基于扩频调制的智能手机磁数据交换装置的制作方法
本实用新型属于数据通信技术领域，涉及智能手机磁数据交换技术，尤其涉及基于扩频调制的智能手机磁数据交换装置，利用智能手机内置的磁力计传感器、通过对磁场信号进行扩频调制实现距离大于10cm的磁数据交换。
背景技术：
近距离(近场)通信具有距离短、安全性高等优点，智能手机近距离通信的主流技术为nfc(通信距离小于10cm)，在支付、门禁、公交乘车等领域具有重要的应用价值。苹果推出的iphone手机自iphone6开始集成了nfc功能，android手机厂商如三星、小米和华为在中高端型号的手机全面普及nfc。
以汽车门锁为例，其先后经历了钥匙手动开门、遥控钥匙手动远程开门以及无钥匙开门(passivekeylessentry，pke)，装配了pke系统的汽车无需车主拿出钥匙，只要钥匙放在随身口袋内，车主靠近汽车，车门即打开，车主离开则自动上锁。由于用户体验好，已经成为大多数车型的高配车型必备配置。
受制于作用距离小于10cm，nfc无法提供类似pke的用户体验。wifi与低功耗蓝牙(bluetoothlowenergy，ble)通信距离远，由于室内复杂的电磁波传播环境，很难通过控制发射功率实现将通信距离限制在一个指定范围内如0.5m或1m之内。
技术实现要素：
为了克服上述现有技术的不足，本实用新型提供一种基于扩频调制的智能手机磁数据交换装置，基于码分多址cdma通信系统的扩频调制技术，通过设计对发射磁场信号进行扩频调制的专用数据交换终端，利用智能手机内置的磁力计及磁场信号解调模块，实现从数据交换终端到智能手机的、距离大于10cm的数据交换，由此可实现通过智能手机提供类似pke的用户体验。
本实用新型提供的技术方案是：
一种基于扩频调制的智能手机磁数据交换装置，包括：数据交换终端、智能手机与后台服务器。其中，数据交换终端包括扩频调制单元、低功耗蓝牙ble单元、磁场发射单元、窄带物联网nb-iot通信单元、直流供电单元。智能手机包括内置的ble模块、磁力计传感器以及磁数据解调模块(app软件)；数据交换终端通过低功耗蓝牙ble单元的无线链路(工作频段为2.4ghz)及磁场发射单元的磁通信链路与智能手机连接，通过nb-iot(窄带物联网，narrowbandinternetofthings)无线链路与后台服务器连接。智能手机通过无线链路(3g/4g)与后台服务器连接。
数据交换终端中，扩频调制单元是数据交换终端的嵌入式微控制器(mcu)，采用嵌入式软件或硬件加速核方式实现对磁信号的扩频调制，并具有多路通用输入输出(gpio)接口、至少1路通用异步收发(uart)接口以及至少1路串行外设(spi)接口，其中gpio接口与磁场发射单元连接，uart接口与nb-iot通信单元连接，spi接口与ble单元连接，实现ble单元控制与数据传输。ble单元由ble芯片与频段为2.4ghz的pcb(printedcircuitboard)微带天线组成，用于以固定频率周期发射ble通告消息。nb-iot通信单元基于nb-iot无线通信链路连接后台服务器，从后台服务器获取待发送的磁交换数据。直流供电单元为数据交换终端提供工作电源。
磁场发射单元包括3组由方形绕制线圈与串联电阻组成的磁激励模块，3组磁激励模块的绕制线圈呈空间正交，分别称为x、y、z轴磁激励模块(z轴磁激励模块的方型线圈与地平面平行，x，y轴磁激励模块的方型线圈与地平面垂直，且相互垂直)。扩频调制单元通过6路设为输出的gpio(x、y、z轴磁激励模块分别对应2路gpio)，将扩频调制后的磁交换数据通过磁场发射单元发送至智能手机。方形绕制线圈的边长、匝数以及通过电流决定了发射磁场信号的强度。
可选的，为提高磁信号的信号强度，磁场发射单元可以包含3路全桥驱动电路(x、y、z轴磁激励模块分别对应1路全桥驱动电路)，提高电流驱动能力，加大通过磁激励模块线圈的电流，增加磁场强度。
进一步地，直流供电单元的电压可以为5v、9v和12v，默认为9v。
数据交换终端的扩频调制单元采用n阶扩频调制对交换数据进行调制，即利用长度为n的序列传输log2n个数据bit。序列具有良好的自相关与趋近于0的互相关特性，如gold、walsh序列等。为简化描述，本实用新型以walsh序列为例，但不限于walsh序列。综合考虑数据速率与传输距离，n取值8，16，32，默认16。n越大，传输距离越远，抗地球磁场干扰能力越强，但数据交换速率越低。
