帶定位系統的無線藍芽智慧移動電源的設計研究論文
帶定位系統的無線藍芽智慧移動電源的設計研究論文
本課題的設計研究是基於超低功耗藍芽協議的無線智慧電源應用及管理系統，它由內建藍芽4.0模組和溫度及3D加速感測器的移動電源硬體產品，智慧手機終端App，以及資料分析處理的雲服務三者結合，在移動智慧終端實現和硬體的無線互聯及資訊傳輸應用開發，在iOS平臺實現對底層藍芽4.0模組及介面的呼叫，對無線傳輸訊號偵測及無線傳輸距離的設定，並根據應用邏輯進行應用行為開發及介面開發。研究使普通移動電源在充電功能基礎上增加智慧感知功能，並且能和使用者的智慧手機終端進行無線互動和控制，同時電源資料還可以透過網路在雲端進行儲存，將使用者對移動電源的使用習慣、物品丟失等進行進一步分析，最終實現移動電源智慧化、聯網化。
1 設計背景
根據艾瑞諮詢集團釋出的中國智慧終端規模資料，2014年中國智慧手機的保有量為7.8億臺，同比增長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21.9%，預計到2017年將達到5.2億臺，這就為智慧手機相關的配件市場提供了更大的空間。據海外市場研究機構ABI Research資料顯示，預期智慧手機配件市場將在2017年成長至380億美元。
在手機的配件中，電池佔了很大的比重。而傳統電池容量每十年才提高20%，與智慧手機、平板電腦等高耗電量裝置的普及速度不成正比，已無法滿足科技發展和人們生活的需要。因此移動電源的出現和研究，極具價值。而目前，行動式移動電源仍需解決無法智慧化和資料化等缺陷，因而本課題針對移動電源和手機易被盜、移動電源無法智慧化和資料化等缺陷，以藍芽4.0技術為核心，研究設計帶定位系統的無線藍芽智慧移動電源。
2 設計原理與思路
2.1 設計原理
無線藍芽智慧移動電源是基於國際藍芽組織釋出的最新藍芽4.0協議進行工作的，主要原理是應用了無線藍芽技術和搭載感測器的積體電路透過手機上配套的'App使得各個平臺之間無線連線，並且可以充分利用雲端的優勢進行資料儲存和分析以及進一步應用拓展。
2.2 設計思路
實現將藍芽4.0作為物聯網內各種裝置的無線通訊技術基礎，自主研發智慧手機的智慧配件產品及配套的移動端App，實現智慧配件和手機的無線互聯及命令、資料傳輸，並基於超低功耗藍芽技術結合各種感測器資訊蒐集，以及結合目前消費電子產品市場上具有廣泛認知及銷量的移動電源產品，並提供嵌入式積體電路開發、移動智慧終端軟體開發及雲端計算及大資料量儲存互動的一體化解決方案，真正實現電子產品智慧化。
手機端App主介面可以獲取和手機相無線連線的移動電源內部的諸多資訊，包括：移動電源當前電量、對各種智慧裝置如手機或Pad預估充電次數、當前電源預計充滿電所需時間等，並且具有電源和手機端進行無線連線或斷開的設定按鈕以及電源設定操作按鈕等，還可透過按動移動移動電源home鍵遙控手機拍照。移動電源設定介面可設定各種移動電源狀態或情況下的提醒(圖1)。
3 設計製作與步驟
3.1 無線藍芽智慧移動電源的內部設計
無線藍芽智慧移動電源包括主控模組和分別與主控模組電連線的升壓模組、充電管理模組、電量讀取模組和通訊模組;電芯透過電芯保護模組與充電管理模組、升壓模組和電量讀取模組電連線;充電管理模組連線有USB充電介面，升壓模組連線有USB放電介面。
通訊模組採用藍芽模組，與主控模組電連線並與外部移動裝置(如手機、膝上型電腦等)通訊連線，用於為外部移動裝置提供移動電源的電量資訊和內部相關資訊。內部相關資訊包括電壓資訊、電流資訊、溫度資訊等。
