帶定位系統的無(wú)線(xiàn)藍牙智能移動(dòng)電源的設計研究論文

　　本課題的設計研究是基于超低功耗藍牙協(xié)議的無(wú)線(xiàn)智能電源應用及管理系統，它由內置藍牙4.0模塊和溫度及3D加速傳感器的移動(dòng)電源硬件產(chǎn)品，智能手機終端App，以及數據分析處理的云服務(wù)三者結合，在移動(dòng)智能終端實(shí)現和硬件的無(wú)線(xiàn)互聯(lián)及信息傳輸應用開(kāi)發(fā)，在iOS平臺實(shí)現對底層藍牙4.0模塊及接口的調用，對無(wú)線(xiàn)傳輸信號偵測及無(wú)線(xiàn)傳輸距離的設置，并根據應用邏輯進(jìn)行應用行為開(kāi)發(fā)及界面開(kāi)發(fā)。研究使普通移動(dòng)電源在充電功能基礎上增加智能感知功能，并且能和用戶(hù)的智能手機終端進(jìn)行無(wú)線(xiàn)交互和控制，同時(shí)電源數據還可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò )在云端進(jìn)行存儲，將用戶(hù)對移動(dòng)電源的使用習慣、物品丟失等進(jìn)行進(jìn)一步分析，最終實(shí)現移動(dòng)電源智能化、聯(lián)網(wǎng)化。

　　1 設計背景

　　根據艾瑞咨詢(xún)集團發(fā)布的中國智能終端規模數據，2014年中國智能手機的保有量為7.8億臺，同比增長(cháng)34.3%，預計到2017年將達到11.3億臺;2014年手機出貨量為3.9億臺，比上年增長(cháng)21.9%，預計到2017年將達到5.2億臺，這就為智能手機相關(guān)的配件市場(chǎng)提供了更大的空間。據海外市場(chǎng)研究機構ABI Research數據顯示，預期智能手機配件市場(chǎng)將在2017年成長(cháng)至380億美元。

　　在手機的配件中，電池占了很大的比重。而傳統電池容量每十年才提高20%，與智能手機、平板電腦等高耗電量設備的普及速度不成正比，已無(wú)法滿(mǎn)足科技發(fā)展和人們生活的需要。因此移動(dòng)電源的出現和研究，極具價(jià)值。而目前，便攜式移動(dòng)電源仍需解決無(wú)法智能化和數據化等缺陷，因而本課題針對移動(dòng)電源和手機易被盜、移動(dòng)電源無(wú)法智能化和數據化等缺陷，以藍牙4.0技術(shù)為核心，研究設計帶定位系統的無(wú)線(xiàn)藍牙智能移動(dòng)電源。

　　2 設計原理與思路

　　2.1 設計原理

　　無(wú)線(xiàn)藍牙智能移動(dòng)電源是基于國際藍牙組織發(fā)布的最新藍牙4.0協(xié)議進(jìn)行工作的，主要原理是應用了無(wú)線(xiàn)藍牙技術(shù)和搭載傳感器的集成電路通過(guò)手機上配套的'App使得各個(gè)平臺之間無(wú)線(xiàn)連接，并且可以充分利用云端的優(yōu)勢進(jìn)行數據存儲和分析以及進(jìn)一步應用拓展。

　　2.2 設計思路

　　實(shí)現將藍牙4.0作為物聯(lián)網(wǎng)內各種設備的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)基礎，自主研發(fā)智能手機的智能配件產(chǎn)品及配套的移動(dòng)端App，實(shí)現智能配件和手機的無(wú)線(xiàn)互聯(lián)及命令、數據傳輸，并基于超低功耗藍牙技術(shù)結合各種傳感器信息搜集，以及結合目前消費電子產(chǎn)品市場(chǎng)上具有廣泛認知及銷(xiāo)量的移動(dòng)電源產(chǎn)品，并提供嵌入式集成電路開(kāi)發(fā)、移動(dòng)智能終端軟件開(kāi)發(fā)及云端計算及大數據量存儲交互的一體化解決方案，真正實(shí)現電子產(chǎn)品智能化。