磁数据交换以帧的形式传输，考虑到智能手机内置磁力计采样时钟抖动，如当采样频率为50hz时，智能手机的采样间隔将在18-24ms之间抖动，而非稳定在20ms(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)，因此磁数据交换帧的单个样点(对发射磁场的强度进行测量)的持续时间(样点是磁数据交换帧中的最小单元，在该单元持续时间内发射的磁场强度保持为一个指定的值)，应不小于智能手机内置磁力计在设定采样频率时的最大采样间隔(如当智能手机内置磁力计设定采样频率为50hz时，最大采样间隔为24ms)，防止磁力计采样时钟抖动导致丢失磁数据交换帧中某个样点的磁场强度采样值(单位为ut)。
磁数据交换帧长及帧结构取决于扩频调制阶数n，以单个样点持续时间为tms为例：
a.n＝16时，帧长为20*tms，帧头为4*tms，包含4个“0电平”样点，帧体为16*tms，对应16个“-电平”、“+电平”样点，传输由4bits数据决定的某个长度为16的walsh序列。
b.n＝8时，帧长10*tms，帧头2*tms，包含2个“0电平”样点，帧体8*tms，传输1个长度为8的walsh序列，承载3bits数据。
c.n＝32时，帧长40*tms，帧头8*tms，包含8个“0电平”样点，帧体32*tms，传输1个长度为32的walsh序列，承载5bits数据。
“0电平”时，磁场发射单元的x、y、z轴磁激励模块各自对应的2路gpio均设为低电平；“+电平”时x、y、z轴磁激励模块各自对应的2路gpio中，其中1路gpio(第一路gpio)设为高电平，另1路gpio(第二路gpio)设为低电平；“-电平”时，x、y、z轴磁激励模块各自对应的第一路gpio设为低电平，第二路gpio设为高电平。
进一步地，磁数据交换帧的单个样点持续时间默认设置为25ms。
数据交换终端周期发送ble通告消息，通告消息携带数据交换终端类型标识uuid与1字节的扩频调制阶数与数据传输状态字段。该字节的低6bits表示调制阶数，000000表示为8阶调制，000001表示16阶调制，000010表示32阶调制，000011-111111为预留值；高2bits为00时表示新数据开始，01对应当前数据传送中，11表示最后一帧磁数据传输。ble通告消息的周期默认为1s。
智能手机中的磁数据解调模块在通过磁力计采样值的变化检测出磁数据交换帧头后，根据扩频调制阶数，使用该阶数对应的所有walsh序列与帧体对应的所有采样值分别进行相关，得到每个walsh序列对应的相关值，相关值最大的walsh序列即为传输的walsh序列，该walsh序列对应的数据bits即为磁交换数据。
一个walsh序列的相关计算具体为：当walsh序列某个元素为-1时，对应的采样值符号取反，当walsh序列某个元素为+1时，对应的采样值符号保持不变，并对所有帧体样点的采样值进行累加作为该walsh序列的相关值。
由于walsh序列的互相关为0，无干扰的理想情况下，n阶walsh序列中只有1个walsh序列的相关值远大于0，其余n-1个walsh序列的相关值为0。
进一步地，智能手机包括iphone与android手机，ble模块处于开启状态。
进一步地，智能手机内置磁力计支持的采样速率不低于50hz，默认为50hz。
后台服务器位于云端，通过运营商nb-iot无线链路对数据交换终端进行参数配置与待发送数据更新，对智能手机接收到的磁交换数据进行验证。
上述基于扩频调制的智能手机磁数据交换装置在工作时，包括如下步骤：
步骤一、数据交换终端启动，通过nb-iot链路从后台服务器获取配置参数如调制阶数后完成初始化配置，接收待发送数据并以指定频率周期发送指定格式的ble通告消息，其后立即发送指定帧格式的磁数据交换帧；
步骤二、智能手机开启后，ble模块持续监听指定格式的ble通告消息，磁数据解调模块值守，磁力计处于休眠状态。
步骤三、ble模块捕获到指定格式的ble通告消息后，记录ble通告消息接收时间与数据交换终端的mac地址，并获取扩频调制阶数与数据传输状态：
a.若数据传输状态为新数据开始，磁数据解调模块启动磁力计后，设定指定的采样率进行磁场采样，此后的操作与数据传输状态为数据传输中的操作相同。
b.若数据传输状态为数据传输中，继续进行磁场采样，并基于扩频调制阶数对应的预定义帧格式，检测帧头：
如果检测到帧头，记录当前位置、当前时刻的地磁强度，继续进行磁场采样，进行磁数据交换帧体的解调，本地缓存解调的数据bits；
