Android智能手机低码率近距离磁通信系统及方法与流程

本发明涉及一种智能手机磁通信装置及方法，具体涉及android智能手机低码率近距离磁通信系统及方法。

背景技术：

随着移动互联网的快速发展，智能手机全球用户量迅猛增加，内置传感器性能与种类及应用模式也随之快速增长。近距离（近场）通信具有距离短、安全性高等优点，智能手机中支持近距离通信的主流技术为nfc（通信距离一般小于10cm），在支付、门禁、公交乘车等领域具有重要的应用价值和应用空间。

苹果推出的iphone手机自iphone6开始集成了nfc功能，但android手机由于厂家各自产品决策的不同，有些厂商在中高端型号的手机普及了nfc，如三星、小米和华为，而有些手机厂商则在其绝大部分产品中没有集成nfc模块，典型代表是oppo与vivo。增加nfc模块除了增加模块自身的成本外，还涉及整体结构设计的调整、装配工艺与流程的改变。nfc手机普及率不高，限制了nfc的应用范围，这又反过来制约了新款智能手机引入nfc的比例。

android智能手机内置了丰富的传感器如加速度计、磁力计、摄像头、红外接近传感器等，以及wifi与低功耗蓝牙ble等无线通信模块，这些传感器与无线模块的安装率接近100%。利用磁力计通过磁场进行近距离的低码率通信能够解决nfc智能手机装机量偏低的现状，无需额外增加智能手机的设计与制造成本，同时提供了nfc类似的使用便利性。

技术实现要素：

为了解决现有android智能手机nfc普及率不高的问题，本发明通过设计低成本、易推广的磁数据发送终端，利用绝大部分android智能手机内置的磁力计，解决了智能手机磁力计存在的采样时钟抖动等问题，实现了android智能手机的低码率近距离通信，相对nfc模块，无需增加智能手机的设计与制造成本。

本发明的技术方案如下：一种android智能手机低码率近距离磁通信系统，所述android智能手机低码率近距离磁通信系统包括：磁数据发送终端和android智能手机；

所述磁数据发送终端，通过无线通信链路和磁通信链路与android智能手机连接，用于以固定频率周期性向所述android智能手机发送数据帧，所述数据帧包括wifibeacon帧和磁通信数据帧；

所述android智能手机，包括wifi模块和磁力计传感器；所述wifi模块用于接收所述磁数据发送终端发送的wifibeacon帧，所述磁力计传感器用于接收在采样点时刻处的所述磁数据发送终端发送的磁通信数据帧并对采样点处的磁通信数据帧进解调，磁力计传感器将解调出的crc校验码与android智能手机中计算出的crc校验码进行比对判断是否相同，若相同则本次通信成功。

进一步地，所述磁数据发送终端包括：

wifiap单元，所述wifiap单元包括mcu模块、wifi基带射频模块和天线模块，所述mcu模块用于控制wifi基带射频模块通过天线模块发送wifibeacon帧，所述天线模块通过2.4ghzwifi无线通信链路与android智能手机连接；

磁场发射单元，所述磁场发射单元与mcu模块连接，用于根据mcu模块的控制信号发送磁通信数据帧信号；

直流供电单元，所述直流供电单元用于给磁场发射单元和wifiap单元提供工作电源。

进一步地，所述mcu模块包括两路dac单元，所述两路dac单元与磁场发射单元连接。

进一步地，所述磁通信数据帧的帧体支持4ask与2dask两种调制方式：

当所述磁通信数据帧的帧体采用4ask调制方式，且当磁通信数据帧的码元长度为25ms时，则crc位数为8位，用于生成crc校验码的多项式为x⁸+x²+x+1；

当所述磁通信数据帧的帧体采用2dask调制方式，且当磁通信数据帧的码元长度为25ms时，则crc位数为4位，用于生成crc校验码的多项式为x⁴+x+1。

进一步地，所述android智能手机的wifi模块还用于记录接收到所述wifibeacon帧的时间并分析所接收到的wifibeacon帧，从而获得ssid字段中的磁数据发送终端类型标识uuid和磁通信数据帧的调制方式。

