一种用于身份认证的水下声学电子标签及其控制方法

摘要

本发明公开一种用于身份认证的水下声学电子标签，包括模拟接收模块、声学标签模块、发射模块和分别为前述模块供电的电源模块，其中，模拟接收模块与收发合置水声换能器建立通信连接，所述模拟接收模块还与声学标签连接，将接收到的来自收发合置水声换能器的命令信号送入声学标签模块，声学标签模块输出端与发射模块连接，所述声学标签模块对信号处理后，获取水下设备相关信息，并将该信息由发射模块回送到读卡器。此种电子标签可用于实现水下的身份识别，可包含水下设备相关信息，且多个标签可同时被识别，为各港口获取设备信息提供了极大的方便。本发明还公开一种用于身份认证的水下声学电子标签的控制方法。

说明书

技术领域

本发明属于水声工程及海洋工程领域，特别涉及一种可用于在某一海域或港口获取水下设备相关信息的声学智能标签及其控制方法。

背景技术

随着社会生产对资源需求的逐渐加大和陆上资源的日益枯竭，人们越来越关注海洋资源的开发和利用，人们在海洋中的活动也势必越来越频繁。为了有效保障海洋安全，在某一特定海域或是港口，需要对潜艇、水下航行器（AUV）、水下无人航行器（UUV）、水蛙等水下设备进行身份识别。

目前，陆地上广泛采用射频识别（RFID）技术实现身份识别。RFID是一种无接触的自动识别技术，由读卡器和电子标签组成。读卡器通过发射天线向外发射射频信号，当电子标签进入读写器天线的工作区后即可被激活，经过标签自身的芯片电路调制后，标签将自身携带的信息通过标签天线发射出去；读卡器天线接收到标签发出的信号后，通过控制电路进行解调、解码，达到信息识别的目的。这种射频电子标签具有存储空间大、穿透性强、保密性好、安全性高、并且多个对象可同时被识别等优点，已广泛应用于物流、交通、运输、医疗等领域。从技术方面讲，RFID技术是通过电磁波进行信息的传递，由于水下环境的特殊性，电磁波在水下衰减极快，传播距离有限，无法在水下传输，则基于此技术的电子标签无法实现水下身份的识别。近几年发展迅速的基于声表面波技术的声表面波（SAW）标签，利用电磁波与声表面波的转换过程，利用压电材料上的反射栅对声表面波进行反射等处理，使声波携带特定编码信息，再次进行声表面波和电磁波转换过程，把声表面波携带的特定信息通过电磁波形式发送出去，可以用在液体物体上，但SAW标签是纯无源标签，不具有任何数据处理能力，不能对标签信息进行修改也不能同时识别多个标签，无法实现标签的智能识别。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种用于身份认证的水下声学电子标签及其控制方法，其可用于实现水下的身份识别，可包含水下设备相关信息，且多个标签可同时被识别，为各港口获取设备信息提供了极大的方便。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种用于身份认证的水下声学电子标签，包括模拟接收模块、声学标签模块、发射模块和分别为前述模块供电的电源模块，其中，模拟接收模块与收发合置水声换能器建立通信连接，所述模拟接收模块还与声学标签连接，将接收到的来自收发合置水声换能器的命令信号送入声学标签模块，声学标签模块输出端与发射模块连接，所述声学标签模块对信号处理后，获取水下设备相关信息，并将该信息由发射模块回送到读卡器。

上述模拟接收模块包括第一功放电路和第一滤波电路，所述第一功放电路的输入端与收发合置水声换能器连接，输出端连接第一滤波电路的输入端，所述第一滤波电路的输出端则连接声学标签模块，将命令信号依次进行放大、滤波后送入声学标签模块。

