一种用LIFI控制进行充电的装置、方法与流程

本发明涉及移动终端充电研究领域，特别涉及一种用lifi控制进行充电的装置、方法。

背景技术：

随着电子产品的普及以及通信技术的发展，移动终端设备已成为人们日常生活中不可缺少的一部分。要实现移动终端的便携性，移动终端均是由自身携带的电池供电，因此供电时间的长短由电池来决定。

为了提高移动终端在使用过程中电池供电时长，目前已有多种方法。一种是随身携带外置的移动电源，通过有线充电方式充电。具有携带不方便、不安全的缺点。另一种是利用磁场的原理通过无线方式进行充电，但该方式需要移动终端放置在无线充电装置足够近的位置处。一种是利用太阳能进行供电。需要额外增加单独的光伏板，在充电时需要在太阳等可见光下充电，降低了移动终端的使用寿命。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种用lifi控制进行充电的装置、方法，该装置可利用红外线不可见光进行供电，且接收光能的面积大，能够实现快速、稳定的供电。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种用lifi控制进行充电的装置，包括集中控制电路、lifi组合发射电路和光电转换电路，lifi组合发射电路包括发射控制器、led阵列、lifiled光源，发射控制器通过恒流驱动阵列对led阵列中每个led单元进行控制，发射控制器通过lifiled驱动电路驱动lifiled光源向外界发送lifi信号；光电转换电路包括透明光伏玻璃板、充电电路，透明光伏玻璃板铺设在待充电设备的显示屏上，led阵列发射的红外线定向辐射光照射在透明光伏玻璃板上，经光电转换后通过充电电路将电能输送到待充电设备；待充电设备上设有用于接收lifi信号的lifi接收模块，待充电设备通过网络与集中控制电路连接，集中控制电路与若干个发射控制器数据连接。

优选的，每个所述lifi组合发射电路设置在一转动云台上，转动云台的旋转由发射控制器控制。lifi组合发射电路可设置在屋顶天花板上多个位置，在发射控制器控制下，通过转动云台的旋转可以带动lifi组合发射电路向待充电设备方向转动，使得led阵列发射的红外线定向辐射光最大程度的照射在透明光伏玻璃板上，实现用不可见光对待充电设备的智能跟踪、定向充电。

优选的，所述led阵列中每个led单元包括一个led红外发射管和一个由抛物面制成的聚光罩，led红外发射管安装在聚光罩的焦点处。led红外发射管发射的光线经聚光罩作用后形成平行不可见红外线辐射，提高led的辐射功率。

优选的，所述led阵列包括若干个led单元，led单元中led红外发射管的分布和辐射面积形状与透明光伏玻璃板的形状相似。便于进行有效的光电转换。

优选的，所述恒流驱动阵列采用led升压型dc/dc恒流驱动芯片，输入电压由lifi组合发射电路中的电源提供，pwm调制信号由发射控制器提供。恒流驱动阵列是在发射控制器的控制下，对大功率led阵列进行功率控制和lifi信号调制。采用恒流驱动方式，可消除由于电压波动所引起的电流波动，能产生恒定亮度，延长led寿命。

优选的，所述lifiled光源选用白光发光二极管。lifiled光源在不影响led照明的同时，将信号调制在led光源上，通过快速开关产生人眼无法感知的高频闪烁信号来传送数据。lifi结合光的照明功能和数据通信功能，具有容量大、效率高、实用面广、安全性高等特点，是一种新型的无线通信的方式。

优选的，所述lifiled驱动电路选用led升压型dc/dc恒流驱动芯片。lifiled驱动电路在发射控制器的控制下驱动lifiled光源工作。

优选的，所述发射控制器采用arm微控制器，通过以太网接口与集中控制电路相连。

优选的，所述透明光伏玻璃板采用ar镀膜光伏玻璃，大小与待充电设备的面板面积近似相同。本发明透明光伏玻璃板可完全取代现有待充电设备显示玻璃屏，从环境光和定向辐射的不可见红外线光中连续不断的产生电能，同时使接收光能最大化。

优选的，所述充电电路包括依次相连的调压模块、光能检测电路和光电控制器，所述调压模块对透明光伏玻璃板输出的电压进行稳压后将电能输送到待充电设备；光电控制器通过光能检测电路检测调压模块的电压，将电压信号发送到待充电设备内的终端控制器。