否则，磁数据解调模块重新进入值守，将磁力计设置为休眠。
c.否则，执行与数据传输状态为数据传输中相同操作，完成后将本地缓存的多帧解调数据组成磁交换数据流，并与数据交换终端mac地址一起，打包成磁数据验证请求发送给后台服务器进行验证。磁数据解调模块重新进入值守，将磁力计设置为休眠，以节省智能手机功耗。
步骤四、后台服务器收到智能手机发来的磁数据验证请求，根据本地数据库中存储的数据交换终端mac地址、磁交换数据流以及有效期信息，与收到的磁数据验证请求中对应信息进行比对，如果一致且在有效期之内，则验证成功，否则验证失败，并将验证结果发送给智能手机。
步骤五、智能手机收到后台服务器返回的验证结果后，如果验证成功，则本次磁数据交换成功；否则，本次磁数据交换不成功。
由于磁数据交换帧样点持续时间与磁力计采样间隔不同，在进行磁数据解调时，必须考虑磁力计采样时刻信息，步骤三中磁数据解调模块的解调流程如下：
31)磁数据交换帧第1个样点检测：如果磁力计第1个采样点的采样时刻与ble通告消息接收时间之间的时间差小于设定的单个样点持续时间(默认为25ms)，则认为第1个样点有效，采样值为第一个样点的值。
32)磁数据交换帧头检测：磁力计连续采样多个样点，并记录每个样点的值和采样时刻，直到样点采样时刻距离ble通告消息接收时间大于帧头时长为止。在每个样点持续时间区间内选择1个距离区间边界最远的采样点，当这些采样点的采样值差别小于一个指定门限，判断帧头检测成功，记录这些采样点的采样平均值为当前时刻、当前位置的地球磁场强度；否则，终止解调过程。
33)磁数据交换帧体解调：根据帧体时长进行连续采样，并在每个样点持续时间区间选择1个距离区间边界最远的采样点，记录真实采样值与地磁的差值作为处理后的该样点采样值。之后使用对应阶数的所有walsh序列与所有样点处理后的采样值进行相关，相关值最大的walsh序列对应数据bits即为磁交换数据。
进一步地，通过在每个样点持续时间区间内选择距离区间边界最远的1个采样点，确保系统不会因为智能手机磁力计传感器采样时钟的抖动导致采样到发生电平转换的相邻样点间的边缘信号，提升磁数据交换的可靠性。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
本实用新型提供的基于扩频调制的智能手机磁数据交换装置，采用扩频调制提高了抗磁场干扰的能力和传输距离，具体实施时，在采用8阶扩频调制且帧长为250ms时，能在大于10cm的距离处最高提供12bps的数据传输速率，数据传输速率快，为智能手机提供了类似pke的体验。
附图说明
图1为本实用新型提供装置的组成结构示意图。
图2为本实用新型提供装置的磁场发射单元的结构组成示意图。
图3为本实用新型实施例采用8阶与16阶walsh扩频调制的磁数据交换帧信号波形示意图。
图4为利用本实用新型实现基于扩频调制的磁数据交换的流程框图。
图5为利用本实用新型中的磁数据解调模块进行磁数据交换帧解调的流程框图。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例进一步描述本实用新型，但不以任何方式限制本实用新型的范围。
如图1所示，一种基于扩频调制的智能手机磁数据交换装置，包括：数据交换终端、智能手机与后台服务器。数据交换终端通过2.4ghzble无线链路及磁通信链路与智能手机连接，通过nb-iot无线链路与后台服务器连接。智能手机通过3g/4g无线链路与后台服务器连接。
数据交换终端包括扩频调制单元、低功耗蓝牙ble单元、磁场发射单元、窄带物联网nb-iot通信单元、直流供电单元。扩频调制单元是数据交换终端的嵌入式微控制器mcu，采用嵌入式软件或硬件加速核方式实现对磁信号的扩频调制，并具有多路通用输入输出gpio接口、至少1路通用异步收发uart接口以及至少1路串行外设spi接口，其中gpio接口与磁场发射单元连接，uart接口与nb-iot通信单元连接，spi接口与ble单元连接，实现ble单元控制与数据传输。ble单元由ble芯片与频段为2.4ghz的pcb微带天线组成，用于以固定频率周期发射ble通告消息。nb-iot通信单元基于nb-iot无线通信链路连接后台服务器，从后台服务器获取待发送的磁交换数据。直流供电单元为数据交换终端提供工作电源。