上述声学标签模块包括A/D转换器、DSP、CPLD、D/A转换器和存储器，其中，A/D转换器的输入端连接模拟接收模块，将滤波后的命令信号进行A/D转换后送入DSP；所述DSP分别连接CPLD和D/A转换器，DSP对接收的命令信号解调、解码后，根据接收到的命令信号，经由CPLD从存储器中调用存储信息或更新存储信息；所述CPLD分别连接DSP与存储器，对DSP处理后的数据流进行控制，将其存储于存储器中；所述D/A转换器分别连接DSP与发射模块，将DSP调用的存储信息进行D/A转换后送入发射模块。

上述发射模块包括第二滤波电路和第二功放电路，其中第二滤波电路的输入端连接声学标签模块，输出端连接第二功放电路，第二功放电路的输出端与收发合置水声换能器连接，第二滤波电路将模拟存储信息进行滤波后送入第二功放电路，再进行放大后经收发合置水声换能器送入读卡器。

上述电源模块包括模拟电源和数字电源，所述模拟电源为模拟接收模块及发射模块供电，所述数字电源则为声学标签模块供电。

一种用于身份认证的水下声学电子标签的控制方法，包括如下步骤：

（1）向电子标签写入标识性信息，唯一标示自己的身份；

（2）判断电子标签是否进入读卡器工作范围，如果未进入，控制电子标签处于空闲状态；如果进入，转步骤（3）；

（3）控制电子标签进入准备状态，准备结束读卡器发送过来的请求指令；

（4）当进入读卡器工作范围的电子标签不止一个时，控制电子标签进入防冲撞状态，通过防碰撞循环识别出一个电子标签，未被识别的电子标签在下一次防碰撞中继续循环；

（5）控制步骤（4）中识别出的电子标签与读卡器通信，所述电子标签对接收到的来自读卡器的命令信号进行处理，判断读卡器请求指令，读取或写入水下设备相关信息；

（6）读卡器对电子标签读/写操作完成后，控制电子标签进入休眠状态，直到读卡器发来唤起指令。

上述步骤（5）的详细内容是：

（51）读卡器向电子标签发送命令；

（52）电子标签对读卡器发送的命令进行SOF或EOF识别，如果检测到有效的SOF，识别其调制类型和编码类型，启动相应的功能模块对命令解调解码，得到所需要的命令内容；

（53）电子标签根据读卡器发送的命令内容进行读/写操作判断；

当读卡器发送写命令时，电子标签将读卡器要写入的相关信息解调解码后进行保存，更新设备信息；

当读卡器发送读命令时，读卡器从电子标签中读取水下设备相关信息；

（54）电子标签将存储器内水下设备相关信息组成数据帧，生成声学标签信息，并对生成的声学标签信息进行编码、调制；

（55）将生成的声学标签信号回送读卡器，读卡器对标签信号进行解调解码处理后，获得水下设备相关信息，完成电子标签与读卡器的通信。

采用上述方案后，本发明具有以下有益效果：

（1）本发明的外形采用完全密封圆柱体，几何尺寸稳定，能够承受相当于200米水深的压力，不渗水，能用于深海水下设备；

（2）本发明采用基于水声换能器的设计，采用声信号作为标签信号在水下传输，使其能够实现水下身份认证；

（3）本发明可以根据需要配置成不同的工作模式，节省电源。

附图说明

图1是本发明的工作示意图；

图2是本发明的整体架构示意图；

图3是本发明的电路结构框图；

图4是本发明在应用时的实施结构示意图；

图5是本发明的工作流程图；

图6是本发明与读卡器通信过程流程图；

图7是读卡器命令帧格式图；

图8是本发明的信息帧格式图；

图9是时隙ALOHA算法原理示意图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

首先配合图1所示，是本发明在实际工作中的状态图，本发明提供一种用于身份认证的水下声学电子标签，该标签中存储有水下设备型号、名称、制造商、始发地、任务以及目的地等相关信息；读卡器是读/写电子标签信息的设备，按照与电子标签约定的通信协议利用收发合置水声换能器向电子标签发送命令，而电子标签根据收到的命令将存储信息回传给读卡器，从而实现读卡器对电子标签所存储信息的读取；所述读卡器与计算机连接，计算机对读卡器读出的信息进行管理，并且可根据需要修改或添加信息，完成通信传输功能。所述电子标签与读卡器通过声波传递信息，通信载频通常只在十几KHz，所以本发明设计的电子标签与读卡器的通信协议参考ISO/IEC1800-2标准，该标准规定了频率小于135KHz的空中接口通信协议参数。

