样，也可设想除了以上明确所述的元件和/或功能之外的不同组合。尽管这里采用的特定术语，但是它们可仅通过一般性和描述性概念来使用，并非用于限制的目的。
【权利要求】
1.一种超声波定位装置，所述超声波定位装置适于与终端装置进行超声波通信，所述超声波定位装置包括: 存储器，用于存储所述超声波定位装置的唯一标识符和频率调制信息； 处理器，生成包含所述唯一标识符的数据帧，所述数据帧包括报头部分和数据部分； 频率生成单元，根据所述频率调制信息将所述数据帧转换为频率信号； 信号放大和滤波单元，对所述频率信号进行放大并且进行滤波，将经过滤波的频率信号加载到超声波换能器；以及 超声换能器，将频率信号转换为超声波信号，并且发射所述超声波信号。
2.根据权利要求1所述的装置，所述终端装置利用麦克风接收所述超声波信号，将所述超声波信号转换为频率信号，并且将所述频率信号转换为数据帧，从所述数据帧中获取超声波定位装置的唯一标识符。
3.根据权利要求2所述的装置，所述终端装置将所述超声波定位装置的唯一标识符发送给服务器，所述服务器根据所述超声波定位装置的唯一标识符确定所述超声波定位装置的物理地址。
4.根据权利要求3所述的装置，所述服务器将所述超声波定位装置的物理地址发送给所述终端装置，所述终端装置根据所述超声波定位装置的物理地址确定所述终端装置的当前位置。
5.根据权利要求1所述的装置，其中报头部分包括31位的伪随机码，以用作帧同步信号，并且所述数据部分包括地址编码和校验码，其中所述地址编码为32位且所述校验码为16位。
6.根据权利要求1所述的装置，其中使用频移键控来调制超声波信号。
7.根据权利要求1所述的装置，其中所述超声波信号的频率范围为20KHz至22KHz，和/或利用带有EEPROM的单片机来产生频率为H) = 20.5KHz和Fl = 21.5KHz的用于二进制频移键控调制时的方波信号，或者用于多进制频移键控调制时的其它的多个频率信号。
8.根据权利要求1所述的装置，所述处理器还具有输入/输出单元。
9.根据权利要求1所述的装置，其中所述数据帧包括N个比特，其中N是大于81的整数，其中根据所述频率调制信息将所述数据帧转换为频率信号包括:按顺序分别将数据帧的N个比特中的每η个比特转换为频率信号，其中η为1、2、3或者4，其中当N个比特中未转换的剩余比特不足η个时，用填充比特进行填充。
10.根据权利要求1所述的装置，其中所述数据帧包括N个比特，其中N是大于81的整数，其中根据所述频率调制信息将所述数据帧转换为频率信号包括:将数据帧的N比特全部转换为频率信号。
【文档编号】G01S1/76GK204009060SQ201420054550
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年1月28日 优先权日:2014年1月28日
【发明者】孟剑强, 刘明刚 申请人:北京印声科技有限公司