陳 微，楊春杰，奧文斐，黃仕海，張 童，柯 奇，賀雨薇

(湖北理工學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 黃石435003)

0 引言

隨著科技快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上各式各樣的定位器越來(lái)越多，功能也越來(lái)越完善。但是，這類(lèi)產(chǎn)品普遍具有功耗較大、價(jià)格昂貴、不易操作的缺點(diǎn)，不利于長(zhǎng)時(shí)間操作和使用[1]。常用定位器一般采用開(kāi)放式的充電接口，一旦浸入水中，其定位功能就會(huì)失效。

據(jù)新聞媒體報(bào)道，老人和孩子迷路或走失事件時(shí)有發(fā)生，而在迷路的老人和孩子中能清楚地說(shuō)出家庭住址或者家人聯(lián)系方式的少之又少。如何及時(shí)地了解孩子和老人所在位置，保證他們的人身安全變得尤為重要。因此，設(shè)計(jì)一種更實(shí)用、更方便、更可靠的微型防走失定位器很有必要。針對(duì)以上問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一款具有防水與無(wú)線充電功能的防走失貼，利用魔術(shù)貼方便粘貼攜帶的特點(diǎn)，將定位器制作成小巧可攜帶的防走失貼，用來(lái)幫助孩子和老人這類(lèi)弱勢(shì)群體，具有一定的先進(jìn)性和實(shí)用性。

1 設(shè)計(jì)思路

防走失貼設(shè)計(jì)的核心是定位器。定位器由軟件和硬件相互配合來(lái)實(shí)現(xiàn)定位功能，其設(shè)計(jì)思路如下。

1)對(duì)有線充電電路進(jìn)行更新優(yōu)化，使其接入無(wú)線充電模塊。在減少電子器件數(shù)量的同時(shí)優(yōu)化整個(gè)定位器電路，在定位器外形尺寸不變的同時(shí)增大電池體積，增強(qiáng)續(xù)航能力，同時(shí)提高密封性，實(shí)現(xiàn)IP68級(jí)別的防水防塵的目的。

2)把2.5 W的無(wú)線充電底座功率提高到5 W，將充滿(mǎn)800 mAh的時(shí)間縮短至30 min以?xún)?nèi)。

3)利用強(qiáng)力磁鐵的吸附作用，在增加無(wú)線充電可靠性的同時(shí)又提高便攜性。

2 定位器基本組成

定位器主要由硬件和軟件2個(gè)部分組成。硬件部分主要由GPS-WIFI芯片、外殼、電池、PCB電路、無(wú)線充電線圈、無(wú)線充電底座組成。軟件部分主要包括GPS定位系統(tǒng)的控制程序、蜂窩數(shù)據(jù)程序，以及手機(jī)客戶(hù)端控制軟件。

2.1 工作狀態(tài)程序流程

防走失貼定位器工作狀態(tài)控制圖如圖1所示。定位器內(nèi)部由3.7 V鋰電池供電。為兼容大部分的充電設(shè)備，無(wú)線充電底座采用5 V-1 A 直流設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)電源接通時(shí)，定位芯片通過(guò)GPS信號(hào)對(duì)該設(shè)備進(jìn)行定位，同時(shí)通過(guò)蜂窩數(shù)據(jù)將所在位置信息發(fā)送到接收人手機(jī)APP上，顯示當(dāng)前設(shè)備位置信息。當(dāng)定位器停留在某一位置時(shí)間超過(guò)8 min(時(shí)間可根據(jù)需要設(shè)定)時(shí)，定位器向手機(jī)APP發(fā)送當(dāng)前所在位置信息，再進(jìn)入休眠待機(jī)狀態(tài)以節(jié)省電能(此時(shí)GPS信號(hào)仍處于連接狀態(tài))。當(dāng)GPS檢測(cè)連接信號(hào)發(fā)生變化時(shí)，程序判定位置發(fā)生變化，系統(tǒng)工作，更新當(dāng)前位置信息。當(dāng)電量不足時(shí)，定位器發(fā)出充電信號(hào)，手機(jī)APP接收后提醒用戶(hù)進(jìn)行充電。

圖1 防走失貼定位器工作狀態(tài)控制圖

2.2 硬件設(shè)計(jì)