如图2所示，本发明提供一种用于身份认证的水下声学电子标签，包括电源模块、模拟接收模块、声学标签模块和发射模块，其中，电源模块分别与模拟接收模块、声学标签模块、发射模块连接，完成标签的电能供给；模拟接收模块与声学标签模块连接，将接收到的命令信号送入声学标签模块；声学标签模块的输出端与发射模块连接，所述声学标签模块对接收的命令信号处理后，获取水下设备相关信息，将该信息由发射模块回送到读卡器，实现与读卡器的通信。

结合图3所示，具体介绍各功能模块的设计原理与组成部分。

模拟接收模块包括功放电路和滤波电路，所述功放电路的输入端连接收发合置水声换能器，输出端连接滤波电路的输入端，将读卡器发送的命令信号依次进行放大、滤波后送入声学标签模块；所述声学标签模块包括A/D转换器、DSP、CPLD、D/A转换器和存储器，其中，A/D转换器的输入端连接模拟接收模块中的滤波电路，将滤波后的命令信号进行A/D转换后送入DSP，所述DSP是声学标签模块的核心部分，分别与CPLD及D/A转换器连接，DSP对命令信号进行解调、解码后，根据接收到的命令信号，经由CPLD从存储器中调用存储信息或更新存储信息，如果是调用存储信息，则将调用的存储信息编码、调制后送入D/A转换器；所述CPLD与存储器连接，用于对数据流进行控制，并将数据存储于存储器中；所述存储器用于存储水下设备的名称、类型、制造商、始发地、任务、目的地等相关信息，这些信息在电子标签安装在水下设备前已被写入；所述D/A转换器的输入端连接DSP，输出端连接发射模块滤波电路，将DSP调用的存储信息进行D/A转换，然后送入发射模块。

发射模块包括滤波电路和功放电路，所述滤波电路的输入端连接声学标签模块中的D/A转换器，将模拟存储信息进行滤波后送入功放电路，再进行放大后送入读卡器。

电源模块包括模拟电源和数字电源，所述模拟电源为模拟接收模块及发射模块各组成单元供电，所述数字电源则为声学标签模块各组成单元供电。

如图4所示为本发明的一种外形实施结构，所述的实施结构采用圆柱体外观设计，外壳为不锈钢材质，整体结构分为上下三部分，顶部设有收发合置水声换能器1，中部为电子舱2，底部为电池舱3，且在外壳设有安装孔4，电子标签通过设在安装孔4的螺钉固定在水下设备中，具体来说，模拟接收模块及发射模块也设于顶部，完成标签信号的接收与发送；声学标签模块设于电子舱2，负责与读卡器通信，读取水下设备信息或更新信息；电源模块则设于电池舱3中，实现整个声学电子标签的电能供给。实际应用中可根据具体需要对外壳外型进行改造，但保证其组成部分及功能模块不变。

图5给出了本发明的控制方法工作流程图：

步骤S5-1：电子标签安装在水下设备前，在存储器内写入水下设备名称、类型、制造商、始发地、任务、目的地等标识性信息，唯一标示自己的身份，这些相关信息的具体定义见表3。

