共享無線手機(jī)充電器設(shè)計(jì)方案

文/姜聞

1　介紹

2017年的秋季，蘋果公司推出了其最新的iPhone系列手機(jī)，其最大的更新之一在于iPhone手機(jī)開始加入了對(duì)無線充電技術(shù)的支持。盡管蘋果公司不是第一個(gè)“吃螃蟹的人”，三星手機(jī)的Galaxy系列手機(jī)已經(jīng)有了無線充電功能，但由于蘋果公司在行業(yè)內(nèi)的影響力，蘋果手機(jī)對(duì)無線充電技術(shù)的采用不僅讓人們對(duì)這項(xiàng)技術(shù)有了更多的了解，也表明了這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)足夠成熟，能夠被應(yīng)用在智能手機(jī)等產(chǎn)品之上。

與傳統(tǒng)的充電器方式相比，無線充電技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)在于其避免了充電線的使用。采用無線充電技術(shù)后，不同電子設(shè)備可以采用統(tǒng)一的無線充電標(biāo)準(zhǔn)，只需要一個(gè)充電器就可以給不同設(shè)備進(jìn)行充電。無線充電技術(shù)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于非接觸。對(duì)電子設(shè)備而言，非接觸的充電方式不需要裸露在外的充電接口，能夠?qū)崿F(xiàn)更好的防水設(shè)計(jì)。而充電器也可以嵌入到臺(tái)燈底座、桌子甚至床頭柜中，方便用戶隨時(shí)隨地實(shí)現(xiàn)充電。

智能手機(jī)的出現(xiàn)讓人們意識(shí)到手機(jī)不僅僅可以用來打電話發(fā)短信，還可以用來上網(wǎng)聊微信。隨著人們每天花在手機(jī)上的時(shí)間越來越多，各種應(yīng)用以及屏幕的耗電量越來越大，手機(jī)電池的續(xù)航能力成為了一個(gè)突出的問題。特別是出門在外時(shí)，手機(jī)沒電會(huì)給人們的生活帶來各種不方便。為了以上手機(jī)充電問題，我們提出了一種適用于餐館、咖啡館、火車站、機(jī)場(chǎng)等室內(nèi)公共場(chǎng)所，同時(shí)支持各類手機(jī)的共享無線充電器設(shè)計(jì)方案。

2　已有技術(shù)路線及相應(yīng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

2.1　已有技術(shù)路線

早在20世紀(jì)20年代到30年代，已經(jīng)有學(xué)者開始論述無線供電概念的可能性。而無線充電技術(shù)真正的突破發(fā)生在2007年，麻省理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)成功將2米之外的燈泡點(diǎn)亮。隨著無線充電技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，目前有兩種主流的技術(shù)路線：電磁感應(yīng)式無線充電和電磁共振式無線充電。

電磁感應(yīng)式無線充電與變壓器原理相同，在發(fā)送和接收端各有一個(gè)線圈，發(fā)送端線圈連接有線電源產(chǎn)生電磁信號(hào)，接收端線圈感應(yīng)發(fā)送端的電磁信號(hào)，從而產(chǎn)生電流給電池充電。無線充電系統(tǒng)的磁場(chǎng)主要通過空氣進(jìn)行傳遞，因而磁場(chǎng)傳遞效率較低。想要系統(tǒng)的無線充電效率達(dá)到70%以上，兩線圈之間需要靠的很近，而且線圈尺寸需要相似，兩者之間定位精確，且該技術(shù)只能支持一對(duì)一充電。

電磁共振式方案原理與聲音的共振原理相同。初級(jí)線圈和次級(jí)線圈是通過磁共振實(shí)現(xiàn)能量傳輸?shù)?。發(fā)射端在特定諧振頻率震蕩，將次級(jí)線圈的諧振頻率調(diào)整至和初級(jí)線圈一致，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)能量傳遞。電磁共振式方案的充電距離可達(dá)到45mm以上，范圍較大，不限于平面結(jié)構(gòu)，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)一對(duì)多充電，接收端的次級(jí)線圈可以配置成不同尺寸以適應(yīng)不同的設(shè)備功率。

2.2　已有技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

為了推廣無線充電技術(shù)的應(yīng)用，通信運(yùn)營(yíng)商、半導(dǎo)體企業(yè)和高科技公司組成了不同的無線充電聯(lián)盟，并推出了各自的無線充電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

目前最主流的無線充電標(biāo)準(zhǔn)是WPC(Wireless Power Consortium)推出的Qi標(biāo)準(zhǔn)。傳統(tǒng)的Qi標(biāo)準(zhǔn)采用的是電磁感應(yīng)式方案。Qi標(biāo)準(zhǔn)具有良好的泛用性和便捷性。從居家、汽車、到機(jī)場(chǎng)、咖啡館、辦公室，Qi標(biāo)準(zhǔn)支持的場(chǎng)景非常廣泛，一般帶有Qi標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)識(shí)的無線充電器，都能為支持Qi標(biāo)準(zhǔn)的電子設(shè)備供電。為了彌補(bǔ)電磁感應(yīng)式方案只能一對(duì)一充電的不足，最新的Qi 1.2標(biāo)準(zhǔn)加入了對(duì)電磁共振式方案的支持，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)多裝置同時(shí)充電。