　　手機端App主界面可以獲取和手機相無(wú)線(xiàn)連接的移動(dòng)電源內部的諸多信息，包括：移動(dòng)電源當前電量、對各種智能設備如手機或Pad預估充電次數、當前電源預計充滿(mǎn)電所需時(shí)間等，并且具有電源和手機端進(jìn)行無(wú)線(xiàn)連接或斷開(kāi)的設置按鈕以及電源設置操作按鈕等，還可通過(guò)按動(dòng)移動(dòng)移動(dòng)電源home鍵遙控手機拍照。移動(dòng)電源設置界面可設置各種移動(dòng)電源狀態(tài)或情況下的提醒(圖1)。

　　3 設計制作與步驟

　　3.1 無(wú)線(xiàn)藍牙智能移動(dòng)電源的內部設計

　　無(wú)線(xiàn)藍牙智能移動(dòng)電源包括主控模塊和分別與主控模塊電連接的升壓模塊、充電管理模塊、電量讀取模塊和通信模塊;電芯通過(guò)電芯保護模塊與充電管理模塊、升壓模塊和電量讀取模塊電連接;充電管理模塊連接有USB充電接口，升壓模塊連接有USB放電接口。

　　通信模塊采用藍牙模塊，與主控模塊電連接并與外部移動(dòng)設備(如手機、筆記本電腦等)通信連接，用于為外部移動(dòng)設備提供移動(dòng)電源的電量信息和內部相關(guān)信息。內部相關(guān)信息包括電壓信息、電流信息、溫度信息等。

　　無(wú)線(xiàn)藍牙移動(dòng)電源和手機或Pad等外部移動(dòng)設備之間的通信包含數據通信和命令通信兩種：

　　(1)數據通信。主要是指從移動(dòng)電源內部傳感器讀取的電源內部溫度、3D加速度數據和電量控制模塊讀取的電源電壓、電流、電量數據，這些數據可以實(shí)時(shí)傳輸到手機或Pad端，通過(guò)App的加工處理，以各種可擴展的應用展示給用戶(hù)，或對用戶(hù)操作進(jìn)行提醒。

　　(2)命令通信。主要是指通過(guò)移動(dòng)電源上按鈕，對其觸發(fā)相應的指令傳輸到手機或者Pad端，通過(guò)App對手機或Pad進(jìn)行無(wú)線(xiàn)遙控操作，比如遙控照相、遙控連續拍照、遙控攝像、遙控錄音、遙控觸發(fā)手機鈴聲以找到手機等;同時(shí)還可以反向通過(guò)手機端App，發(fā)出命令，傳輸到移動(dòng)電源上，觸發(fā)電源報警鈴聲以尋找電源。

　　3.2 無(wú)線(xiàn)藍牙智能移動(dòng)電源的外部設計

　　(1)材料選用無(wú)線(xiàn)藍牙智能移動(dòng)電源以航空鋁美合金為主要原材料，以充分保障電源散熱。外觀(guān)設計主要包括功能端口：充電接口、放電接口、Home鍵，以及電量指示燈。

　　(2)隱藏式卡口設計。在移動(dòng)電源外部設置可隱藏式卡扣，方便移動(dòng)電源用戶(hù)在戶(hù)外或需要一邊充電一邊使用設備時(shí)，能較方便移動(dòng)電源固定。另外，移動(dòng)電源的隱藏式卡扣還可以在用戶(hù)收納電源時(shí)夾在包袋內，避免四處滑動(dòng)，難于尋找。如圖2所示。

　　3.3 配套的智能手機端APP設計

　　配套的智能手機端APP的設計能支持iOS系統，這就需要iOS平臺的藍牙4.0配套協(xié)議邏輯實(shí)現。

　　主要在用戶(hù)界面部分和藍牙穩定性方面進(jìn)行了設計：

　　主要電源信息實(shí)時(shí)顯示部分作為主頁(yè)面，實(shí)時(shí)向用戶(hù)顯示電源信息和根據基礎信息計算出的應用相關(guān)信息;遙控拍照和攝像單獨一個(gè)頁(yè)面，提供拍照設置、前后攝像頭選擇、閃光燈選擇等功能，并且支持多達15張照片連續拍攝。

