带定位系统的无线蓝牙智能移动电源的设计研究

　　本课题的设计研究是基于超低功耗蓝牙协议的无线智能电源应用及管理系统，它由内置蓝牙4.0模块和温度及3D加速传感器的移动电源硬件产品，智能手机终端App，以及数据分析处理的云服务三者结合，在移动智能终端实现和硬件的无线互联及信息传输应用开发，在iOS平台实现对底层蓝牙4.0模块及接口的调用，对无线传输信号侦测及无线传输距离的设置，并根据应用逻辑进行应用行为开发及界面开发。研究使普通移动电源在充电功能基础上增加智能感知功能，并且能和用户的智能手机终端进行无线交互和控制，同时电源数据还可以通过网络在云端进行存储，将用户对移动电源的使用习惯、物品丢失等进行进一步分析，最终实现移动电源智能化、联网化。

　　1 设计背景

　　根据艾瑞咨询集团发布的中国智能终端规模数据，2014年中国智能手机的保有量为7.8亿台，同比增长34.3%，预计到2017年将达到11.3亿台;2014年手机出货量为3.9亿台，比上年增长21.9%，预计到2017年将达到5.2亿台，这就为智能手机相关的配件市场提供了更大的空间。据海外市场研究机构ABI Research数据显示，预期智能手机配件市场将在2017年成长至380亿美元。

　　在手机的配件中，电池占了很大的比重。而传统电池容量每十年才提高20%，与智能手机、平板电脑等高耗电量设备的普及速度不成正比，已无法满足科技发展和人们生活的需要。因此移动电源的出现和研究，极具价值。而目前，便携式移动电源仍需解决无法智能化和数据化等缺陷，因而本课题针对移动电源和手机易被盗、移动电源无法智能化和数据化等缺陷，以蓝牙4.0技术为核心，研究设计带定位系统的无线蓝牙智能移动电源。

　　2 设计原理与思路

　　2.1 设计原理

　　无线蓝牙智能移动电源是基于国际蓝牙组织发布的最新蓝牙4.0协议进行工作的，主要原理是应用了无线蓝牙技术和搭载传感器的集成电路通过手机上配套的App使得各个平台之间无线连接，并且可以充分利用云端的优势进行数据存储和分析以及进一步应用拓展。

　　2.2 设计思路

　　实现将蓝牙4.0作为物联网内各种设备的无线通信技术基础，自主研发智能手机的智能配件产品及配套的移动端App，实现智能配件和手机的无线互联及命令、数据传输，并基于超低功耗蓝牙技术结合各种传感器信息搜集，以及结合目前消费电子产品市场上具有广泛认知及销量的移动电源产品，并提供嵌入式集成电路开发、移动智能终端软件开发及云端计算及大数据量存储交互的一体化解决方案，真正实现电子产品智能化。

　　手机端App主界面可以获取和手机相无线连接的移动电源内部的诸多信息，包括：移动电源当前电量、对各种智能设备如手机或Pad预估充电次数、当前电源预计充满电所需时间等，并且具有电源和手机端进行无线连接或断开的设置按钮以及电源设置操作按钮等，还可通过按动移动移动电源home键遥控手机拍照。移动电源设置界面可设置各种移动电源状态或情况下的提醒(图1)。

　　3 设计制作与步骤

　　3.1 无线蓝牙智能移动电源的内部设计

　　无线蓝牙智能移动电源包括主控模块和分别与主控模块电连接的升压模块、充电管理模块、电量读取模块和通信模块;电芯通过电芯保护模块与充电管理模块、升压模块和电量读取模块电连接;充电管理模块连接有USB充电接口，升压模块连接有USB放电接口。

　　通信模块采用蓝牙模块，与主控模块电连接并与外部移动设备(如手机、笔记本电脑等)通信连接，用于为外部移动设备提供移动电源的电量信息和内部相关信息。内部相关信息包括电压信息、电流信息、温度信息等。