無線藍芽移動電源和手機或Pad等外部移動裝置之間的通訊包含資料通訊和命令通訊兩種：
(1)資料通訊。主要是指從移動電源內部感測器讀取的電源內部溫度、3D加速度資料和電量控制模組讀取的電源電壓、電流、電量資料，這些資料可以實時傳輸到手機或Pad端，透過App的加工處理，以各種可擴充套件的應用展示給使用者，或對使用者操作進行提醒。
(2)命令通訊。主要是指透過移動電源上按鈕，對其觸發相應的指令傳輸到手機或者Pad端，透過App對手機或Pad進行無線遙控操作，比如遙控照相、遙控連續拍照、遙控攝像、遙控錄音、遙控觸發手機鈴聲以找到手機等;同時還可以反向透過手機端App，發出命令，傳輸到移動電源上，觸發電源報警鈴聲以尋找電源。
3.2 無線藍芽智慧移動電源的外部設計
(1)材料選用無線藍芽智慧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。外觀設計主要包括功能埠：充電介面、放電介面、Home鍵，以及電量指示燈。
(2)隱藏式卡口設計。在移動電源外部設定可隱藏式卡扣，方便移動電源使用者在戶外或需要一邊充電一邊使用裝置時，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使用者收納電源時夾在包袋內，避免四處滑動，難於尋找。如圖2所示。
3.3 配套的智慧手機端APP設計
配套的智慧手機端APP的設計能支援iOS系統，這就需要iOS平臺的藍芽4.0配套協議邏輯實現。
主要在使用者介面部分和藍芽穩定性方面進行了設計：
主要電源資訊實時顯示部分作為主頁面，實時向用戶顯示電源資訊和根據基礎資訊計算出的應用相關資訊;遙控拍照和攝像單獨一個頁面，提供拍照設定、前後攝像頭選擇、閃光燈選擇等功能，並且支援多達15張照片連續拍攝。
藍芽連線穩定性方面，每臺電源裝置有唯一編碼，完全可以做唯一識別判斷，本專案設計的iOS平臺的App，能和多達8臺電源裝置同時進行連線，在20米範圍內可以持續穩定連線，抗干擾性強，並且藍芽連線在超過設定的安全距離報警後，當電源裝置回到安全距離範圍內，藍芽連線可以迅速地自動重新握手建立連線，無需額外操作，連線過程對使用者透明，提高使用者體驗。
3.4 製作步驟
硬體製作→APP互動流程設計→用XCODE軟體進行app程式編譯→功能ICON設計→繪製app介面並進行介面視效整體最佳化
4 創新性分析
帶定位系統的無線藍芽智慧移動電源的設計是基於藍芽4.0技術研發的移動電源硬體和智慧手機終端App，透過兩者和資料分析處理的雲服務三者結合實現智慧配件和手機的無線互聯及命令、資料傳輸，並基於超低功耗藍芽技術結合移動電源內部的感測器進行資訊蒐集，以及結合目前消費電子產品市場上消費者對於移動電源的需求，並提供無線充電、遙控拍照與手機上配套的App連線，在雲端進行資料儲存和分析，真正實現電子產品智慧化。
4.1 理論與技術創新
本專案將藍芽無線通訊模組與傳統消費電子產品相結合，在傳統移動電源基礎上，增加了藍芽無線通訊模組、溫度感測器、3D加速度感應器，將傳統移動電源產品進行了智慧性擴充套件。硬體產品和智慧終端App配套開發，使電源具有和智慧手機之間進行資料傳遞和命令傳遞的能力，並且可以擴充套件多種相關功能以及用於進行終端使用者使用模式的行為資料分析，最終實現移動電源智慧化、資料化。
在技術上，帶定位系統的無線藍芽智慧移動電源將藍芽4.0作為物聯網內各種裝置的無線通訊技術基礎，驗證了其穩定安全傳輸、遠距離無線通訊、低功耗、小體積、1對多的可行性和技術優勢;成功搭建了雲伺服器叢集，實現負載均衡，大資料量儲存;在手機端iOS平臺，實現對底層藍芽4.0模組及介面的呼叫，對無線傳輸訊號偵測及無線傳輸距離的設定，開發了支援藍芽4.0協議的配套APP;解決一臺移動智慧終端和多臺藍芽4.0模組裝置的連線，實現一對多的主從模式控制，實現了移動電源的智慧化和聯網化。
