帶定位系統(tǒng)的無線藍(lán)牙智能移動(dòng)電源的設(shè)計(jì)研究論文
本課題的設(shè)計(jì)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(dòng)電源硬件產(chǎn)品，智能手機(jī)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(dòng)智能終端實(shí)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(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)底層藍(lán)牙4.0模塊及接口的調(diào)用，對(duì)無線傳輸信號(hào)偵測及無線傳輸距離的設(shè)置，并根據(jù)應(yīng)用邏輯進(jìn)行應(yīng)用行為開發(fā)及界面開發(fā)。研究使普通移動(dòng)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(jī)終端進(jìn)行無線交互和控制，同時(shí)電源數(shù)據(jù)還可以通過網(wǎng)絡(luò)在云端進(jìn)行存儲(chǔ)，將用戶對(duì)移動(dòng)電源的使用習(xí)慣、物品丟失等進(jìn)行進(jìn)一步分析，最終實(shí)現(xiàn)移動(dòng)電源智能化、聯(lián)網(wǎng)化。
1 設(shè)計(jì)背景
根據(jù)艾瑞咨詢集團(tuán)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(jī)的保有量為7.8億臺(tái)，同比增長34.3%，預(yù)計(jì)到2017年將達(dá)到11.3億臺(tái);2014年手機(jī)出貨量為3.9億臺(tái)，比上年增長21.9%，預(yù)計(jì)到2017年將達(dá)到5.2億臺(tái)，這就為智能手機(jī)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(jī)構(gòu)ABI Research數(shù)據(jù)顯示，預(yù)期智能手機(jī)配件市場將在2017年成長至380億美元。
在手機(jī)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(jī)、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(dòng)電源的出現(xiàn)和研究，極具價(jià)值。而目前，便攜式移動(dòng)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(duì)移動(dòng)電源和手機(jī)易被盜、移動(dòng)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(jì)帶定位系統(tǒng)的無線藍(lán)牙智能移動(dòng)電源。
2 設(shè)計(jì)原理與思路
2.1 設(shè)計(jì)原理
無線藍(lán)牙智能移動(dòng)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(jìn)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(jī)上配套的'App使得各個(gè)平臺(tái)之間無線連接，并且可以充分利用云端的優(yōu)勢進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和分析以及進(jìn)一步應(yīng)用拓展。
2.2 設(shè)計(jì)思路
實(shí)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(jī)的智能配件產(chǎn)品及配套的移動(dòng)端App，實(shí)現(xiàn)智能配件和手機(jī)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(fèi)電子產(chǎn)品市場上具有廣泛認(rèn)知及銷量的移動(dòng)電源產(chǎn)品，并提供嵌入式集成電路開發(fā)、移動(dòng)智能終端軟件開發(fā)及云端計(jì)算及大數(shù)據(jù)量存儲(chǔ)交互的一體化解決方案，真正實(shí)現(xiàn)電子產(chǎn)品智能化。
手機(jī)端App主界面可以獲取和手機(jī)相無線連接的移動(dòng)電源內(nèi)部的諸多信息，包括：移動(dòng)電源當(dāng)前電量、對(duì)各種智能設(shè)備如手機(jī)或Pad預(yù)估充電次數(shù)、當(dāng)前電源預(yù)計(jì)充滿電所需時(shí)間等，并且具有電源和手機(jī)端進(jìn)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(dòng)移動(dòng)移動(dòng)電源home鍵遙控手機(jī)拍照。移動(dòng)電源設(shè)置界面可設(shè)置各種移動(dòng)電源狀態(tài)或情況下的提醒(圖1)。
3 設(shè)計(jì)制作與步驟
3.1 無線藍(lán)牙智能移動(dòng)電源的內(nèi)部設(shè)計(jì)
無線藍(lán)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;電芯通過電芯保護(hù)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(dòng)設(shè)備(如手機(jī)、筆記本電腦等)通信連接，用于為外部移動(dòng)設(shè)備提供移動(dòng)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(dòng)電源和手機(jī)或Pad等外部移動(dòng)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(dòng)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(shí)時(shí)傳輸?shù)绞謾C(jī)或Pad端，通過App的加工處理，以各種可擴(kuò)展的應(yīng)用展示給用戶，或?qū)τ脩舨僮鬟M(jìn)行提醒。
(2)命令通信。主要是指通過移動(dòng)電源上按鈕，對(duì)其觸發(fā)相應(yīng)的指令傳輸?shù)绞謾C(jī)或者Pad端，通過App對(duì)手機(jī)或Pad進(jìn)行無線遙控操作，比如遙控照相、遙控連續(xù)拍照、遙控?cái)z像、遙控錄音、遙控觸發(fā)手機(jī)鈴聲以找到手機(jī)等;同時(shí)還可以反向通過手機(jī)端App，發(fā)出命令，傳輸?shù)揭苿?dòng)電源上，觸發(fā)電源報(bào)警鈴聲以尋找電源。
3.2 無線藍(lán)牙智能移動(dòng)電源的外部設(shè)計(jì)
(1)材料選用無線藍(lán)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。外觀設(shè)計(jì)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(jì)。在移動(dòng)電源外部設(shè)置可隱藏式卡扣，方便移動(dòng)電源用戶在戶外或需要一邊充電一邊使用設(shè)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收納電源時(shí)夾在包袋內(nèi)，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(jī)端APP設(shè)計(jì)
配套的智能手機(jī)端APP的設(shè)計(jì)能支持iOS系統(tǒng)，這就需要iOS平臺(tái)的藍(lán)牙4.0配套協(xié)議邏輯實(shí)現(xiàn)。
主要在用戶界面部分和藍(lán)牙穩(wěn)定性方面進(jìn)行了設(shè)計(jì)：
主要電源信息實(shí)時(shí)顯示部分作為主頁面，實(shí)時(shí)向用戶顯示電源信息和根據(jù)基礎(chǔ)信息計(jì)算出的應(yīng)用相關(guān)信息;遙控拍照和攝像單獨(dú)一個(gè)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(dá)15張照片連續(xù)拍攝。