　　无线蓝牙移动电源和手机或Pad等外部移动设备之间的通信包含数据通信和命令通信两种：

　　(1)数据通信。主要是指从移动电源内部传感器读取的电源内部温度、3D加速度数据和电量控制模块读取的电源电压、电流、电量数据，这些数据可以实时传输到手机或Pad端，通过App的加工处理，以各种可扩展的应用展示给用户，或对用户操作进行提醒。

　　(2)命令通信。主要是指通过移动电源上按钮，对其触发相应的指令传输到手机或者Pad端，通过App对手机或Pad进行无线遥控操作，比如遥控照相、遥控连续拍照、遥控摄像、遥控录音、遥控触发手机铃声以找到手机等;同时还可以反向通过手机端App，发出命令，传输到移动电源上，触发电源报警铃声以寻找电源。

　　3.2 无线蓝牙智能移动电源的外部设计

　　(1)材料选用无线蓝牙智能移动电源以航空铝美合金为主要原材料，以充分保障电源散热。外观设计主要包括功能端口：充电接口、放电接口、Home键，以及电量指示灯。

　　(2)隐藏式卡口设计。在移动电源外部设置可隐藏式卡扣，方便移动电源用户在户外或需要一边充电一边使用设备时，能较方便移动电源固定。另外，移动电源的隐藏式卡扣还可以在用户收纳电源时夹在包袋内，避免四处滑动，难于寻找。如图2所示。

　　3.3 配套的智能手机端APP设计

　　配套的智能手机端APP的设计能支持iOS系统，这就需要iOS平台的蓝牙4.0配套协议逻辑实现。

　　主要在用户界面部分和蓝牙稳定性方面进行了设计：

　　主要电源信息实时显示部分作为主页面，实时向用户显示电源信息和根据基础信息计算出的应用相关信息;遥控拍照和摄像单独一个页面，提供拍照设置、前后摄像头选择、闪光灯选择等功能，并且支持多达15张照片连续拍摄。

　　蓝牙连接稳定性方面，每台电源设备有唯一编码，完全可以做唯一识别判断，本项目设计的iOS平台的App，能和多达8台电源设备同时进行连接，在20米范围内可以持续稳定连接，抗干扰性强，并且蓝牙连接在超过设定的安全距离报警后，当电源设备回到安全距离范围内，蓝牙连接可以迅速地自动重新握手建立连接，无需额外操作，连接过程对用户透明，提高用户体验。

　　3.4 制作步骤

　　硬件制作→APP交互流程设计→用XCODE软件进行app程序编译→功能ICON设计→绘制app界面并进行界面视效整体优化

　　4 创新性分析

　　带定位系统的无线蓝牙智能移动电源的设计是基于蓝牙4.0技术研发的移动电源硬件和智能手机终端App，通过两者和数据分析处理的云服务三者结合实现智能配件和手机的无线互联及命令、数据传输，并基于超低功耗蓝牙技术结合移动电源内部的传感器进行信息搜集，以及结合目前消费电子产品市场上消费者对于移动电源的需求，并提供无线充电、遥控拍照与手机上配套的App连接，在云端进行数据存储和分析，真正实现电子产品智能化。

　　4.1 理论与技术创新

　　本项目将蓝牙无线通信模块与传统消费电子产品相结合，在传统移动电源基础上，增加了蓝牙无线通信模块、温度传感器、3D加速度感应器，将传统移动电源产品进行了智能性扩展。硬件产品和智能终端App配套开发，使电源具有和智能手机之间进行数据传递和命令传递的能力，并且可以扩展多种相关功能以及用于进行终端用户使用模式的行为数据分析，最终实现移动电源智能化、数据化。