4.2 應用創新
(1)將物聯技術和個人移動終端電子產品相結合，增加了電子產品智慧化及附加值應用。
雖然目前移動電源產品興起於2011年，但技術含量低，移動電源本身除了作為應急充電電源外，不具備其他擴充套件功能和智慧體驗。而本專案設計將藍芽4.0無線傳輸模組和感測器模組內建入移動電源的方式，在手機端開發配套App，實現智慧手機和移動電源的無線互聯以及資料、命令傳輸，並在基礎上實現智慧化功能擴充套件，為使用者帶來更好的體驗。
(2)可以從智慧手機端實時獲取電源內部電量、溫度、是否跌落等資訊，並獲取各種提醒，實現移動電源智慧化，同時收集大量資訊資料傳送到雲伺服器，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，而本設計研究的帶定位系統的無線藍芽智慧移動電源可以將使用者電源資訊、對電源的使用情況和行為等資料資訊實時採集到手機終端，再透過網路傳輸到雲端，進行儲存，從大規模資料中進行分析。 例如，只要手機與移動電源分離達到20米左右，兩者就會同時發出定位報警提示，使用者都會收到及時提醒。也具備了防竊功能。
透過報警情況收集，在雲端反映出使用者的使用習慣，對經常發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生物品遺失的地址，提前進行多種提示，避免損失。
(3)可以透過移動電源上按鈕觸發手機無線遙控拍照、攝像。透過藍芽4.0無線傳輸協議，智慧移動電源和智慧手機之間除了進行資料的傳輸，可以進行命令的互相傳輸。在移動電源端硬體上設計的按鈕，當手機和電源在安全範圍內保持無線互聯的狀態下，可透過按動電源上的按鈕，觸發指令，控制移動電源透過中控模組向無線傳輸模組發出相應的命令，命令被手機端無線模組收到，並經過App的解析，根據當前App所設定是拍照或攝像狀態，在手機端呼叫相應的拍照或攝像命令，即可實現透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，可以實現低靜態、持續全相容和高效節能安全充電。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，透過內部數字化管理系統精準的計算出延遲時間，在電源過充、過放、過流、短路以及過溫的情況下關閉電路，從而有效保護移動電源及充電電子裝置的安全性。帶定位系統的無線藍芽智慧充電電源可以高效節能充電、給其他電子裝置充電並保持低靜態充電，延長電池的使用壽命。
4.3 結構創新
(1)外部設計方面。本設計研究的帶定位系統的無線藍芽智慧移動電源外觀採用陽極氧化處理的航空鋁鎂合金材質，可以充分散熱。同時外部設定了可隱藏式卡扣，方便使用者固定移動電源。
(2)在電路設計方面。本專案電源的電路高度整合，各個模組排布充分考慮相容性、干擾性、以及天線調優，內部電路板面積僅有50mm*20mm，並不佔用電池體積，從而產成品體積小，定製5000mAh和10000mAh電芯配合電路板外觀，整體電源體積小，僅有65mm*120mm;無線天線採用全方向性高增益天線，並充分調優，使得智慧移動電源本身和智慧手機之間可以保持最遠距離60米的無線通訊距離，考慮到實際的防丟功能需求，從軟體上進行設定，在防丟定位功能啟用下，保持20米安全距離。同時可以支援全金屬外殼，不會影響天線工作和訊號傳遞。