藍(lán)牙連接穩(wěn)定性方面，每臺(tái)電源設(shè)備有唯一編碼，完全可以做唯一識(shí)別判斷，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的iOS平臺(tái)的App，能和多達(dá)8臺(tái)電源設(shè)備同時(shí)進(jìn)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(qiáng)，并且藍(lán)牙連接在超過設(shè)定的安全距離報(bào)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(dòng)重新握手建立連接，無需額外操作，連接過程對(duì)用戶透明，提高用戶體驗(yàn)。
3.4 制作步驟
硬件制作→APP交互流程設(shè)計(jì)→用XCODE軟件進(jìn)行app程序編譯→功能ICON設(shè)計(jì)→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(tǒng)的無線藍(lán)牙智能移動(dòng)電源的設(shè)計(jì)是基于藍(lán)牙4.0技術(shù)研發(fā)的移動(dòng)電源硬件和智能手機(jī)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(shí)現(xiàn)智能配件和手機(jī)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(dòng)電源內(nèi)部的傳感器進(jìn)行信息搜集，以及結(jié)合目前消費(fèi)電子產(chǎn)品市場上消費(fèi)者對(duì)于移動(dòng)電源的需求，并提供無線充電、遙控拍照與手機(jī)上配套的App連接，在云端進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和分析，真正實(shí)現(xiàn)電子產(chǎn)品智能化。
4.1 理論與技術(shù)創(chuàng)新
本項(xiàng)目將藍(lán)牙無線通信模塊與傳統(tǒng)消費(fèi)電子產(chǎn)品相結(jié)合，在傳統(tǒng)移動(dòng)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(dòng)電源產(chǎn)品進(jìn)行了智能性擴(kuò)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(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞和命令傳遞的能力，并且可以擴(kuò)展多種相關(guān)功能以及用于進(jìn)行終端用戶使用模式的行為數(shù)據(jù)分析，最終實(shí)現(xiàn)移動(dòng)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(dòng)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(yàn)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(duì)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(xiàn)負(fù)載均衡，大數(shù)據(jù)量存儲(chǔ);在手機(jī)端iOS平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)底層藍(lán)牙4.0模塊及接口的調(diào)用，對(duì)無線傳輸信號(hào)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(tái)移動(dòng)智能終端和多臺(tái)藍(lán)牙4.0模塊設(shè)備的連接，實(shí)現(xiàn)一對(duì)多的主從模式控制，實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)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(gè)人移動(dòng)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(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(yīng)急充電電源外，不具備其他擴(kuò)展功能和智能體驗(yàn)。而本項(xiàng)目設(shè)計(jì)將藍(lán)牙4.0無線傳輸模塊和傳感器模塊內(nèi)置入移動(dòng)電源的方式，在手機(jī)端開發(fā)配套App，實(shí)現(xiàn)智能手機(jī)和移動(dòng)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(shí)現(xiàn)智能化功能擴(kuò)展，為用戶帶來更好的體驗(yàn)。
(2)可以從智能手機(jī)端實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)移動(dòng)電源智能化，同時(shí)收集大量信息數(shù)據(jù)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)電源無法獲知在消費(fèi)者中的實(shí)際使用行為，而本設(shè)計(jì)研究的帶定位系統(tǒng)的無線藍(lán)牙智能移動(dòng)電源可以將用戶電源信息、對(duì)電源的使用情況和行為等數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)采集到手機(jī)終端，再通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)皆贫�，進(jìn)行存儲(chǔ)，從大規(guī)模數(shù)據(jù)中進(jìn)行分析。 例如，只要手機(jī)與移動(dòng)電源分離達(dá)到20米左右，兩者就會(huì)同時(shí)發(fā)出定位報(bào)警提示，用戶都會(huì)收到及時(shí)提醒。也具備了防竊功能。
通過報(bào)警情況收集，在云端反映出用戶的使用習(xí)慣，對(duì)經(jīng)常發(fā)生手機(jī)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)可以通過移動(dòng)電源上按鈕觸發(fā)手機(jī)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(dòng)電源和智能手機(jī)之間除了進(jìn)行數(shù)據(jù)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(shè)計(jì)的按鈕，當(dāng)手機(jī)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(dòng)電源上的按鈕，觸發(fā)指令，控制移動(dòng)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(jī)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(jī)端調(diào)用相應(yīng)的拍照或攝像命令，即可實(shí)現(xiàn)通過移動(dòng)電源無線遙控手機(jī)拍照或者攝像的功能。
(4)具有五重保護(hù)技術(shù)，可以實(shí)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(hù)指的是過充保護(hù)、過放保護(hù)、過流保護(hù)、短路保護(hù)及過溫保護(hù)，通過內(nèi)部數(shù)字化管理系統(tǒng)精準(zhǔn)的計(jì)算出延遲時(shí)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(hù)移動(dòng)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(jì)方面。本設(shè)計(jì)研究的帶定位系統(tǒng)的無線藍(lán)牙智能移動(dòng)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(shí)外部設(shè)置了可隱藏式卡扣，方便用戶固定移動(dòng)電源。
(2)在電路設(shè)計(jì)方面。本項(xiàng)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(dòng)電源本身和智能手機(jī)之間可以保持最遠(yuǎn)距離60米的無線通訊距離，考慮到實(shí)際的防丟功能需求，從軟件上進(jìn)行設(shè)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)影響天線工作和信號(hào)傳遞。
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