帶定位系統(tǒng)的無線藍(lán)牙智能移動電源的設(shè)計研究論文
本課題的設(shè)計研究是基于超低功耗藍(lán)牙協(xié)議的無線智能電源應(yīng)用及管理系統(tǒng)，它由內(nèi)置藍(lán)牙4.0模塊和溫度及3D加速傳感器的移動電源硬件產(chǎn)品，智能手機終端App，以及數(shù)據(jù)分析處理的云服務(wù)三者結(jié)合，在移動智能終端實現(xiàn)和硬件的無線互聯(lián)及信息傳輸應(yīng)用開發(fā)，在iOS平臺實現(xiàn)對底層藍(lán)牙4.0模塊及接口的調(diào)用，對無線傳輸信號偵測及無線傳輸距離的設(shè)置，并根據(jù)應(yīng)用邏輯進行應(yīng)用行為開發(fā)及界面開發(fā)。研究使普通移動電源在充電功能基礎(chǔ)上增加智能感知功能，并且能和用戶的智能手機終端進行無線交互和控制，同時電源數(shù)據(jù)還可以通過網(wǎng)絡(luò)在云端進行存儲，將用戶對移動電源的使用習(xí)慣、物品丟失等進行進一步分析，最終實現(xiàn)移動電源智能化、聯(lián)網(wǎng)化。
1 設(shè)計背景
根據(jù)艾瑞咨詢集團發(fā)布的中國智能終端規(guī)模數(shù)據(jù)，2014年中國智能手機的保有量為7.8億臺，同比增長34.3%，預(yù)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21.9%，預(yù)計到2017年將達到5.2億臺，這就為智能手機相關(guān)的配件市場提供了更大的空間。據(jù)海外市場研究機構(gòu)ABI Research數(shù)據(jù)顯示，預(yù)期智能手機配件市場將在2017年成長至380億美元。
在手機的配件中，電池占了很大的比重。而傳統(tǒng)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(shè)備的普及速度不成正比，已無法滿足科技發(fā)展和人們生活的需要。因此移動電源的出現(xiàn)和研究，極具價值。而目前，便攜式移動電源仍需解決無法智能化和數(shù)據(jù)化等缺陷，因而本課題針對移動電源和手機易被盜、移動電源無法智能化和數(shù)據(jù)化等缺陷，以藍(lán)牙4.0技術(shù)為核心，研究設(shè)計帶定位系統(tǒng)的無線藍(lán)牙智能移動電源。
2 設(shè)計原理與思路
2.1 設(shè)計原理
無線藍(lán)牙智能移動電源是基于國際藍(lán)牙組織發(fā)布的最新藍(lán)牙4.0協(xié)議進行工作的，主要原理是應(yīng)用了無線藍(lán)牙技術(shù)和搭載傳感器的集成電路通過手機上配套的'App使得各個平臺之間無線連接，并且可以充分利用云端的優(yōu)勢進行數(shù)據(jù)存儲和分析以及進一步應(yīng)用拓展。
2.2 設(shè)計思路
實現(xiàn)將藍(lán)牙4.0作為物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)各種設(shè)備的無線通信技術(shù)基礎(chǔ)，自主研發(fā)智能手機的智能配件產(chǎn)品及配套的移動端App，實現(xiàn)智能配件和手機的無線互聯(lián)及命令、數(shù)據(jù)傳輸，并基于超低功耗藍(lán)牙技術(shù)結(jié)合各種傳感器信息搜集，以及結(jié)合目前消費電子產(chǎn)品市場上具有廣泛認(rèn)知及銷量的移動電源產(chǎn)品，并提供嵌入式集成電路開發(fā)、移動智能終端軟件開發(fā)及云端計算及大數(shù)據(jù)量存儲交互的一體化解決方案，真正實現(xiàn)電子產(chǎn)品智能化。
手機端App主界面可以獲取和手機相無線連接的移動電源內(nèi)部的諸多信息，包括：移動電源當(dāng)前電量、對各種智能設(shè)備如手機或Pad預(yù)估充電次數(shù)、當(dāng)前電源預(yù)計充滿電所需時間等，并且具有電源和手機端進行無線連接或斷開的設(shè)置按鈕以及電源設(shè)置操作按鈕等，還可通過按動移動移動電源home鍵遙控手機拍照。移動電源設(shè)置界面可設(shè)置各種移動電源狀態(tài)或情況下的提醒(圖1)。
3 設(shè)計制作與步驟
3.1 無線藍(lán)牙智能移動電源的內(nèi)部設(shè)計
無線藍(lán)牙智能移動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(lán)牙模塊，與主控模塊電連接并與外部移動設(shè)備(如手機、筆記本電腦等)通信連接，用于為外部移動設(shè)備提供移動電源的電量信息和內(nèi)部相關(guān)信息。內(nèi)部相關(guān)信息包括電壓信息、電流信息、溫度信息等。
無線藍(lán)牙移動電源和手機或Pad等外部移動設(shè)備之間的通信包含數(shù)據(jù)通信和命令通信兩種：