步骤S5-2：电子标签进入读卡器工作范围前处于空闲状态，内部信息不会泄漏或遗失，并且保持休眠状态，减少标签功耗，节省电源。

步骤S5-3：电子标签进入读卡器工作范围后，进入准备状态，准备接收读卡器发送过来的请求指令。

步骤S5-4：当读卡器工作范围内电子标签不止一个时，标签进入防冲撞状态。通过防碰撞循环识别出一个标签，未被识别的标签在下一次防碰撞中继续循环。

步骤S5-5：选中的电子标签与读卡器通信，DSP对接收到的命令信号进行处理，判断读卡器请求指令，读取或写入水下设备相关信息，后文将详细说明。

步骤S5-6：读卡器对电子标签读/写操作完成后，发出停止命令，电子标签进入休眠状态，直到读卡器发来唤起指令。

如图6所示，前述步骤S5-5的详细流程如下：

步骤S6-1：读卡器向电子标签发送命令，发送命令帧格式如图7所示，包含下列区域：帧开始标志SOF、标志位、命令码、参数、数据、CRC编码、帧结束标志（EOF）。

步骤S6-2：电子标签对读卡器发送的命令进行是SOF还是EOF识别，如果检测到有效的SOF，识别其调制类型和编码类型，启动相应的功能模块对命令解调解码，得到所需要的命令内容。由于水声信道的多途传播，造成严重的码间干扰，增大传输误码率，为保证命令内容的可靠和正确接收，提高读卡器与电子标签的通信性能，对接收到的命令还需采取均衡技术以克服码间干扰。

步骤S6-3：电子标签根据读卡器发送的命令内容进行读/写操作判断。读/写命令由读卡器发送的命令帧中的命令码区域决定。

步骤S6-4：当读卡器发送写命令时，电子标签将读卡器要写入的相关信息解调解码后存入存储器，更新设备信息。读卡器将要写入电子标签的信息存储在读卡器发送的命令帧中的数据区域。

步骤S6-5：当读卡器发送读命令时，读卡器从电子标签中读取水下设备相关信息。

步骤S6-6：电子标签将存储器内水下设备相关信息组成数据帧，生成声学标签信息，帧格式如图8所示，包括SOF、标志位、数据、CRC、EOF几个区域。SOF为帧开始标志，预示数据帧的开始，使读卡器实现帧同步，采用6位数据“111101”；标志域由8bit组成，各bit定义见表1，当错误标志被标签设置时，错误代码域将提供当前错误信息，错误代码定义如表2所示；数据段定义声学标签（1）的识别码和数据结构，本实施例设计的电子标签采用64位唯一标识符（UID）标识水下设备，该标识符高8位定义“E0”，接着是8位的制造商码和48位的惟一序列号，具体信息定义见表3；CRC是数据包中使用的错误检测机制，检查数据的传输错误，本发明采用16位编码；EOF为帧结束标志，预示数据传输完成，采用6位数据“101111”。

表1

表2

  错误代码  含义  0  没有错误

  1  命令不支持，即未认出请求代码  2  命令未认出，譬如：格式错误  3  指定块无效(不存在)  4  指定块已加锁，其内容不能改变  5  指定块加锁不成功  6  备用（RFU）  7  未知错误

表3

步骤S6-7：对生成的声学标签信息进行编码、调制。考虑到水下环境复杂多变，干扰严重，带宽有限，载波频率低等特点，本发明规定读卡器与电子标签通信距离为几十到几千米，通信频段为5～20KHz，数据平均传输速率为4kbit/s。编码方式采用曼彻斯特（Manchester）编码，因为该方法有利于发现数据传输的错误，多标签发送时可以有效判定碰撞发生的具体位置；调制方式采用频移键控（FSK），该方式抗干扰能力强，硬件实现简单，其中“0”用载频f0=10KHz调制，“1”用载频f1=11KHz调制。所述仅为本发明实施例，实际应用时可根据具体通信情况改变通信距离和数据传输速率，采用其它的编码方式和调制技术，如反向不归零（NRZ）编码、米勒（Miller）编码、正交相移键控（QPSK）调制、正交振幅调制（QAM）调制等。