优选的，所述待充电设备上设有待充电设备部分电路，该电路包括终端控制器、充电电池、lifi接收模块和无线通讯模块，在终端控制器控制下，光电转换电路向充电电池供电，lifi接收模块接收lifi组合发射电路发射的lifi信号；终端控制器通过无线通讯模块与集中控制电路中的集中控制器相连。

更进一步的，所述无线通讯模块包括射频电路、wifi模块或者蓝牙模块。

更进一步的，所述待充电设备上，在透明光伏玻璃板上方和下方分别设置一个lifi接收模块，在进行充电过程中，led阵列中的两个led单元产生的红外线定向辐射能量和lifi信号，分别由上述两个lifi接收模块进行定向接收。通过这样的结构，可以确定接收的光功率，通过调节光功率的大小实现透明光伏玻璃屏与led阵列准确对位。

优选的，所述集中控制电路包括集线器、集中控制器，各个lifi组合发射电路中的发射控制器均通过集线器与集中控制器相连，集中控制器通过无线网络与待充电设备相连。通过集线器，多个lifi组合发射电路可形成一局域网。集中控制器可接收待充电设备传送的当前待充电设备的电量、lifi信号数据和不可见光的光能数据等，根据上述数据，集中控制器对各个lifi组合发射电路进行控制，调整方向以及发射功率。

一种用lifi控制进行充电的方法，包括步骤：

判断当前待充电设备中充电电池的电量，如果低于一定的阈值，则执行充电步骤，具体是：

(1)待充电设备坐标定位：通过待充电设备上lifi接收模块接收三个以上lifiled光源的光功率信号强度(rssi)的数据，将该数据传入到集中控制器，根据lifi组合发射电路的已知坐标，采用圆周定位算法，计算出待充电设备坐标；

(2)光源定位：根据待充电设备坐标，计算出离待充电设备距离最近的lifi组合发射电路应该旋转的方位角和俯仰角，按照上述方位角和俯仰角调节该lifi组合发射电路中的led阵列，使其发射的红外线定向辐射光指向待充电设备；在待充电设备检测到led阵列发射的光功率数据后，对待充电设备进行光充电，在充电的同时实时读取移动终端的电量数据以调节led阵列中led红外发射管的功率。

优选的，所述步骤(2)中，在进行光源定位过程中，led阵列按照计算出的方位角和俯仰角进行旋转后，通过待充电设备上两个lifi接收模块判断是否接收到光功率数据和编码，如果没有收到，则进入红外线定向辐射光源搜索步骤，方法是：

集中控制电路的集中控制器以当前位置为中心，以i*d为半径，d为led阵列的直径，i为搜索圆周次数，计算出圆周搜索路径，并由对应lifi组合发射电路的发射控制器控制云台进行圆周搜索；

如果待充电设备上两个lifi接收模块检测接收到光功率数据和编码，则进入红外线定向辐射光源充电状态，否则，搜索圆周次数i加1，集中控制电路的集中控制器以当前位置为中心，以i*d为半径，再次计算出圆周搜索路径，并由对应lifi组合发射电路的发射控制器控制云台进行再次圆周搜索，直到搜索到光功率数据和编码，进入到充电状态。

优选的，在待充电设备检测到led阵列发射的光功率数据后，对待充电设备进行光充电过程中，还执行红外线定向辐射光源跟踪步骤，方法是：

待充电设备上两个lifi接收模块检测接收到任意一个lifi组合发射电路发射的光功率数据和编码，将其发送到集中控制器中；

根据当前云台的运动轨迹，判断出红外线定向辐射光源与两个lifi接收模块的位置误差，将误差数据传送到发射控制器，由发射控制器控制云台向减小位置误差的方向转动，直到两个lifi接收模块分别接收到的两个不同编码的光功率数据相等，则表明红外线定向辐射光源与待充电设备位置一致，跟踪完成。

更进一步的，对于一个lifi组合发射电路，在进行跟踪步骤时，有两个编码的led单元仅作为与待充电设备的跟踪光源，不负责充电；

其他的led单元根据当前待充电设备所存电量数据，在发射控制器控制下产生不同功率的光功率，对待充电设备进行非接触的、不可见光线的光充电；

在光充电的同时，实时将当前待充电设备接收到的充电功率和电量传送到集中控制器中，由集中控制器确定是否需要加大光充功率，是否调用另一组lifi组合发射电路上的光源对待充电设备进行光充电。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明用透明光伏玻璃板取代现有待充电设备(例如移动终端)显示玻璃屏位置，在不影响显示屏的正常操作与使用时实现光充电。