(1)數(shù)據(jù)通信。主要是指從移動電源內(nèi)部傳感器讀取的電源內(nèi)部溫度、3D加速度數(shù)據(jù)和電量控制模塊讀取的電源電壓、電流、電量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以實時傳輸?shù)绞謾C或Pad端，通過App的加工處理，以各種可擴展的應(yīng)用展示給用戶，或?qū)τ脩舨僮鬟M行提醒。
(2)命令通信。主要是指通過移動電源上按鈕，對其觸發(fā)相應(yīng)的指令傳輸?shù)绞謾C或者Pad端，通過App對手機或Pad進行無線遙控操作，比如遙控照相、遙控連續(xù)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;同時還可以反向通過手機端App，發(fā)出命令，傳輸?shù)揭苿与娫瓷�，觸發(fā)電源報警鈴聲以尋找電源。
3.2 無線藍(lán)牙智能移動電源的外部設(shè)計
(1)材料選用無線藍(lán)牙智能移動電源以航空鋁美合金為主要原材料，以充分保障電源散熱。外觀設(shè)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(shè)計。在移動電源外部設(shè)置可隱藏式卡扣，方便移動電源用戶在戶外或需要一邊充電一邊使用設(shè)備時，能較方便移動電源固定。另外，移動電源的隱藏式卡扣還可以在用戶收納電源時夾在包袋內(nèi)，避免四處滑動，難于尋找。如圖2所示。
3.3 配套的智能手機端APP設(shè)計
配套的智能手機端APP的設(shè)計能支持iOS系統(tǒng)，這就需要iOS平臺的藍(lán)牙4.0配套協(xié)議邏輯實現(xiàn)。
主要在用戶界面部分和藍(lán)牙穩(wěn)定性方面進行了設(shè)計：
主要電源信息實時顯示部分作為主頁面，實時向用戶顯示電源信息和根據(jù)基礎(chǔ)信息計算出的應(yīng)用相關(guān)信息;遙控拍照和攝像單獨一個頁面，提供拍照設(shè)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(xù)拍攝。
藍(lán)牙連接穩(wěn)定性方面，每臺電源設(shè)備有唯一編碼，完全可以做唯一識別判斷，本項目設(shè)計的iOS平臺的App，能和多達8臺電源設(shè)備同時進行連接，在20米范圍內(nèi)可以持續(xù)穩(wěn)定連接，抗干擾性強，并且藍(lán)牙連接在超過設(shè)定的安全距離報警后，當(dāng)電源設(shè)備回到安全距離范圍內(nèi)，藍(lán)牙連接可以迅速地自動重新握手建立連接，無需額外操作，連接過程對用戶透明，提高用戶體驗。
3.4 制作步驟
硬件制作→APP交互流程設(shè)計→用XCODE軟件進行app程序編譯→功能ICON設(shè)計→繪制app界面并進行界面視效整體優(yōu)化
4 創(chuàng)新性分析
帶定位系統(tǒng)的無線藍(lán)牙智能移動電源的設(shè)計是基于藍(lán)牙4.0技術(shù)研發(fā)的移動電源硬件和智能手機終端App，通過兩者和數(shù)據(jù)分析處理的云服務(wù)三者結(jié)合實現(xiàn)智能配件和手機的無線互聯(lián)及命令、數(shù)據(jù)傳輸，并基于超低功耗藍(lán)牙技術(shù)結(jié)合移動電源內(nèi)部的傳感器進行信息搜集，以及結(jié)合目前消費電子產(chǎn)品市場上消費者對于移動電源的需求，并提供無線充電、遙控拍照與手機上配套的App連接，在云端進行數(shù)據(jù)存儲和分析，真正實現(xiàn)電子產(chǎn)品智能化。
4.1 理論與技術(shù)創(chuàng)新
本項目將藍(lán)牙無線通信模塊與傳統(tǒng)消費電子產(chǎn)品相結(jié)合，在傳統(tǒng)移動電源基礎(chǔ)上，增加了藍(lán)牙無線通信模塊、溫度傳感器、3D加速度感應(yīng)器，將傳統(tǒng)移動電源產(chǎn)品進行了智能性擴展。硬件產(chǎn)品和智能終端App配套開發(fā)，使電源具有和智能手機之間進行數(shù)據(jù)傳遞和命令傳遞的能力，并且可以擴展多種相關(guān)功能以及用于進行終端用戶使用模式的行為數(shù)據(jù)分析，最終實現(xiàn)移動電源智能化、數(shù)據(jù)化。
