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基于蓝牙的无线充电监控系统
陈本斌*，谢灵丽，田洪，陈立安厦门理工学院福建省高电压实验室，
厦门361024
摘要 - 本文采用蓝牙作为数据传输方式，实现无线充电系统中送受话器与手机之间的连接。 在无线电力传输过程中，将蓝牙模块添加到电源发送器以将相关数据发送到移动电话。 电力变送器和电力接收器都是基于Qi标准设计的，通过电磁感应传输电能。 在此过程中，电源发送器的电压，电流和温度可以由电话接收，并通过蓝牙通信显示在电话APP上。 该方法不仅可以解决无线充电系统中扩展电源手机无线充电的通信问题，而且可以监控无线充电过程。 测试表明，无线充电的蓝牙通信非常方便地监控无线充电过程。 监控数据对于未来的无线充电控制也非常有用。
索引条款 - 无线电力传输Qi蓝牙电力传输器。
- 介绍
随着苹果公司加入无线充电联盟（WPC），人们越来越关注手机无线充电问题。 无线传输技术是一种新型的电力传输技术。 它可以实现电器与电源之间的非接触式供电。 无线充电功率可以从几毫瓦转换到几千瓦。 手机无线充电技术是一种低功耗无线充电技术。 目前，手机无线充电技术正在迅速发展，并有许多应用[1]。
手机无线充电技术仍存在一些技术问题，如断线[2]，效率问题[3]，散热问题[4]等。 低功耗蓝牙技术是解决各种移动便携式设备信号访问的最佳解决方案之一。 与Wi-Fi和RF相比，它具有简单，低功耗，低成本等优点。它在近距离数据传输方面具有很大的优势。 目前，蓝牙在物联网领域得到了广泛的应用[5]，特别是可以用于无线监控[6]。 因此，本文介绍了基于蓝牙4.0的无线充电监控系统，
电源发送器基于Qi标准，并添加了蓝牙4.0模块。 电源发射端的电压，电流和温度由蓝牙模块启动，并通过应用程序显示在手机上，因此可以轻松监测无线充电过程。
- 基本知识
Qi标准是全球第一个推动无线充电技术标准化的组织 - 无线充电联盟（Wireless Power Consortium，WPC）推出。 它具有普遍性和方便性的特点[7]。 只要不同品牌的电子产品拥有齐标志，就可以用齐无线充电器充电。 目前最流行的电磁感应技术是以Qi标准，电磁感应模式作为基本的无线电力传输方式，具有开发简单，成本低廉的优点。 但传输距离有限，结构设计要求较难。 在Qi标准的倡导下，电磁感应方式有着广泛的应用和发展，并被广泛应用于各种便携式移动设备中。 在2017年3月底，WPC联盟已经发展到205个成员，包括德朗基，苹果公司，肯辛顿，恩智浦BV，Just Wireless，iStyle东阳，E＆P公司等知名企业[8]。 Qi的代表产品有NOKIA Lumia 920和Google Nexus 4 [9]等。
无线充电的基本电磁感应是通过两个附近的线圈感应来实现功率传输。 交流电流流过功率发射器的初级线圈，产生交变磁场; 在次级线圈中产生感应电动势以在线圈中产生感应电流，从而将电力从发射器传输到电力接收器。 它还涉及交流电频率，磁场强度，线圈耦合，通讯问题。
在Qi标准中，功率传输总是从基站到移动设备，并且通信总是由接收设备控制。 所以，这个基站被称为功率发射器。 它的线圈被定义为主线圈，移动设备被定义为电源接收器。 事实上，初级线圈和次级线圈构成了无芯谐振变压器的两半[10]。 此外，初级线圈和线圈必须有合适的屏蔽结构，二次线圈保证了功率的传递，达到一定的效率要求。
在Qi中定义的功率变送器包含两种类型：A型和B型.A型仅包含一个初级线圈和一个发射模块，而B型包含一个初级线圈阵列[10]。 A型更简单，可以实现导向定位或自由定位。 因此，该系统使用A型电力变送器模式。 该系统中功率变送器的系统结构如图1所示。 全桥逆变器将直流输入转换为交流输出，以驱动由带有电容器的初级线圈串联组成的谐振电路。 主线圈的电流，电压和温度由Sense Module测量。 来自功率接收器的信息由控制和通信单元接收和解码。 此外，控制和通信单元还执行相关的功率控制算法和协议[10]，并驱动交流波形的频率来控制功率传输。 同时，该模块还具有基站和用户之间的通信和控制接口。 更重要的是，该系统在功率发射器的接口处增加了一个蓝牙模块，用于向手机发送数据。