2.2.1PCB的選擇

PCB是整個(gè)硬件的控制中樞。定位器選用的是XMG01_MB_V1.0集成PCB、集成電容、電感、電阻、射頻芯片、GPS-WIFI發(fā)射芯片等。另外，PCB還集成有5 V的充電正負(fù)極接口、3.7 V電池輸入接口、射頻天線接口以及GPS-WIFI天線拓展接口。由于該設(shè)備與人體接觸，所以PCB電路上設(shè)計(jì)有電容濾波器(LC Filter)[2]，可以有效進(jìn)行PCB的靜電控制(ESD)，防止ESD電流直接通過(guò)電路燒毀PCB上的元件。

2.2.2電池的選擇

在定位器元器件中，電池是保障系統(tǒng)正常工作的最重要部件之一。在選擇電池型號(hào)時(shí)，不僅要考慮續(xù)航性能和安全性能，同時(shí)也要考慮體積因素。將多種電池進(jìn)行對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，聚合物鋰電池?fù)碛休^大的能量密度和體積比，其與同等體積的電池相比擁有更大的電池容量和更持久的續(xù)航能力。因此，采用800 mAh的鋰電池(XHS603030)，其綜合續(xù)航時(shí)間可長(zhǎng)達(dá)半個(gè)月以上，并且在受到擠壓變形時(shí)內(nèi)部物質(zhì)不會(huì)發(fā)生物理和化學(xué)反應(yīng)，在受到外力刺穿時(shí)不會(huì)起火爆炸，擁有良好的充放電及耐高溫性能。

2.2.3無(wú)線充電模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1)無(wú)線充電模塊的接收電路主要由整流輸入和穩(wěn)壓輸出2個(gè)部分組成。當(dāng)無(wú)線充電接收端經(jīng)過(guò)電磁感應(yīng)接收到無(wú)線充電器電磁能量時(shí)，諧振回路將產(chǎn)生共振，輸出電流給整流電路和濾波電路，產(chǎn)生相對(duì)穩(wěn)定的直流電，從而實(shí)現(xiàn)電池充電[3]。同時(shí)，考慮到充電功率需要與電池容量匹配、尺寸合適等要求，所設(shè)計(jì)的無(wú)線充電模組應(yīng)包含無(wú)線充電線圈、屏蔽層、集成PCB。無(wú)線充電接收采用體積較小的XKT3168芯片，擁有輸出功率大、集成度高和空間利用好的特點(diǎn)，可以減小定位器的體積，擁有較高的集成度和空間利用率。無(wú)線充電接收部分電路圖如圖2所示。

圖2 無(wú)線充電接收部分電路圖

2)無(wú)線充電發(fā)射采用XKT-412集成芯片。該芯片具有接入電路簡(jiǎn)單和寬電壓自適應(yīng)的技術(shù)特點(diǎn)，降低成本的同時(shí)能有效簡(jiǎn)化電路。無(wú)線充電發(fā)射部分電路圖如圖3所示。

圖3 無(wú)線充電發(fā)射部分電路圖

由于輸出和接收的功率與充電線圈的匝數(shù)和線圈直徑有關(guān)，為了配合無(wú)線充電模塊，選擇與無(wú)線充電發(fā)射模組功率匹配的5 V-1 A輸出，通過(guò)逆變模塊實(shí)現(xiàn)振蕩，發(fā)射振蕩信號(hào)，將電能轉(zhuǎn)換為電磁能。因此，設(shè)計(jì)無(wú)線充電線圈匝數(shù)為10，絲包線圈直徑為2 mm。經(jīng)測(cè)試，在距離為5～8 mm時(shí)充電功率最大，轉(zhuǎn)換率最高，此時(shí)輸出電壓為5.05 V，輸出電流為1.65 A。考慮到損耗及轉(zhuǎn)換率，實(shí)際功率在4 W左右，符合設(shè)計(jì)要求[4]。

2.2.4自動(dòng)吸附充電設(shè)計(jì)

為達(dá)到自動(dòng)吸附、自動(dòng)找正充電的目的，定位器與充電底座采用磁吸式設(shè)計(jì)，上下共有6顆強(qiáng)力磁鐵，每面都采用十字形90°的排列方式，移動(dòng)設(shè)備底部安置2顆強(qiáng)力磁鐵，充電底座安置4顆，可以適配更多充電角度，增加便攜性。由于無(wú)線充電功能是通過(guò)電磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)，設(shè)備在電磁場(chǎng)中產(chǎn)生感應(yīng)電流[5]，所以強(qiáng)力磁鐵的選用尤為重要。磁鐵種類(lèi)選擇錯(cuò)誤，輕則影響設(shè)備充電效率，重則會(huì)導(dǎo)致設(shè)備損毀。因?yàn)橛来朋w產(chǎn)生的是恒磁場(chǎng)，不會(huì)對(duì)電磁場(chǎng)產(chǎn)生影響，故不會(huì)對(duì)設(shè)備的正常運(yùn)行產(chǎn)生影響，所以強(qiáng)力磁鐵選擇稀土類(lèi)永磁體。