一种android智能手机低码率近距离磁通信方法，所述一种android智能手机低码率近距离磁通信方法包括：

（1）磁数据发送终端启动，以固定频率周期性发送数据帧，所述数据帧包括wifibeacon帧和磁通信数据帧，在一个发送周期中先发送wifibeacon帧后立即发送磁通信数据帧；

（2）在所述android智能手机开启后，android智能手机中的磁力计传感器处于休眠状态，wifi模块值守监听wifibeacon帧；

若接收到wifibeacon帧时，wifi模块记录接收到所述wifibeacon帧的时间并分析所接收到的wifibeacon帧，从而获得ssid字段和磁通信数据帧的调制方式；

（3）启动android智能手机中的磁力计传感器，设置所述磁力计传感器的采样周期，所述磁力计传感器的采样周期小于所述磁通信数据帧的码元长度，并且在启动android智能手机中的磁力计传感器后延迟7-8ms开始对磁通信数据帧进行采样；

在以固定采样周期对磁通信数据帧进行采样时，记录磁力计传感器第一个采样点的采样时刻；

将磁力计传感器第一个采样点的采样时刻与最近的wifibeacon帧的接收时间进行比对，如果磁力计传感器第一个采样点的采样时刻在与最近的wifibeacon帧的接收时间的时刻差小于磁通信数据帧的码元长度，则磁力计传感器的采样有效，否则终止磁力计传感器的检测；

（4）每获取一个磁通信数据帧后要检测所获得磁通信数据帧的帧头，如果检测到帧头，根据帧头解析出当前时刻的地磁强度；

根据磁通信数据帧的调制方式对磁通信数据帧的帧体进行解调；

如果未检测到帧头，磁力计传感器重新进入休眠状态，以节省手机功耗，wifi模块继续值守监听下一个wifibeacon帧；

（5）对磁通信数据帧帧体解调；

（6）磁通信数据帧帧体解调后得到crc校验码，根据所述磁通信数据帧的调制方式，匹配出对应调制方式的crc校验码多项式，根据所述crc校验码多项式计算出crc校验码，然后再将解调出的crc校验码与根据所述crc校验码多项式计算出crc校验码进行对比，如果相同，判断本次磁通信成功。否则，磁力计传感器重新进入休眠状态。

进一步地，一个所述磁通信数据帧的总长度为1s，其中所述磁通信数据帧包括长度为100ms的帧头和长度为900ms的帧体，并且所述磁通信数据帧的码元长度为25ms；所述磁通信数据帧的帧头包括第一码元、第二码元、第三码元和第四码元。

进一步地，对于步骤（4）中的帧头检测具体包括：

（410）所述磁力计传感器以采样周期连续采样多个采样点，并记录每个采样点的值和采样时刻，直到采样时刻距离wifibeacon帧的接收时间大于磁通信数据帧的帧头长度为止；

（420）从接收到wifibeacon帧时刻起的0~100ms之间，每个磁通信数据帧的码元长度时间25ms内仅保留一个磁力计传感器采样点，因此在从接收到wifibeacon帧时刻起的0~100ms之间共有四个采样点，分别为第一采样点、第二采样点、第三采样点和第四采样点；

（430）如果第一采样点的采样值与第三采样点的采样值之间的值差小于第二采样点的采样值与第四采样点的采样值之间的值差，且第二采样点的采样值与第一采样点的采样值之间值差的符号，与第四采样点的采样值与第三采样点的采样值之间值差的符号相反，则判断所述帧头为有效帧头；否则帧头检测不通过，终止磁通信数据帧检测；

（440）取所述第一采样点的采样值和第三采样点的采样值的平均值作为当前时刻的地球磁场强度；第二采样点的采样值作为“+2电平”参考值，第四采样点的采样值作为“-2电平”参考值。

从以上所述可以看出，本发明提供的android智能手机低码率近距离磁通信装置及方法，利用绝大部分android智能手机内置的磁力计，针对性解决了智能手机磁力计存在的采样时钟抖动等问题，实现android智能手机低码率近距离通信，能够在近距离通信范围内最高提供64bps的通信速率，相对nfc模块，无需增加智能手机的设计与制造成本。

