基于聲波認證的手機簽到系統

姚宏偉　吳震東

摘 要：本系統主要使用一種基于聲波通信的技術實現手機認證。傳統的簽到方式主要是人工登記，目前的簽到主要使用RFID技術、指紋識別。系統包括用于簽到的手機app、簽到接收端app，簽到服務器。用于簽到的手機，安裝有簽到系統軟件。文章對近場的通信現狀、系統原理和關鍵技術進行了分析。

關鍵詞：聲波認證；手機簽到系統

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

本系統主要使用一種基于聲波通信的技術實現手機認證。傳統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、指紋識別。

系統包括用于簽到的手機app、簽到接收端app，簽到服務器。用于簽到的手機，安裝有簽到系統軟件，具體包括本機信息存儲模塊、錄音模塊、發聲子系統和接收簽到子系統。簽到終端和簽到手機相同，安裝有簽到系統軟件，該系統軟件具體包括本機信息存儲模塊、錄音模塊、發聲子系統和接收簽到子系統。簽到服務器內置有將用戶標識和位置信息關聯的程序，該程序具體包括簽到信息接收模塊、信息檢索模塊、簽到數據庫。

1 近場通信現狀

NFC技術已經存在很多年，相對成熟，但是，仍然未能大規模在手機上應用，支持近場通信需要更換設備所導致的高成本，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將采用該技術兼容。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勢，目前市面上幾乎所有的iPhone，android和wphone手機無需升級改造均可以支持超聲波通信。

印度安全公司SlickLogin研發了一種使用電腦揚聲器產生高頻聲音，通過手機的麥克風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，主要用于移動傳輸文件功能。4年前，shopkick在大型超市實現了室內定位，后被證實正是應用了超聲波技術。2年前Facebook收購的Tagtile也同樣利用了超聲波技術實現royalty的管理系統。

2 系統原理

人能聽到的聲音在大約20～20 kHz范圍內，此范圍外的任何頻率人類聽覺系統難以察覺。現有移動設備一般能記錄和再現的聲音峰值頻率達到22 kHz。此限制是由這些設備的最大可能輸出采樣率44.1 kHz推得，實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，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，以對應我們能聽到的最低頻和最高頻，分別對這兩段信號進行40 kHz的采樣，我們可以得到的結果是：20 Hz的信號每次振動被采樣了40 K/20=2 000次，而20 kHz的信號每次振動只有2次采樣。顯然，在相同的采樣率下，記錄低頻的信息遠比高頻的詳細。

本系統采用采樣率為44.1 kHz，采樣大小為16 bit、雙聲道的PCM編碼，數據速率為44.1 k×16×2=1 411.2 kbps。

聲波簽到系統運行框圖如圖1所示。

運行步驟為：

①簽到終端持續發送編碼的聲波（code）。

②當簽到端機靠近簽到終端，手機端收到聲波，對聲波譯碼，將譯碼后碼字發送給簽到服務器認證。

③簽到服務器收到認證信息，檢測簽到終端節點（node）是否存在，如果存在，則向后臺數據庫寫入簽到數據、返回確認，完成簽到。

3 關鍵技術

為了減小數據處理過程中的延遲現象，采取了實時音頻數據采集和數據處理技術，而不是像某些類似SDK中使用的技術那樣，先錄音得到一段音頻文件，然后再進行數據處理。具體到Android平臺上，使用AudioTrack模塊來搭建PCM音頻數據的采集管道，在管道的最后一個節點上，對得到的PCM數據再進行進一步的處理。為了進一步降低延遲，使用手機的DSP硬件來進行快速傅里葉變換，具體到Android系統上，就是使Native相關內置函數進行音頻信號處理。

基于標準的2FSK，假如約定用1.6 kHz的音頻信號表示二進制的0，用1.7 kHz的音頻信號表示二進制的1，同時約定每一個bit持續的發送時間為100 ms，假設要發送一個8 bit的二進制數據11 001 010（忽略同步和校驗部分的bit），對于發送端來說，代碼邏輯相對簡單，只需要讓特定頻率的信號發送特定的時間就行了。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制解調過程，所以要完全用代碼來模擬整個過程。這里面涉及到傅里葉變換、濾波等大量的數字信號處理內容，經上述處理完畢后，音頻信號轉化為二進制的0和1序列，進入系統通信協議棧繼續處理。

舉個例子，對于十進制數據12 345 678，轉換成頻率值后，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），因為每一個bit對應的頻率值都會發生變化，那么接收端就可以忽略每個bit持續的時間，只需要檢測出每一次頻率值發生變化就行了，每一次變化后得到的數值，就可以對應到當前的bit位的值。使用這種調制解調的思路，接收端的代碼處理相對容易。

4 結 語

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

系統簽到端收到聲源信息的結果如圖2所示。從兩個手機截圖可以看出，左側手機發送的信息，被右側手機識別了，識別后即可進行簽到驗證。

參考文獻：

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