2、本发明中透明光伏玻璃板面积与待充电设备面板面积近似相同，使接收光能最大化。

3、本发明中接收的光能不仅可以是可见光，主要是还可以接收安装在房顶处的大功率、并能智能跟踪待充电设备透明光伏玻璃板移动的红外线定向辐射光源，可对在屋内任何位置的透明光伏玻璃板进行动态定位、红外线定向辐射光源自动搜索和自动跟踪进行远程光充电，实现了待充电设备在使用状态下和静止状态下的自动光充电，解决了只能靠太阳等可见光充电造成待充电设备长时间在太阳充电易损坏，晚上可见光充电影响他人休息等问题，也解决了长期困绕人们无线充电距离近、有线充电容易遗忘等问题。

附图说明

图1是本实施例用lifi控制进行充电的装置的整体结构组成框图。

图2是本实施例中透明光伏玻璃板在移动终端上的结构分解示意图。

图3是本实施例中lifi组合发射电路的结构示意图。

图4是本实施例中led阵列中单个led单元的结构示意图。

图5是本实施例中集中控制电路和4个lifi组合发射电路的安装示意图。

图6是本实施例中用lifi控制进行充电的方法流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

本实施例以采用本发明用lifi控制进行充电的装置的手机为例，对充电的装置以及方法进行具体的说明。

参见图1，在本实施例方案中，用lifi控制进行充电的装置主要涉及到光电转换电路、lifi组合发射电路、集中控制电路和移动终端部分电路4个部分的改进，下面分别结合附图对每个部分进行具体的说明。

(一)光电转换电路

光电转换电路用于接收屋顶天花板上lifi组合发射电路发射的不可见光，将不可见光的光能转换为电能。参见图2，由透明光伏玻璃板1和充电电路5组成，其中充电电路包括调压模块、光能检测电路和光电控制器。

1、透明光伏玻璃板

透明光伏玻璃板1用于接收从lifi组合发射电路定向辐射的不可见红外线光能，通过贴在透明光伏玻璃板上的塑料薄膜的有机物，吸收不可见光束，实现由光能到电能的转换，并且不影响玻璃的正常透光功能。透明光伏玻璃板上的薄膜选用普世能源公司生产的高度透明的功率膜，通过覆盖移动终端显示屏，从环境光和定向辐射的不可见红外线光中连续不断的产生电能。

本发明是将移动终端原有的盖板玻璃取代为能通过光能对移动终端进行充电的透明光伏玻璃板1，放置在原来玻璃屏的位置。触摸感应器层2和lcd板3是原移动终端的结构保持不变。透明光伏玻璃板产生的电能通过电源输出线4送入充电电路5进行处理，充电电路5用于对电压进行采集和调压，通过充电线6将采集和稳压后的电能传输给移动终端内部的充电电路和cpu。

2、充电电路

2.1调压模块

调压模块用于对透明光伏玻璃板输出的电压进行稳压后，接到移动终端的电源端，对移动终端供电和充电电池充电。选用型号为lm2576-5开关型集成稳压芯片作为调压电路，其最高的输入电压为40v，输出电压为5v。

2.2光能检测电路

光能检测电路用于将透明光伏玻璃板产生的电压值进行变换后，传输到光电控制器进行ad转换。光能检测电路由两个电阻组成的分压电路实现。

2.3光电控制器

光电控制器的作用是实时采集透明光伏玻璃板输出的电压幅度，并将电压幅度数据通过spi总线传输方式送入终端控制器。选用stc公司生产的stc12c5a60s2型单片机，并通过单片机上的adc端口，快速完成对透明光伏玻璃板输出电压幅度的数据采集，并将采集的电压幅度数据以spi总线传输方式上传到终端控制器。

(二)移动终端部分电路

移动终端部分电路主要由终端控制器和分别安装在移动终端透明光伏玻璃屏上方和下方的两个lifi接收模块组成。

1、终端控制器

终端控制器用于接收实时采集透明光伏玻璃板输出的电压幅度数据，接收移动终端显示屏上方和下方的两个lifi接收模块传输的lifi信号和光功率数据，对lifi信号和光功率数据进行数据解码，并通过射频电路与移动互联网连接，或wifi，或蓝牙，将电压幅度数据、接收到的房顶天花板上发送的lifi信号光功率数据上传到集中控制器中。