图1 电力变送器A的系统结构
在蓝牙低功耗的协议栈中，有两个部分：主机和控制器。 控制器包含物理层（PHY），链路层（LL），主机控制器接口（HCI）。 主机包含逻辑链路控制和适配协议（L2CAP），安全管理器（SM），属性协议（ATT），通用属性配置文件（GATT）和通用访问配置文件（GAP）。 要开发应用程序，我们真正联系的是GAP和GATT，GAP用于建立连接，而GATT用于数据传输。
蓝牙模块的原理是将小型低功率无线电收发器芯片嵌入到传统电子设备中。 蓝牙芯片包括无线电收发器和链路控制器（LC）。 无线收发器是蓝牙设备的核心。 无线电频带介于ISM2.4GHZ至2.48GHZ之间。 控制和连接包括两部分：软件链接链接管理器（LM）和硬件链接控制器（LC）。 LM执行链接设置，监视，配置，并负责连接，构建和拆除链接并执行安全控制。 数据的传输和接收由LC控制。 逻辑LC和自适应协议具有数据拆卸，控制服务质量和复用协议的功能。 它发送和接收没有字节限制，并且距离比传统蓝牙更长。
齐的功率接收器设计包括两部分：功率提取单元和通信和控制单元。 在功率拾取单元的模块中，一个双谐振电路由一个次级线圈加上串联和并联电容组成，以提高功率传输效率并实现谐振检测方法[11]。 一个整流电路，如传统的二极管全波整流桥电路，可以对交流波形进行全波整流。 整流后的电源不仅可以提供后端负载，还可以为通信与控制单元提供电源。 在该电路中，使用通信调制电路来实现交互式信息传输。 通信调制器通常由与电源接收器直流侧的开关串联的电阻组成。 而调制器由一个电容串联在电力变送器交流侧的开关组成。 电源接收器的电源输出控制开关需要在没有传输的情况下切断次级线圈和负载之间的连接，以防止电流倒流并降低系统的待机功耗。 电压监视电路监视输出电压并实时将消息发送给控制器。
通信和控制单元主要执行传输控制和电力传输器与电力接收器之间的交互作用。 它控制前端电路中的通信调制器，将数据包发送给功率变送器，监测系统的电压和电流，并调整输出。 在更复杂的应用中，模块必须与电源控制电路和芯片协调一致，并根据负载对电路进行控制和调整。
图2 电源接收器系统结构
- 系统的介绍
如图3所示，在该系统中，蓝牙模式被添加到电力发送器以将数据发送到具有蓝牙的电话。 从功率发射器到功率接收器的无线功率传输基于Qi标准。 在系统中，蓝牙手机匹配蓝牙模块，匹配成功时，电源发送器的电压，电流和温度通过蓝牙发送到手机。 整个充电过程可以通过手机应用程序进行控制。 蓝牙连接，蓝牙关闭也由应用程序控制。 电视屏幕上显示充电状态，电压，电流和温度。
如图3所示 蓝牙监控系统框图
我们使用的电源发射器是厦门新怡公司的NT1005A无线充电发射模块。 它基于WPC1.2协议，输入为5v / 1.5A，输出为7W。 NT1005A的效率为75％，NT1005A的有效距离小于或等于10mm。 工作频率在100〜205KHz。 支持异物检测，过流保护，过温保护和智能识别功能。 该电力发射器使用Newyea的无线充电芯片NY7501AA。 NY7501AA的芯片基于电磁感应原理。 其中使用了全桥栅极驱动器。 它支持单线圈或三线圈。 NY7501AA可与接收器芯片，内置LDO（IC内部的5V电源）进行通信，并具有I2C接口控制。 此外，工作电压范围为4.5V至18V，最大传输功率为15W。 它也与5W，10W兼容。 工作频率为110〜205KHz。 NY7501AA芯片和NT1005A发射器模块如图4所示。
图4。 Newyea NT1005A发射器模块