在技術(shù)上，帶定位系統(tǒng)的無線藍(lán)牙智能移動電源將藍(lán)牙4.0作為物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)各種設(shè)備的無線通信技術(shù)基礎(chǔ)，驗證了其穩(wěn)定安全傳輸、遠(yuǎn)距離無線通信、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，實現(xiàn)負(fù)載均衡，大數(shù)據(jù)量存儲;在手機端iOS平臺，實現(xiàn)對底層藍(lán)牙4.0模塊及接口的調(diào)用，對無線傳輸信號偵測及無線傳輸距離的設(shè)置，開發(fā)了支持藍(lán)牙4.0協(xié)議的配套APP;解決一臺移動智能終端和多臺藍(lán)牙4.0模塊設(shè)備的連接，實現(xiàn)一對多的主從模式控制，實現(xiàn)了移動電源的智能化和聯(lián)網(wǎng)化。
4.2 應(yīng)用創(chuàng)新
(1)將物聯(lián)技術(shù)和個人移動終端電子產(chǎn)品相結(jié)合，增加了電子產(chǎn)品智能化及附加值應(yīng)用。
雖然目前移動電源產(chǎn)品興起于2011年，但技術(shù)含量低，移動電源本身除了作為應(yīng)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(shè)計將藍(lán)牙4.0無線傳輸模塊和傳感器模塊內(nèi)置入移動電源的方式，在手機端開發(fā)配套App，實現(xiàn)智能手機和移動電源的無線互聯(lián)以及數(shù)據(jù)、命令傳輸，并在基礎(chǔ)上實現(xiàn)智能化功能擴展，為用戶帶來更好的體驗。
(2)可以從智能手機端實時獲取電源內(nèi)部電量、溫度、是否跌落等信息，并獲取各種提醒，實現(xiàn)移動電源智能化，同時收集大量信息數(shù)據(jù)傳送到云服務(wù)器，進行深入分析與處理。
目前市面上在售的普通移動電源無法獲知在消費者中的實際使用行為，而本設(shè)計研究的帶定位系統(tǒng)的無線藍(lán)牙智能移動電源可以將用戶電源信息、對電源的使用情況和行為等數(shù)據(jù)信息實時采集到手機終端，再通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)皆贫�，進行存儲，從大規(guī)模數(shù)據(jù)中進行分析。 例如，只要手機與移動電源分離達到20米左右，兩者就會同時發(fā)出定位報警提示，用戶都會收到及時提醒。也具備了防竊功能。
通過報警情況收集，在云端反映出用戶的使用習(xí)慣，對經(jīng)常發(fā)生手機或者電源遺失的地點等情況進行收集分析，從而推知在最容易發(fā)生物品遺失的地址，提前進行多種提示，避免損失。
(3)可以通過移動電源上按鈕觸發(fā)手機無線遙控拍照、攝像。通過藍(lán)牙4.0無線傳輸協(xié)議，智能移動電源和智能手機之間除了進行數(shù)據(jù)的傳輸，可以進行命令的互相傳輸。在移動電源端硬件上設(shè)計的按鈕，當(dāng)手機和電源在安全范圍內(nèi)保持無線互聯(lián)的狀態(tài)下，可通過按動電源上的按鈕，觸發(fā)指令，控制移動電源通過中控模塊向無線傳輸模塊發(fā)出相應(yīng)的命令，命令被手機端無線模塊收到，并經(jīng)過App的解析，根據(jù)當(dāng)前App所設(shè)置是拍照或攝像狀態(tài)，在手機端調(diào)用相應(yīng)的拍照或攝像命令，即可實現(xiàn)通過移動電源無線遙控手機拍照或者攝像的功能。
(4)具有五重保護技術(shù)，可以實現(xiàn)低靜態(tài)、持續(xù)全兼容和高效節(jié)能安全充電。所謂五重保護指的是過充保護、過放保護、過流保護、短路保護及過溫保護，通過內(nèi)部數(shù)字化管理系統(tǒng)精準(zhǔn)的計算出延遲時間，在電源過充、過放、過流、短路以及過溫的情況下關(guān)閉電路，從而有效保護移動電源及充電電子設(shè)備的安全性。帶定位系統(tǒng)的無線藍(lán)牙智能充電電源可以高效節(jié)能充電、給其他電子設(shè)備充電并保持低靜態(tài)充電，延長電池的使用壽命。
4.3 結(jié)構(gòu)創(chuàng)新
(1)外部設(shè)計方面。本設(shè)計研究的帶定位系統(tǒng)的無線藍(lán)牙智能移動電源外觀采用陽極氧化處理的航空鋁鎂合金材質(zhì)，可以充分散熱。同時外部設(shè)置了可隱藏式卡扣，方便用戶固定移動電源。
(2)在電路設(shè)計方面。本項目電源的電路高度集成，各個模塊排布充分考慮兼容性、干擾性、以及天線調(diào)優(yōu)，內(nèi)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，整體電源體積小，僅有65mm*120mm;無線天線采用全方向性高增益天線，并充分調(diào)優(yōu)，使得智能移動電源本身和智能手機之間可以保持最遠(yuǎn)距離60米的無線通訊距離，考慮到實際的防丟功能需求，從軟件上進行設(shè)置，在防丟定位功能啟用下，保持20米安全距離。同時可以支持全金屬外殼，不會影響天線工作和信號傳遞。
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