附图说明

图1为本发明的组成示意图。

图2为本发明中磁通信帧的信号波形示意图。

图3为本发明的低码率近距离磁通信方法流程图。

图4为本发明的android智能手机磁通信服务程序的磁通信帧解调流程图。

具体实施方式

为使发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。其中相同的零部件用相同的附图标记表示。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向。使用的词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

一种android智能手机低码率近距离磁通信系统，如图1和图2所示，包括：磁数据发送终端和android智能手机；

所述磁数据发送终端，通过2.4ghzwifi无线通信链路和磁通信链路与android智能手机连接，用于向所述android智能手机发送wifibeacon帧和磁通信数据帧。

一个所述磁通信数据帧的总长度为1s，其中所述磁通信数据帧包括长度为100ms的帧头和长度为900ms的帧体，并且所述磁通信数据帧的码元长度为25ms；所述磁通信数据帧的帧头按时间先后顺序依次为“0电平”的第一码元、“+2电平”的第二码元、“0电平”的第三码元和“-2电平”的第四码元；磁通信数据帧帧体支持4ask与2dask两种调制方式，图2(a)显示的4ask调制，其bit流至电平的映射关系为：00对应“-2电平”，01对应“-1电平”，11对应“+1电平”，10对应“+2电平”，图2(b)显示的2dask调制的映射关系为：0对应电平不变，1对应“-2电平”到“+2电平”或“+2电平”到“-2电平”的转换。

所述磁通信数据帧的帧体支持4ask与2dask两种调制方式，不同调制方式对应的磁场波形、数据长度与crc校验位数不同：

当所述磁通信数据帧的帧体采用4ask调制方式，且当磁通信数据帧的码元长度为25ms时，则数据长度为64bit，crc校验码位数为8位，用于生成crc校验码的多项式为x⁸+x²+x+1，根据所述多项式能够生成8位的crc校验码。

当所述磁通信数据帧的帧体采用2dask调制方式，且当磁通信数据帧的码元长度为25ms时，则数据长度为32bit，crc位数为4位，用于生成crc校验码的多项式为x⁴+x+1，根据所述多项式能够生成4位的crc校验码。

可以理解的是，2dask调制相对4ask调制，只需要磁数据发送终端产生相同幅度的“+电平”与“-电平”信号，具有可靠性高、受地磁抖动影响小等优点，但数据率低。

所述android智能手机，包括wifi模块和磁力计传感器；所述wifi模块用于接收所述磁数据发送终端发送的wifibeacon帧，所述磁力计传感器用于接收在采样点时刻处的所述磁数据发送终端发送的磁通信数据帧并对采样点处的磁通信数据帧进行解调；磁力计传感器将解调出的crc与android智能手机根据crc生成多项式计算出的crc进行比对判断是否相同，若相同则本次通信成功。

进一步地，所述wifibeacon帧中包括：ssid字段；所述ssid字段携带有唯一的磁数据发送终端类型标识uuid与磁通信数据帧调制方式信息；所述磁数据发送终端类型标识uuid用于区分磁数据发送终端与普通wifi路由器，所述通信数据帧调制方式信息用1字节表示，默认0x0表示4ask调制、0xff表示2dask调制。

进一步地，所述磁数据发送终端包括：

wifiap单元，所述wifiap单元包括mcu模块、wifi基带射频模块和天线模块，所述mcu模块用于控制wifi基带射频模块通过天线模块发送wifi基带射频信号，所述天线模块通过2.4ghzwifi无线通信链路与android智能手机连接；

磁场发射单元，所述磁场发射单元与mcu模块连接，用于根据mcu模块的控制信号发送磁通信数据帧信号；所述磁场发射单元包括单个圆形磁线圈与串联电阻，磁线圈的半径与匝数由设定的通信距离决定，距离越远，匝数与半径越大，串联电阻用于在额定电压下为磁线圈提供指定的电流，防止磁线圈短路；所述mcu模块包括两路dac单元，所述两路dac单元与磁场发射单元连接，wifiap单元通过内置mcu的两路dac单元与磁场发射单元连接，能够输出不同幅度的“+电平”与“-电平”信号。