2、lifi接收模块

lifi接收模块用于将lifi信号进行解调，通过解码恢复出与发射端一样的数据信息，进而完成光信号的接收。为了实现精准定位，将led阵列中的上、下两个单元产生的红外线定向辐射能量和lifi信号分别与设置在移动终端透明光伏玻璃屏上方和下方的两个lifi接收模块进行定向接收，只有两个lifi接收模块收到的光功率为最大，则表明移动终端透明光伏玻璃屏与led阵列准确对位，即可进入不可见光的光能充电状态。

(三)lifi组合发射电路

参见图3、5，本实施例中lifi组合发射电路15有4组，分别安装在房间屋顶7的4个角上。单个lifi组合发射电路结构示意图如图3所示。lifi组合发射电路在集中控制电路16的控制下产生lifi信号，大功率红外线定向辐射不可见光，同时驱动转动云台8进行半球转动。lifi组合发射电路主要包括大功率led阵列10、恒流驱动阵列、lifiled光源11、lifiled驱动电路、转动云台8和发射控制器。

1、大功率led阵列

大功率led阵列10用于产生大功率红外线定向辐射光源，其由六个led单元12组成，每个单元如图4所示，由一个大功率led红外发射管13和一个由抛物面制成的聚光罩14组成，其中大功率led红外发射管安装在聚光罩的焦点处，形成平行不可见红外线辐射。六个大功率红外发光二极管的分布和辐射面积形状与移动终端的透明光伏玻璃屏形状相似，以方便移动终端进行有效的光电转换。大功率红外发光二极管选用型号为sfh4233的大功率红外发射二极管。

2、恒流驱动阵列

恒流驱动阵列是在发射控制器的控制下，对大功率led阵列进行功率控制和lifi信号调制。采用恒流驱动方式，可消除由于电压波动所引起的电流波动，能产生恒定亮度，延长led寿命。本实施例选用xl6003型大功率led升压型dc/dc恒流驱芯片，其输入电压由lifi组合发射电路的电源提供，pwm调制信号由发射控制器提供，可以分别控制六个led的光功率和产生lifi编码信号。

3、lifiled光源

lifiled光源11用于在不影响led照明的同时，将信号调制在led光源上，通过快速开关产生人眼无法感知的高频闪烁信号来传送数据。lifi结合光的照明功能和数据通信功能，容量大，效率高，实用面广，安全性高，是一种新型的无线通信的方式。lifiled光源选用白光发光二极管。

4、lifiled驱动电路

lifiled驱动电路是在发射控制器的控制下驱动lifiled光源11工作。选用xl6003型大功率led升压型dc/dc恒流驱芯片作为lifiled驱动电路。

5、转动云台

转动云台是在发射控制器的控制下带动lifi组合发射电路向移动终端方向转动，选用普天视pts-3030c型云台，其为吊装全方位云台水平最大转动角为350°。垂直转动角为±45°。

6、发射控制器

发射控制器的作用主要包括：(1)通过6个io端口输出pwm信号，控制6个恒流驱动电路，形成对大功率led阵列每个单元的编码和输出的光功率控制；(2)通过1个io端口输出pwm信号，控制1个恒流驱动电路，形成对lifiled光源的编码和输出的光功率控制；(3)透明传输集中控制器输入的lifi数据信号；(4)控制转动云台对准移动终端方向。发射控制器选用意法半导体生产的stm32f10332位arm微控制器，发射控制器通过w5300芯片转换为以太网接口9，通过网线与集线器连接。

(四)集中控制电路

集中控制电路主要包括集线器和集中控制器。根据需要，还可以加装wifi、蓝牙等无线通讯模块。

1、集线器

集线器用于将4路lifi组合发射电路的信号通过网络进行连接，形成局域网络，选用szllwl型5口千兆交换机作为分线集线器。

2、集中控制器

集中控制器用于产生lifi数据流，并通过移动互联网或wifi或蓝牙接收屋内移动终端当前的电量数据以及接收到的lifi信号数据和不可见光的光能数据，通过集中控制器进行数据分析，对移动终端当前所处位置进行定位，并控制lifi组合发射电路进行移动，发射不同功率的不可见光给对应移动终端，实现远距离不可见光的智能定位、定时、定量充电。集中控制器选用意法半导体生产的stm32f10332位arm微控制器，集中控制器通过w5300芯片转换为以太网接口，通过网线与集线器连接。

基于上述装置，下面结合附图6对本实施例用lifi控制进行充电的方法进行具体的说明。

1.系统初始状态

当移动终端充电电池电量大于80％时，终端控制不向集中控制电路发送电量不足信号及当前电量数据，系统处于初始状态，此状态下四个lifi组合发射电路的转动云台都置于0位，即水平位置，每个lifi组合发射电路的lifiled光源正常工作，传输下行数据给房内移动终端，实现lifi数据通信；每个lifi组合发射电路的大功率led阵列停止工作，不向外辐射红外光功率。