2.2.5外殼材料的選擇與制作

由于該定位器要求方便攜帶，同時(shí)還應(yīng)具備一定的隱蔽性，這就要求定位器外殼具有較小的體積。同時(shí)，考慮耐用性，以及定位器可能會(huì)受到組合擠壓變形造成其內(nèi)部電路損壞，所以外殼還應(yīng)具有一定的強(qiáng)度。為了方便調(diào)整尺寸大小，以及考慮定制化需求，采用3D打印技術(shù)制作定位器外殼。目前常見(jiàn)的殼體3D打印材料主要有2種(PLA和ABS)，經(jīng)過(guò)參數(shù)比較，外殼選擇強(qiáng)度、耐沖擊性等較好的ABS材料。

2.2.6填充劑的選擇

考慮到實(shí)際使用過(guò)程中定位器的散熱、密封、抗震等問(wèn)題，需要采用合適的填充劑來(lái)包裹電子元器件。在選擇填充劑時(shí)，無(wú)論固態(tài)或液態(tài)都必須具備良好的絕緣性。硅橡膠具有耐熱、耐寒、耐油性及耐化學(xué)介質(zhì)、耐氣候老化、耐輻射、介電性能和阻燃等特性[6-7]，因此選用硅酮導(dǎo)熱膠作為填充劑，具有絕緣、無(wú)毒、無(wú)溶劑、無(wú)污染、耐老化等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)選擇封閉的3D打印外殼和相應(yīng)的填充劑，來(lái)實(shí)現(xiàn)防走失貼的防水絕緣功能。

2.2.7硬件布局設(shè)計(jì)

由于定位器硬件是以集成組合的形式存在，為了盡可能減小體積，硬件布局采用堆疊式設(shè)計(jì)，以提高元器件的集成化與可靠性[8]。硬件布局堆疊示意圖如圖4所示。堆疊厚度控制在8 mm以?xún)?nèi)，空余部分用硅酮導(dǎo)熱膠填充，以達(dá)到散熱、密封和防水的效果，同時(shí)還可以消除高海拔地區(qū)大氣壓對(duì)設(shè)備的影響。

(a) 總體布局

(b) 堆疊方式

3 實(shí)驗(yàn)與測(cè)試

按照上述設(shè)計(jì)思路和制作要點(diǎn)，將試制加工的元器件分裝到3D打印的外殼內(nèi)，密封處理，隨后進(jìn)行無(wú)線充電實(shí)驗(yàn)和防水密閉性測(cè)試。

便攜式防走失貼實(shí)驗(yàn)與測(cè)試如圖5所示。無(wú)線充電實(shí)驗(yàn)與測(cè)試如圖5(b)所示。通過(guò)USB Safety Tester設(shè)備和計(jì)時(shí)器對(duì)充電時(shí)間進(jìn)行觀測(cè)，定位器普通線充的充電功率僅為2～3 W，充電時(shí)間為55～60 min。在更換為無(wú)線充電后，其接收功率達(dá)到5～6 W，轉(zhuǎn)換后充電功率達(dá)到4～5 W，充電時(shí)間縮短為26～30 min。密閉防水性測(cè)試如圖5(c)所示。定位器在水下10 m仍可以正常使用，無(wú)滲水現(xiàn)象，防水等級(jí)已經(jīng)超過(guò)理論的IP68級(jí)別，說(shuō)明防走失貼在潮濕或水下的環(huán)境中依然能正常工作，為使用安全性提供了保證。

(a) 防走失貼實(shí)物

(b) 無(wú)線充電實(shí)驗(yàn)與測(cè)試

(c) 密閉防水性測(cè)試

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一款具有無(wú)線充電與防水功能的防走失貼。其作為一種移動(dòng)定位設(shè)備，具有固定方式，即將定位器放入定制化織物內(nèi)，以魔術(shù)貼的形式固定在衣物上，具有較好的隱蔽性。充電底座的設(shè)計(jì)帶吸附限位功能，因此設(shè)備在充電時(shí)無(wú)需專(zhuān)門(mén)操作，而且具備防水性能，適應(yīng)能力強(qiáng)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)與測(cè)試，防走失貼具有操作方便快捷、防水、充電方便、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，適用于老人和兒童，具有一定的先進(jìn)性與實(shí)用性。