　　在技术上，带定位系统的无线蓝牙智能移动电源将蓝牙4.0作为物联网内各种设备的无线通信技术基础，验证了其稳定安全传输、远距离无线通信、低功耗、小体积、1对多的可行性和技术优势;成功搭建了云服务器集群，实现负载均衡，大数据量存储;在手机端iOS平台，实现对底层蓝牙4.0模块及接口的调用，对无线传输信号侦测及无线传输距离的设置，开发了支持蓝牙4.0协议的配套APP;解决一台移动智能终端和多台蓝牙4.0模块设备的连接，实现一对多的主从模式控制，实现了移动电源的智能化和联网化。

　　4.2 应用创新

　　(1)将物联技术和个人移动终端电子产品相结合，增加了电子产品智能化及附加值应用。

　　虽然目前移动电源产品兴起于2011年，但技术含量低，移动电源本身除了作为应急充电电源外，不具备其他扩展功能和智能体验。而本项目设计将蓝牙4.0无线传输模块和传感器模块内置入移动电源的方式，在手机端开发配套App，实现智能手机和移动电源的无线互联以及数据、命令传输，并在基础上实现智能化功能扩展，为用户带来更好的体验。

　　(2)可以从智能手机端实时获取电源内部电量、温度、是否跌落等信息，并获取各种提醒，实现移动电源智能化，同时收集大量信息数据传送到云服务器，进行深入分析与处理。

　　目前市面上在售的普通移动电源无法获知在消费者中的实际使用行为，而本设计研究的带定位系统的无线蓝牙智能移动电源可以将用户电源信息、对电源的使用情况和行为等数据信息实时采集到手机终端，再通过网络传输到云端，进行存储，从大规模数据中进行分析。 例如，只要手机与移动电源分离达到20米左右，两者就会同时发出定位报警提示，用户都会收到及时提醒。也具备了防窃功能。

　　通过报警情况收集，在云端反映出用户的使用习惯，对经常发生手机或者电源遗失的地点等情况进行收集分析，从而推知在最容易发生物品遗失的地址，提前进行多种提示，避免损失。

　　(3)可以通过移动电源上按钮触发手机无线遥控拍照、摄像。通过蓝牙4.0无线传输协议，智能移动电源和智能手机之间除了进行数据的传输，可以进行命令的互相传输。在移动电源端硬件上设计的按钮，当手机和电源在安全范围内保持无线互联的状态下，可通过按动电源上的按钮，触发指令，控制移动电源通过中控模块向无线传输模块发出相应的命令，命令被手机端无线模块收到，并经过App的解析，根据当前App所设置是拍照或摄像状态，在手机端调用相应的拍照或摄像命令，即可实现通过移动电源无线遥控手机拍照或者摄像的功能。

　　(4)具有五重保护技术，可以实现低静态、持续全兼容和高效节能安全充电。所谓五重保护指的是过充保护、过放保护、过流保护、短路保护及过温保护，通过内部数字化管理系统精准的计算出延迟时间，在电源过充、过放、过流、短路以及过温的情况下关闭电路，从而有效保护移动电源及充电电子设备的安全性。带定位系统的无线蓝牙智能充电电源可以高效节能充电、给其他电子设备充电并保持低静态充电，延长电池的使用寿命。

　　4.3 结构创新

　　(1)外部设计方面。本设计研究的带定位系统的无线蓝牙智能移动电源外观采用阳极氧化处理的航空铝镁合金材质，可以充分散热。同时外部设置了可隐藏式卡扣，方便用户固定移动电源。

　　(2)在电路设计方面。本项目电源的电路高度集成，各个模块排布充分考虑兼容性、干扰性、以及天线调优，内部电路板面积仅有50mm*20mm，并不占用电池体积，从而产成品体积小，定制5000mAh和10000mAh电芯配合电路板外观，整体电源体积小，仅有65mm*120mm;无线天线采用全方向性高增益天线，并充分调优，使得智能移动电源本身和智能手机之间可以保持最远距离60米的无线通讯距离，考虑到实际的防丢功能需求，从软件上进行设置，在防丢定位功能启用下，保持20米安全距离。同时可以支持全金属外壳，不会影响天线工作和信号传递。

　　作者：储胤丰 来源：中国科技纵横 2016年19期