DX-BT05 4.0蓝牙模块是深圳大夏隆通科技公司为智能无线数据传输而设计的。 蓝牙模块电路如图5所示。 该模块已通过ROHS REACH蓝牙认证，基于美国TI CC2541芯片，256Kb，其次是蓝牙规范V4.0 BLE蓝牙规范。 它支持AT命令，所以用户可以通过改变串口波特率，设备名称，配对密码参数来灵活使用。 该模块支持UART接口和SPP蓝牙串行协议。 工作频率为2.4GHz ISM频段，调制方式为GFSK（高斯频移键控）。 此外，同步和异步传输速率为6 Kbps，支持中央和外围UUID FFE0和FFE1服务。 在自动睡眠模式下，待机电流为400uA〜1.5mA，传输为8.5mA。 电源为 3.3VDC / 50mA，支持Masterslave集成。
图5。 DX-BT05的蓝牙模块
如图6所示，蓝牙串口有6个输入输出口，P0_0〜P0_5。 VCC，GND，TXD，RXD和
STATE引脚连接电源发送器。
图6 蓝牙串口电路
Power Receiver是一种补丁类型，可以轻松连接到手机背面。 在此系统中使用Romoss RL01-101-01电源接收器。 这是基于Android系统的手机。 只需要将界面插入手机界面即可。 功率接收器如图7所示。
图7 Romoss RL01-101-01接收机
- 结论
该手机应用程序基于Java，使用Eclipse Neon软件开发平台。 通过从蓝牙模块向手机接收数据，手机屏幕上显示发射器的充电，电压，电流，温度。 因此，用户可以在无线充电过程中监控发射器的发热和充电
手机截图的实验结果如图8所示。 从图中可以看出，电压幅度为5.01V，电流为1.49A。 该电力变送器温度为34℃。 通过这个实验，该设计实现了手机无线充电电源发射器的监控系统。 手机充电时，还可以监测电量变送器的充电过程。 这种设计采用蓝牙作为数据传输的方式，简单，可行，经济，方便，非常实用。 蓝牙还可以用于电话侧的反馈信息到电源发送器，以使无线充电过程更加智能。 所以蓝牙在将来可以在无线充电方面发挥更重要的作用。
图8 手机界面
致谢
这项工作得到了厦门科技大学高层项目基金YKJ15023R资助
参考文献
- 瑞贞张，2013年无线充电市场开始增长。2012年4月IC应用。
- 陈跃红，林桂江，解决齐手机无线充电无线充电断开的方法。 电子技术与软件工程，2017年3月。
- 孟庆奎，手机无线充电技术研究。 北京邮电大学，2012。
- 徐学辉，无线充电器异物检测方法研究。 轻工业科学与技术，2015。
- Joakim Lindh，用低能耗蓝牙控制世界， www.ECNmag.com， 2017年1月。
- 华建锋，林新凡等，奥运示范区燃料电池客车控制系统的蓝牙无线监控，诊断和校准接口。 Journal of Power Sources，Jan2009，Vol。 186第2期，第478-484页。
- 张从鹏，低功耗无线充电系统嵌入式软件的设计与实现。哈尔滨工业大学，2015.
- 无线功率联盟（https：//万维网。无线relesspowerconsortium.com/）
- 温波，魏伟，贾庆生等，无线充电技术的发展与应用。 IC应用，2013。
- 无线电力联盟，系统描述无线电力传输第I卷：低功率第1部分：接口定义版本1.0.3，无线电力联盟，2011-9，第19页，第23-24页。
- 无线电力联盟，系统描述无线电力传输第I卷：低功率第1部分：接口定义版本1.0.3，无线电力联盟，2011-9，第129-130页。
基于MSP430F149 的蓝牙无线充电系统设计
陈焕波，杨本全，袁 杰，朱丹丹
摘 要：采用 MSP430F149 单片机作为控制核心，利用蓝牙技术实现充电系统与可携带式电子产品之间的信息匹配，通过电磁谐振技术传输电能，将接收到的电能经过整流稳压电路实现恒压输出，最后通过充电管理模块实现为锂电池充电。该设计利用蓝牙技术，实现一对多或是多对多匹配连接，具有充电状态提示、充电可控和电池充满电后自动断电的功能，摆脱以往电线的束缚，解决了电子产品充电
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