步骤S6-8：将生成的声学标签信号回送读卡器，读卡器对标签信号进行解调解码处理后，获得水下设备相关信息，完成电子标签与读卡器的通信。

本发明采用的声学标签防碰撞机制采用时隙ALOHA算法，该算法将信道分成许多时隙（Slot）,标签只在规定的同步时隙内传输数据。该协议不需要握手进行竞争，实现简单，适合传播延时严重的水下环境。具体方法是：本发明设计的每个电子标签都有自己的UID号，读卡器在读取所有标签的存储信息前，先通过读卡器发送的特定命令读取所有标签的UID号，产生读卡器工作范围内所有标签的UID清单，然后针对某一UID发送命令，则在同一时隙内只有一个标签与读卡器交换数据，实现了标签防碰撞。本发明采用16个时隙数进行数据传输，下面以实例说明用该方法实现防碰撞的原理，见图9，相关步骤如下：

步骤9.1：读卡器首先发送询问请求，以EOF为帧结束标志，时隙个数为16，时隙长度为4。

步骤9.2：电子标签在时隙0内响应。在此时隙内，只有标签1响应，没有碰撞产生，电子标签的UID被读卡器正确接收。

步骤9.3：读卡器发出EOF，跳到下一个时隙

步骤9.4：在时隙1内，标签2和标签3同时响应，产生碰撞，读卡器检测出该碰撞并记录。

步骤9.5：阅读器发送一个EOF，跳到下一个时隙。

步骤9.6：在时隙2，没有电子标签响应，读卡器检测不到电子标签的SOF，于是读卡器发出EOF，跳到下一个时隙。

步骤9.7：在时隙3，标签4和标签5同时响应，同样造成碰撞。

步骤9.8：读卡器决定对标签1进行操作，发送一个带有标签1的UID请求。

步骤9.9：所有电子标签检测到SOF，退出防碰撞序列转而处理此指令。因为此请求是针对标签1的，只有标签1作出响应。中断防碰撞序列由读卡器决定，读卡器也可以等到时隙15完毕后再发送请求对标签1操作。

步骤9.10：所有的电子标签准备接收新的请求，如果是询问请求，时隙数将从0重新开始。

图中所示：

t1-对电子标签而言，即从电子标签接收读卡器的EOF到电子标签可以发送之前的等待时间。

t2-对读卡器而言，即从读卡器接收电子标签对前一请求的应答序列的EOF或者在读卡器发送静止请求序列EOF后，到读卡器可以发送下一请求之前的等待时间。用于确保电子标签就绪，以便接收后续请求。

t3-对读卡器而言，在询问操作中，当读卡器未收到电子标签应答时，从读卡器的前一EOF后，到读卡器可以发送下一EOF的等待时间。

本发明对上述时间值的规定如表4所示，其中tsof是指电子标签发送SOF到读卡器持续的时间，fc为水声通信载波频率，取值通常在5～20KHz，本实施例取18KHz。

表4

  时间  最小值  一般值  最大值  t1  5.2ms(94/fc)  5.3ms(96/fc)  5.4ms(98/fc)  t2  1.7ms(30/fc)  1.8ms(32/fc)  1.9ms(34/fc)  t3  t1最大值+tsof      -       -

综上所述，本发明具有以下创新点：

（1）本发明提出一种用于水下身份识别的声学智能标签设计，所述标签外型采用完全密封圆柱体，几何尺寸稳定，能够承受相当于200米水深的压力，不渗水，能用于深海水下设备；

（2）与传统RFID相比，标签采用基于水声换能器的设计，采用声信号作为标签信号在水下传输，使其能够用于水下环境；

（3）电路设计信号处理部分采用低功耗DSP，处理速度快，加快标签信号读取与写入，同时还具有休眠状态，节省电源；并且标签能够依据读卡器的命令对信息进行修改和添加，增加了应用价值。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。