如图2所示，磁场发射单元包括3组由方形绕制线圈与串联电阻组成的磁激励模块组成，3组磁激励模块的绕制线圈呈空间正交(z轴磁激励模块的方型线圈与地平面平行，x，y轴磁激励模块的方型线圈与地平面垂直，且相互垂直)，分别称为x、y、z轴磁激励模块。扩频调制单元通过6路设为输出的gpio(x、y、z轴磁激励模块分别对应2路gpio，图中分别标识为x轴gpio-a，x轴gpio-b，y轴gpio-a，y轴gpio-b，z轴gpio-a，z轴gpio-b)，将扩频调制后的磁交换数据通过磁场发射单元发送至智能手机。方形绕制线圈的边长、匝数以及通过电流决定了发射磁场信号的强度。
可选的，为提高磁信号的信号强度，磁场发射单元可以包含3路全桥驱动电路(x、y、z轴磁激励模块分别对应1路全桥驱动电路)，提高电流驱动能力，加大通过磁激励模块线圈的电流，增加磁场强度。
进一步地，直流供电单元的电压可以为5v、9v和12v，默认为9v。
数据交换终端的扩频调制单元采用n阶扩频调制对交换数据进行调制，即利用长度为n的序列传输log2n个数据bit：如图3所示，n＝8时可传输3个数据bits，n＝16时可传输4个数据bits。序列具有良好的自相关与趋近于0的互相关特性，如gold、walsh序列等。为简化描述，本实用新型以walsh序列为例，但不限于walsh序列。综合考虑数据速率与传输距离，n取值8、16、32，默认16。n越大，传输距离越远，抗磁场干扰能力越强，但数据交换速率越低。
磁数据交换以帧的形式传输，考虑到智能手机内置磁力计采样时钟抖动，如当采样频率为50hz时，智能手机的采样间隔将在18-24ms之间抖动，而非稳定在20ms(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)，因此磁数据交换帧的单个样点的持续时间应不小于智能手机内置磁力计在设定采样频率时的最大采样间隔(如当智能手机内置磁力计设定采样频率为50hz时，最大采样间隔为24ms)，防止磁力计采样时钟抖动导致丢失磁数据交换帧中某个样点的采样值，本实用新型中单个样点的持续时间默认设置为25ms。
磁数据交换帧长及帧结构取决于扩频调制阶数n，以单个样点持续时间为25ms为例：
“0电平”时x、y、z轴磁激励模块各自对应的2路gpio均设为低电平；“+电平”时x、y、z轴磁激励模块各自对应的2路gpio中，其中gpio-a设为高电平，gpio-b设为低电平；“-电平”时x、y、z轴磁激励模块各自对应的gpio-a设为低电平，gpio-b设为高电平。
数据交换终端周期发送ble通告消息，ble通告消息携带数据交换终端类型标识uuid与1字节的扩频调制阶数与数据传输状态字段。该字节的低6bits表示调制阶数，000000表示为8阶调制，000001表示16阶调制，000010表示32阶调制，000011-111111为预留值；高2bits为00时表示新数据开始，01对应当前数据传送中，11表示最后一帧磁数据传输。ble通告消息的发送周期间隔默认为1s。
智能手机包括内置的ble模块与磁力计传感器，以及软件app形态的磁数据解调模块。磁数据解调模块在通过磁力计采样值的变化检测出磁数据交换帧头后，根据扩频调制阶数，使用该阶数对应的所有walsh序列与帧体对应的所有采样值进行相关，得到每个walsh序列对应的相关值，相关值最大的walsh序列即为传输的walsh序列，该walsh序列对应的数据bits即为磁交换数据。
一个walsh序列的相关计算具体为：当walsh序列某个元素为-1时，对应的采样值符号取反，当walsh序列某个元素为+1时，对应的采样值符号保持不变，并对所有帧体样点的采样值进行累加作为该walsh序列的相关值。
由于walsh序列的互相关为0，无干扰的理想情况下，n阶walsh序列中只有1个walsh序列的相关值远大于0，其余n-1个walsh序列的相关值为0。
进一步地，智能手机包括iphone与android手机，ble模块处于开启状态。
进一步地，智能手机内置磁力计支持的采样速率不低于50hz，默认为50hz。
后台服务器位于云端，通过运营商nb-iot无线链路对数据交换终端进行参数配置与待发送数据更新，对智能手机接收到的磁交换数据进行验证。
如图4所示，本实用新型基于扩频调制的智能手机磁数据交换装置在工作时，包括如下步骤：
步骤一、数据交换终端启动，通过nb-iot链路从后台服务器获取配置参数如调制阶数后完成初始化配置，接收待发送数据并以指定频率周期发送指定格式的ble通告消息，其后立即发送指定帧格式的磁数据交换帧；