　　藍牙連接穩定性方面，每臺電源設備有唯一編碼，完全可以做唯一識別判斷，本項目設計的iOS平臺的App，能和多達8臺電源設備同時(shí)進(jìn)行連接，在20米范圍內可以持續穩定連接，抗干擾性強，并且藍牙連接在超過(guò)設定的安全距離報警后，當電源設備回到安全距離范圍內，藍牙連接可以迅速地自動(dòng)重新握手建立連接，無(wú)需額外操作，連接過(guò)程對用戶(hù)透明，提高用戶(hù)體驗。

　　3.4 制作步驟

　　硬件制作→APP交互流程設計→用XCODE軟件進(jìn)行app程序編譯→功能ICON設計→繪制app界面并進(jìn)行界面視效整體優(yōu)化

　　4 創(chuàng )新性分析

　　帶定位系統的無(wú)線(xiàn)藍牙智能移動(dòng)電源的設計是基于藍牙4.0技術(shù)研發(fā)的移動(dòng)電源硬件和智能手機終端App，通過(guò)兩者和數據分析處理的云服務(wù)三者結合實(shí)現智能配件和手機的無(wú)線(xiàn)互聯(lián)及命令、數據傳輸，并基于超低功耗藍牙技術(shù)結合移動(dòng)電源內部的傳感器進(jìn)行信息搜集，以及結合目前消費電子產(chǎn)品市場(chǎng)上消費者對于移動(dòng)電源的需求，并提供無(wú)線(xiàn)充電、遙控拍照與手機上配套的App連接，在云端進(jìn)行數據存儲和分析，真正實(shí)現電子產(chǎn)品智能化。

　　4.1 理論與技術(shù)創(chuàng )新

　　本項目將藍牙無(wú)線(xiàn)通信模塊與傳統消費電子產(chǎn)品相結合，在傳統移動(dòng)電源基礎上，增加了藍牙無(wú)線(xiàn)通信模塊、溫度傳感器、3D加速度感應器，將傳統移動(dòng)電源產(chǎn)品進(jìn)行了智能性擴展。硬件產(chǎn)品和智能終端App配套開(kāi)發(fā)，使電源具有和智能手機之間進(jìn)行數據傳遞和命令傳遞的能力，并且可以擴展多種相關(guān)功能以及用于進(jìn)行終端用戶(hù)使用模式的行為數據分析，最終實(shí)現移動(dòng)電源智能化、數據化。

　　在技術(shù)上，帶定位系統的無(wú)線(xiàn)藍牙智能移動(dòng)電源將藍牙4.0作為物聯(lián)網(wǎng)內各種設備的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)基礎，驗證了其穩定安全傳輸、遠距離無(wú)線(xiàn)通信、低功耗、小體積、1對多的可行性和技術(shù)優(yōu)勢;成功搭建了云服務(wù)器集群，實(shí)現負載均衡，大數據量存儲;在手機端iOS平臺，實(shí)現對底層藍牙4.0模塊及接口的調用，對無(wú)線(xiàn)傳輸信號偵測及無(wú)線(xiàn)傳輸距離的設置，開(kāi)發(fā)了支持藍牙4.0協(xié)議的配套APP;解決一臺移動(dòng)智能終端和多臺藍牙4.0模塊設備的連接，實(shí)現一對多的主從模式控制，實(shí)現了移動(dòng)電源的智能化和聯(lián)網(wǎng)化。

　　4.2 應用創(chuàng )新

　　(1)將物聯(lián)技術(shù)和個(gè)人移動(dòng)終端電子產(chǎn)品相結合，增加了電子產(chǎn)品智能化及附加值應用。

　　雖然目前移動(dòng)電源產(chǎn)品興起于2011年，但技術(shù)含量低，移動(dòng)電源本身除了作為應急充電電源外，不具備其他擴展功能和智能體驗。而本項目設計將藍牙4.0無(wú)線(xiàn)傳輸模塊和傳感器模塊內置入移動(dòng)電源的方式，在手機端開(kāi)發(fā)配套App，實(shí)現智能手機和移動(dòng)電源的無(wú)線(xiàn)互聯(lián)以及數據、命令傳輸，并在基礎上實(shí)現智能化功能擴展，為用戶(hù)帶來(lái)更好的體驗。

　　(2)可以從智能手機端實(shí)時(shí)獲取電源內部電量、溫度、是否跌落等信息，并獲取各種提醒，實(shí)現移動(dòng)電源智能化，同時(shí)收集大量信息數據傳送到云服務(wù)器，進(jìn)行深入分析與處理。