2.充电识别状态

当移动终端充电电池电量小于80％时，系统由初始状态进入到充电状态。终端控制器将电量不足信号及当前电量数据传送到集中控制电路的集中控制器中。这里的数据传送有两种方法，一种方法是通过移动终端射频电路、移动互联网或互联网，送入集中控制电路的集中控制器中；另一种方法是通过移动终端和wifi或蓝牙模块，与集中控制电路的wifi或蓝牙模块通信，送入到集中控制器中。集中控制电路的集中控制器接收到移动终端的电池电量低的信号后，由充电识别状态进入到移动终端定位状态。

3.移动终端定位状态

采用圆周定位算法，通过移动终端部分电路中两个lifi接收模块接收到三个以上lifiled光源的光功率信号强度(rssi)的数据，经过终端控制器送入集中控制电路的集中控制器中，集中控制器再根据四个lifi组合发射电路的已知坐标，计算出移动终端的移动坐标(xn，yn)。

4.红外线定向辐射光源定位状态

根据移动终端定位状态下计算出的移动终端的移动坐标(xn，yn)，集中控制电路的集中控制器计算出离移动终端最近的lifi组合发射电路应该旋转的方位角和俯仰角，并将方位角和俯仰角的数据通过集线器送入对应lifi组合发射电路的发射控制器，由发射控制器控制转动云台转动，使红外线定向辐射光源指向移动终端。

发射控制器通过恒流驱动阵列控制大功率led阵列发射低功率编码红外定向辐射光功率，npled1，npled2，npled3，npled4，npled5，npled6，其中n＝1～4，表示某个lifi组合发射电路；p表示对应大功率led的光功率；npledx表示某个lifi组合发射电路的某个大功率led的光功率数据和编码，移动终端部分电路中两个lifi接收模块检测是否接收到光功率数据和编码，如没收到npled1，npled2，npled3，npled4，npled5，npled6中的任何一个光功率数据和编码，则说明6个红外线定向辐射光源都没有对准透明光伏玻璃板，进入红外线定向辐射光源搜索状态。

5.红外线定向辐射光源搜索状态

集中控制电路的集中控制器以当前位置为中心，以i*d为半径(d为大功率led阵列的直径，i为搜索圆周次数)，计算出圆周搜索路径，并由对应lifi组合发射电路的发射控制器控制云台进行圆周搜索。如移动终端部分电路中两个lifi接收模块检测接收到光功率数据和编码，则进入红外线定向辐射光源跟踪状态，否则，搜索圆周次数i加1，在i不超过预设的最大值i时，集中控制电路的集中控制器以当前位置为中心，以i*d为半径，再次计算出圆周搜索路径，并由对应lifi组合发射电路的发射控制器控制云台再次进行圆周搜索，直到搜索到光功率数据和编码，进入到红外线定向辐射光源跟踪状态。

6.红外线定向辐射光源跟踪与充电状态

当移动终端部分电路中两个lifi接收模块检测接收到光功率数据和编码，将接收到的npled1，npled2，npled3，npled4，npled5，npled6中的任何一个光功率数据和编码输入到集中控制器中进行处理，根据当前云台的运动轨迹，以及接收到的光功率数据和编码，判定出红外线定向辐射光源与移动终端上的两个lifi接收模块的位置误差，将误差数据传送到发射控制器，由发射控制器控制云台向减小位置误差的方向转动，直到两个lifi接收模块分别接收到的两个不同编码的光功率数据相等，则表明红外线定向辐射光源与移动终端位置一致，并将跟踪数据送到集中控制器进行数据处理。这两个编码的大功率led单元作为与移动终端的跟踪光源，不负责充电。根据当前移动终端所存电量数据，发射控制器控制大功率led阵列其它四个led单元产生不同功率的光功率，对移动终端进行非接触的、不可见光线的光充电。并在光充电的同时，实时将当前移动终端接收到的充电功率和电量通过终端控制器传送到集中控制器中，由集中控制器确定是否需要加大光充功率，是否调用另一组lifi组合发射电路上的光源对移动终端屏进行光充电。

本实施例可对在屋内任何位置处的移动终端进行动态定位、红外线定向辐射光源自动搜索和自动跟踪进行远程光充电，实现了移动终端在使用状态下和静止状态下的自动光充电，具有效率高、布置方便的优点。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。