步骤二、智能手机开启后，ble模块持续监听指定格式的ble通告消息，磁数据解调模块值守，磁力计处于休眠状态。
步骤三、ble模块捕获到指定格式的ble通告消息后，记录ble通告消息接收时间与数据交换终端的mac地址，并获取扩频调制阶数与数据传输状态：
√若数据传输状态为新数据开始，磁数据解调模块启动磁力计后，进行交换数据的解调，此后的操作与数据传输状态为数据传输中的操作相同。
√若数据传输状态为数据传输中，继续进行磁场采样，并基于扩频调制阶数对应的预定义帧格式，检测帧头：
■如果检测到帧头，记录当前位置、当前时刻的地磁强度，继续进行磁场采样，进行磁数据交换帧体的解调，本地缓存解调的数据bits；
■否则，磁数据解调模块重新进入值守，将磁力计设置为休眠。
√否则，执行与数据传输状态为数据传输中相同操作，完成后将本地缓存的多帧解调数据组成磁交换数据流，并与数据交换终端mac地址一起，打包成磁数据验证请求发送给后台服务器进行验证。磁数据解调模块重新进入值守，将磁力计设置为休眠，以节省智能手机功耗。
步骤四、后台服务器收到智能手机发来的磁数据验证请求，根据本地数据库中存储的数据交换终端mac地址、磁交换数据流以及有效期信息，进行验证，并将验证结果发送给智能手机。
步骤五、智能手机收到后台服务器返回的验证结果后，如果验证通过，则本次磁数据交换成功；否则，本次磁数据交换不成功。
由于磁数据交换帧样点持续时间与磁力计采样间隔不同，在进行磁数据解调时，必须考虑磁力计采样时刻信息，上述步骤三中的磁数据解调模块的解调流程如图5所示，包括如下步骤：
步骤一、磁数据交换帧第1个样点检测：磁力计第1个采样点的采样时刻与ble通告消息接收时间进行对比，如果小于单个样点持续时间(默认25ms)，则认为样点有效。
步骤二、磁数据交换帧头检测：如图2所示，磁力计连续采样多个样点，并记录每个样点的值和采样时刻，直到样点采样时刻距离ble通告消息接收时间大于帧头时长为止。在每个样点持续时间区间内选择1个距离区间边界最远的采样点，当这些采样点的采样值差别小于一个指定门限，判断帧头检测成功，记录这些采样点的采样平均值为当前时刻、当前位置的地球磁场强度；否则，终止解调过程。
步骤三、磁数据交换帧体解调：根据帧体时长进行连续采样，并在每个样点持续时间区间选择1个距离区间边界最远的采样点，记录真实采样值与地磁的差值作为处理后的该样点采样值。之后使用对应阶数的所有walsh序列与所有样点处理后的采样值进行相关，相关值最大的walsh序列对应数据bits即为磁交换数据。
进一步地，通过在每个样点持续时间区间内选择1个距离区间边界最远的采样点，确保系统不会因为智能手机磁力计传感器采样时钟的抖动导致采样到发生电平转换的相邻样点间的边缘信号，提升磁数据交换的可靠性。
以8阶walsh序列扩频调制为例，智能手机使用图3的(a.2)中的8个walsh序列与处理后的8个采样值进行相关，当传输bits为010时，对应8个采样值为“tt–t–ttt–t-t”(t为采样值大小，不考虑地磁噪声)，进行相关运算时，除walsh序列“11-1-111-1-1”能够产生8个样点的采样值同符号累加即t*1+t*1+(–t)*(-1)+(–t)*(-1)+t*1+t*1+(–t)*(-1)+(–t)*(-1)＝8t外，其他7个walsh序列的8个样点因为与该序列符号不同，导致样点采样值相互抵消，如对应bits为001的walsh序列“1-11-11-11-1”与“tt–t–ttt–t-t”相关，得到的相关值为t*1+t*(-1)+(–t)*1+(–t)*(-1)+t*1+t*(-1)+(–t)*1+(–t)*(-1)＝0，远小于walsh序列“11-1-111-1-1”对应的相关值8t，从而判断磁交换数据为010。
需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本实用新型，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本实用新型及所附权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本实用新型不应局限于实施例所公开的内容，本实用新型要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。
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