另一個(gè)無線充電聯(lián)盟Airfuel也推出了它的無線充電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，包括采用電磁感應(yīng)式方案的PMA標(biāo)準(zhǔn)和采用電磁共振式方案的A4WP標(biāo)準(zhǔn)。然而與Qi標(biāo)準(zhǔn)相比，Airfuel在技術(shù)上還不夠成熟，在商業(yè)上也沒有得到很好的應(yīng)用。

3　我們的設(shè)計(jì)方案

我們的設(shè)計(jì)方案主要包括四個(gè)模塊：無線充電模塊、用戶交互模塊、中心控制模塊和遠(yuǎn)端服務(wù)器模塊。各個(gè)模塊的功能說明如下：

無線充電模塊：無線充電模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)智能手機(jī)的充電功能的實(shí)現(xiàn)。目前有兩種主流的無線充電技術(shù)路線：電磁感應(yīng)式無線充電和電磁共振式無線充電。盡管電磁共振式無線充電方案可以支持一對(duì)多充電和更遠(yuǎn)的充電距離，電磁感應(yīng)式無線充電方案在技術(shù)和商業(yè)上更為成熟。無線充電聯(lián)盟WPC(Wireless Power Consortium)推出的Qi標(biāo)準(zhǔn)就是目前最主流的無線充電標(biāo)準(zhǔn)。在無線充電模塊中，我們也會(huì)采用支持Qi標(biāo)準(zhǔn)的無線發(fā)射線圈，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)各類手機(jī)的充電支持。

用戶交互模塊：用戶交互模塊主要負(fù)責(zé)與用戶的交互功能的實(shí)現(xiàn)。為了讓用戶能夠簡(jiǎn)便快捷地使用我們的無線手機(jī)充電器，我們采用了微信掃描二維碼的用戶登錄方式。用戶可以直接利用微信賬號(hào)登錄我們提供的小程序，輸入身邊的無線充電器的編號(hào)，獲取充電的權(quán)限。當(dāng)用戶結(jié)束充電之后，還可以通過微信支付等方式支付相應(yīng)的費(fèi)用。

中心控制模塊：中心控制模塊主要負(fù)責(zé)與遠(yuǎn)端服務(wù)器通信以及控制無線充電功能的開啟和關(guān)閉。當(dāng)遠(yuǎn)端服務(wù)器成功認(rèn)證用戶身份之后，會(huì)向中心控制模塊發(fā)出相應(yīng)信息。中心控制模塊收到遠(yuǎn)端服務(wù)器發(fā)來的開始充電信息之后，會(huì)開啟無線充電功能。當(dāng)遠(yuǎn)端服務(wù)器發(fā)來停止充電信息之后，中心控制模塊會(huì)關(guān)閉無線充電功能。

遠(yuǎn)端服務(wù)器模塊：遠(yuǎn)端服務(wù)器模塊主要負(fù)責(zé)用戶身份的認(rèn)證以及費(fèi)用計(jì)算等服務(wù)。用戶利用微信賬號(hào)登錄之后，遠(yuǎn)端服務(wù)器會(huì)查詢數(shù)據(jù)庫(kù)中用戶的相應(yīng)信息。當(dāng)用戶在微信小程序中點(diǎn)擊開始充電和停止充電按鈕之后，遠(yuǎn)端服務(wù)器模塊會(huì)與中心控制模塊之間進(jìn)行通信，開啟和關(guān)閉無線充電功能。當(dāng)用戶充電完畢之后，遠(yuǎn)端服務(wù)器也會(huì)計(jì)算相應(yīng)的費(fèi)用。

我們的共享無線手機(jī)充電器的使用流程如下：

（1）用戶掃描桌面上的二維碼，登錄微信小程序。

（2）用戶輸入身邊的無線充電器編號(hào)，點(diǎn)擊開始充電按鈕，將手機(jī)放到桌面對(duì)應(yīng)的位置開始充電。

（3）充電完畢，用戶點(diǎn)擊停止充電按鈕。

（4）根據(jù)小程序中提示的費(fèi)用，用戶利用微信支付完成相應(yīng)的費(fèi)用結(jié)算。

4　結(jié)論

本文回顧了目前已有的無線充電技術(shù)路線及相應(yīng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，并提出了一種共享的無線手機(jī)充電器的設(shè)計(jì)方案。我們的設(shè)計(jì)方案結(jié)合了Qi無線充電標(biāo)準(zhǔn)和微信軟件的各種功能，能夠?yàn)橹蟮漠a(chǎn)品設(shè)計(jì)提供參考。