直流供电单元，所述直流供电单元用于给磁场发射单元和wifiap单元提供工作电源。所述直流供电单元的电压可以为5v、9v和12v，默认为5v。

进一步地，所述android智能手机还包括位于android系统内核的磁通信服务程序。所述android智能手机中的wifi模块默认为打开模式；为了保证磁力计采样时钟抖动较小，磁通信服务程序处于内核态，从而使得磁通信数据帧检测过程免受部分android手机所采用的对多次测量值进行平均的平滑过程影响。为防止智能手机内置磁力计采样时钟抖动导致丢失磁通信数据帧中某个样点的采样值，所述磁力计传感器的采样周期小于所述磁通信数据帧的码元长度，磁力计传感器的采样周期优选20ms，即磁力计传感器的采样频率优选为50hz，为进一步地保证磁通信的码率，android智能手机内置的磁力计传感器支持的采样速率不低于50hz，这种设置下绝大部分android手机的采样间隔在18-24ms之间抖动（高端手机由于磁力计性能更稳定，采样间隔变化更小，位于19-21ms之间），因此磁通信数据帧的码元长度为25ms。

进一步地，所述wifi模块还用于记录接收到所述wifibeacon帧的时间并分析所接收到的wifibeacon帧，从而获得ssid字段中的磁数据发送终端类型标识uuid和磁通信数据帧的调制方式；

一种android智能手机低码率近距离磁通信方法，如图3和图4所示，所述android智能手机低码率近距离磁通信系统，包括：

（1）磁数据发送终端启动，以固定频率周期性发送数据帧，发送周期为1s，所述数据帧包括wifibeacon帧和磁通信数据帧，在一个发送周期中先发送wifibeacon帧后立即通过磁场发射单元发送固定帧格式的磁通信数据帧；一个所述磁通信数据帧的总长度为1s，其中所述磁通信数据帧包括长度为100ms的帧头和长度为900ms的帧体，并且所述磁通信数据帧的码元长度为25ms；所述磁通信数据帧的帧头按时间先后顺序依次为“0电平”的第一码元、“+2电平”的第二码元、“0电平”的第三码元和“-2电平”的第四码元；

需要解释的是，当mcu内置的2路dac的输出电压均为0伏时为所述磁场发射单元输出为“0电平”，当dac1的电压为n伏，dac2的电压为0伏时所述磁场发射单元输出为“+1电平”，当dac1的电压为2n伏，dac2的电压为0伏时所述磁场发射单元输出为“+2电平”，当dac1的电压为0伏，dac2的电压为n伏时所述磁场发射单元输出为“-1电平”，当dac1的电压为0伏，dac2的电压为2n伏时所述磁场发射单元输出为“-2电平”。

（2）在所述android智能手机开启后，android智能手机中的磁力计传感器处于休眠状态，wifi模块值守监听wifibeacon帧；

若接收到wifibeacon帧时，wifi模块记录接收到所述wifibeacon帧的时间并分析所接收到的wifibeacon帧，从而获得ssid字段中的磁数据发送终端类型标识uuid和磁通信数据帧的调制方式；

（3）启动android智能手机中的磁力计传感器，设置所述磁力计传感器的采样周期，所述磁力计传感器的采样周期小于所述磁通信数据帧的码元长度，优选20ms，磁力计传感器的采样周期小于所述磁通信数据帧的码元长度能够防止智能手机内置磁力计采样时钟抖动导致丢失磁通信数据帧中某个样点的采样值。并且在启动android智能手机中的磁力计传感器后延迟7-8ms开始对磁通信数据帧进行采样，延迟7-8ms的原因是尽可能使磁力计的采样时刻避开磁通信数据帧相邻码元的临界时刻，从而保证磁力计传感器采样的可靠性。

在以固定采样周期对磁通信数据帧进行采样时，记录磁力计传感器第一个采样点的采样时刻；

将磁力计传感器第一个采样点的采样时刻与最近的wifibeacon帧的接收时间进行比对，如果磁力计传感器第一个采样点的采样时刻在与最近的wifibeacon帧的接收时间的时刻差小于磁通信数据帧的码元长度25ms，则磁力计传感器的采样有效，否则终止磁力计传感器的检测。