　　目前市面上在售的普通移動(dòng)電源無(wú)法獲知在消費者中的實(shí)際使用行為，而本設計研究的帶定位系統的無(wú)線(xiàn)藍牙智能移動(dòng)電源可以將用戶(hù)電源信息、對電源的使用情況和行為等數據信息實(shí)時(shí)采集到手機終端，再通過(guò)網(wǎng)絡(luò )傳輸到云端，進(jìn)行存儲，從大規模數據中進(jìn)行分析。 例如，只要手機與移動(dòng)電源分離達到20米左右，兩者就會(huì )同時(shí)發(fā)出定位報警提示，用戶(hù)都會(huì )收到及時(shí)提醒。也具備了防竊功能。

　　通過(guò)報警情況收集，在云端反映出用戶(hù)的使用習慣，對經(jīng)常發(fā)生手機或者電源遺失的地點(diǎn)等情況進(jìn)行收集分析，從而推知在最容易發(fā)生物品遺失的地址，提前進(jìn)行多種提示，避免損失。

　　(3)可以通過(guò)移動(dòng)電源上按鈕觸發(fā)手機無(wú)線(xiàn)遙控拍照、攝像。通過(guò)藍牙4.0無(wú)線(xiàn)傳輸協(xié)議，智能移動(dòng)電源和智能手機之間除了進(jìn)行數據的傳輸，可以進(jìn)行命令的互相傳輸。在移動(dòng)電源端硬件上設計的按鈕，當手機和電源在安全范圍內保持無(wú)線(xiàn)互聯(lián)的狀態(tài)下，可通過(guò)按動(dòng)電源上的按鈕，觸發(fā)指令，控制移動(dòng)電源通過(guò)中控模塊向無(wú)線(xiàn)傳輸模塊發(fā)出相應的命令，命令被手機端無(wú)線(xiàn)模塊收到，并經(jīng)過(guò)App的解析，根據當前App所設置是拍照或攝像狀態(tài)，在手機端調用相應的拍照或攝像命令，即可實(shí)現通過(guò)移動(dòng)電源無(wú)線(xiàn)遙控手機拍照或者攝像的功能。

　　(4)具有五重保護技術(shù)，可以實(shí)現低靜態(tài)、持續全兼容和高效節能安全充電。所謂五重保護指的是過(guò)充保護、過(guò)放保護、過(guò)流保護、短路保護及過(guò)溫保護，通過(guò)內部數字化管理系統精準的計算出延遲時(shí)間，在電源過(guò)充、過(guò)放、過(guò)流、短路以及過(guò)溫的情況下關(guān)閉電路，從而有效保護移動(dòng)電源及充電電子設備的安全性。帶定位系統的無(wú)線(xiàn)藍牙智能充電電源可以高效節能充電、給其他電子設備充電并保持低靜態(tài)充電，延長(cháng)電池的使用壽命。

　　4.3 結構創(chuàng )新

　　(1)外部設計方面。本設計研究的帶定位系統的無(wú)線(xiàn)藍牙智能移動(dòng)電源外觀(guān)采用陽(yáng)極氧化處理的航空鋁鎂合金材質(zhì)，可以充分散熱。同時(shí)外部設置了可隱藏式卡扣，方便用戶(hù)固定移動(dòng)電源。

　　(2)在電路設計方面。本項目電源的電路高度集成，各個(gè)模塊排布充分考慮兼容性、干擾性、以及天線(xiàn)調優(yōu)，內部電路板面積僅有50mm*20mm，并不占用電池體積，從而產(chǎn)成品體積小，定制5000mAh和10000mAh電芯配合電路板外觀(guān)，整體電源體積小，僅有65mm*120mm;無(wú)線(xiàn)天線(xiàn)采用全方向性高增益天線(xiàn)，并充分調優(yōu)，使得智能移動(dòng)電源本身和智能手機之間可以保持最遠距離60米的無(wú)線(xiàn)通訊距離，考慮到實(shí)際的防丟功能需求，從軟件上進(jìn)行設置，在防丟定位功能啟用下，保持20米安全距離。同時(shí)可以支持全金屬外殼，不會(huì )影響天線(xiàn)工作和信號傳遞。

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