（4）每获取一个磁通信数据帧后要检测所获得磁通信数据帧的帧头，如果检测到帧头，根据帧头解析出当前时刻的地磁强度；

根据磁通信数据帧的调制方式对磁通信数据帧的帧体进行解调；

如果未检测到帧头，磁力计传感器重新进入休眠状态，以节省手机功耗，wifi模块继续值守监听下一个wifibeacon帧；

进一步地，由于磁通信数据帧单个码元的持续时间与android智能手机磁力计传感器准确的采样间隔不同，在进行磁通信数据帧帧头检测与帧体解调时，必须考虑android智能手机磁力计传感器的采样时刻信息。因此对于所述4中的帧头检测具体包括：

（410）所述磁力计传感器以采样周期连续采样多个采样点，并记录每个采样点的值和采样时刻，直到采样时刻距离wifibeacon帧的接收时间大于磁通信数据帧的帧头长度100ms为止；

（420）从接收到wifibeacon帧时刻起的0~100ms之间，每个磁通信数据帧的码元长度时间25ms内仅保留一个磁力计传感器采样点，因此在从接收到wifibeacon帧时刻起的0~100ms之间共有四个采样点，分别为第一采样点、第二采样点、第三采样点和第四采样点；

所述第一采样点能够采集所述第一码元的信息，所述第二采样点能够采集所述第二码元的信息，所述第三采样点能够采集所述第三码元的信息，所述第四采样点能够采集所述第四码元的信息；

（430）如果第一采样点的采样值与第三采样点的采样值之间的值差小于第二采样点的采样值与第四采样点的采样值之间的值差，且第二采样点的采样值与第一采样点的采样值之间值差的符号，与第四采样点的采样值与第三采样点的采样值之间值差的符号相反，则判断所述帧头为有效帧头；否则帧头检测不通过，终止磁通信数据帧检测。

（440）取所述第一采样点的采样值和第三采样点的采样值的平均值作为当前时刻的地磁强度；第二采样点的采样值作为“+2电平”参考值，第四采样点的采样值作为“-2电平”参考值。

（5）对磁通信数据帧帧体解调：对于4ask调制，在帧体部分每个25ms区间内选择1个距离区间边界最远的采样点，与记录的“±2电平”参考值进行比较，并参考2bits到电平的调制映射关系进行解调。选择距离区间边界最远的样点是为了保证采样值的稳定性，避免磁力计采样发生在磁通信帧电平转换时刻。

对于2dask调制，在帧体部分每个25ms区间内选择1个距离区间边界最远的采样点，根据相邻样点间的差值，参考调制映射关系进行解调。

（6）磁通信数据帧帧体解调后得到crc校验码，根据所述磁通信数据帧的调制方式，匹配出对应调制方式的crc校验码多项式，根据所述crc校验码多项式计算出crc校验码，然后再将解调出的crc校验码与根据所述crc校验码多项式计算出crc校验码进行对比，如果相同，判断本次磁通信成功。否则，磁力计传感器重新进入休眠状态，节省手机功耗，继续侦听下一个指定格式的wifibeacon帧。

具体地，所述磁通信数据帧的帧体支持4ask与2dask两种调制方式，不同调制方式对应的磁场波形、数据长度与crc校验位数不同：

当所述磁通信数据帧的帧体采用4ask调制方式，且当磁通信数据帧的码元长度为25ms时，则数据长度为64bit，crc校验码位数为8位，用于生成crc校验码的多项式为x⁸+x²+x+1，根据所述多项式能够生成8位的crc校验码。

当所述磁通信数据帧的帧体采用2dask调制方式，且当磁通信数据帧的码元长度为25ms时，则数据长度为32bit，crc位数为4位，用于生成crc校验码的多项式为x⁴+x+1，根据所述多项式能够生成4位的crc校验码。

从以上所述可以看出，所述磁力计传感器的采样周期小于所述磁通信数据帧的码元长度，优选20ms，磁力计传感器的采样周期小于所述磁通信数据帧的码元长度能够防止智能手机内置磁力计采样时钟抖动导致丢失磁通信数据帧中某个样点的采样值。

以上对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。