无线智能充电电风扇的设计

周文浩　罗泽宇　邹静

摘 要：电风扇是人们生活中必不可少的一种生活电器。但是，普通便携式USB风扇的功能单一，其电源线往往会带来麻烦。研究发现，采用无线充电技术，利用锂电池组储能，能够弥补传统电扇的缺陷，若再辅助其他功能，将会产生更高的实用价值。

关键词：无线充电;ESP8266;电磁感应

中图分类号：TM925.11;TP273.5 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）20-0052-03

Design of Wireless Intelligent Charging Fan

ZHOU Wenhao LUO Zeyu ZOU Jing

（School of Information Engineering， Wuchang Institute of Technology，Wuhan Hubei 430065）

Abstract： Electric fans are an essential life appliance in people's lives. However， the ordinary portable USB fan has a single function， and its power cord often causes trouble. It is found that using wireless charging technology， using lithium battery pack energy storage， can make up for the defects of traditional electric fans， and if it assists other functions， it will produce higher practical value.

Keywords： wireless charging;ESP8266;electromagnetic induction

无线充电技术开创了一种新的供电方式。它利用无辐射的无线能量传输达到驱动电子器件的目的。这种方式有别于传统的有线连接方式，更加便捷。虽然我国无线充电技术还处于起步阶段，但随着生活水平的日益提高，人们对无线充电技术满怀信心，渴望其能够早日普及。因此，笔者研究并设计了一款采用无线充电的智能便携式风扇，在普通桌面USB风扇的基础上添加无线充电功能，并且添加了WiFi控制、时钟、温湿度检测等实用功能[1]，使得日常使用更加便捷，符合人们和市场的需求。

1 整体设计方案

本项目主要包含两个方面：无线充电部分和风扇其他各个部分的控制。无线智能充电电风扇总体框架如图1所示。将风扇放到充电底座上时，人们可以通过无线的方式给系统充电。系统中电池组将接收的能量存储起来供给整个系统使用，机身上的OLED能显示当前所处环境中的温度、湿度、日期、时间和天气等情况，用户可以用手机上的APP，通过WiFi控制整个风扇的运转，也可以读取风扇检测到的其他数值。

2 功能电路设计

2.1 无线充电部分

电磁感应式充电技术主要依据电与磁能够互相转换的原理，即法拉第电磁感应定律，其工作原理与变压器的工作原理相似，主要通过两个线圈的相互感应实现电能的传输。首先，发射端和接收端各有一个线圈，其相当于变压器的初级和次级线圈。然后，初级线圈接入交流电时产生磁场，次级线圈由于有交变磁场的存在而感应出交变的电流。初级线圈与次级线圈之间是“松耦合”结构，所以没有磁芯，能量通过空气传输，减轻了整个系统的体积和重量[1]。德州仪器公司的BQ500211芯片和BQ51013芯片是第二代数字无线电源发射和接收控制器，符合QI标准，外围器件少，转换效率较高。因此，选用BQ500211作为发射端控制芯片，选用BQ51013作为接收端控制芯片。发射端采用的是Tpye-c接口，需要外接5V电源适配器和数据线给发射端供电。无线充电工作原理如图2所示。

2.2 控制系统

控制系统核心采用基于ARM-Cortex-M3内核的STM32F103C8T6低功耗嵌入式32位微处理器[2]。该处理器具有低功耗、多外设接口的优点，其开发成本和维护成本低，适合作为本系统的控制核心。它用于采集实时时钟模块、温湿度检测模块的数据，控制OLED显示模块和WiFi模块完成整个系统的运行。

2.3 温湿度检測模块

温度检测模块采用DHT11传感器采集室内的温度和湿度。DHT11是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，而且每一个传感器都在OTP内存中存入了在温湿度校准室中获得的校准系数，在传感器内部处理检测信号时需要调用这些系数，保证数据的准确性。它和微处理器采用单总线双向串行接口，仅需一个I/O口就可实现对温度和湿度的同时采集，采集的温度范围为0～（50±2）℃，湿度范围为20%～90%RH[3]。

每次采集时，微处理器会先拉低总线并持续18μs，然后设置I/O口为输入模式，并释放数据总线，等待从机（DHT11）的响应。如果DHT11传感器工作正常，则会在接收到微处理器发出的开始信号后持续拉低数据总线80μs来通知主机传感器状态正常，然后持续拉高总线80μs通知主机准备接收数据。随后，按照“高位在前、低位在后”的顺序，将40位数据帧一位一位地发送给主机，数据格式为“8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bit温度整数数据+8bit温度小数数据+8bit校验位”。其中，温湿度小数部分默认为0。当40位数据发送完毕后，传感器会持续拉低总线50μs并释放总线，至此完成一次采集过程。

2.4 实时时钟模块

时钟部分采用DS3231时钟芯片。目前，普及型时钟芯片DS1302的晶振需要外置，由于其晶体的离散性，人们很难选出精度很高的器件。在没有温度补偿电路的情况下，不同的环境温度使得晶体的特性发生变化，这就直接影响时钟的振荡频率。与DS1302相比，DS3231时钟芯片的晶振和温度补偿电路均集成在芯片内部，外围电路简单，计时精度高，误差仅为±2min/a，可以提供年、月、日、星期、时、分以及秒等信息，和有效期到2100年的闰年补偿。对小于31d的月份，可自动调整月末日期，包括闰年补偿。而且DS3231上的片上控制电路可实现自动电源检测，管理主电源和备用电源（即低压电池）之间的电源切换。如果主电源掉电，则会立即切换到备用电源，从而保证该器件仍可继续提供精确的计时，性能不受影响。DS3231与微处理器通过I2C双向串行总线传输地址与数据。

2.5 WiFi模块

WiFi部分采用ESP8266芯片。该芯片是一种低功耗和高集成度的WiFi芯片，外围元件少，性能稳定。ESP8266具备三种工作模式，即AP模式、Station模式和AP兼Station模式[3]。AP模式即Access Point，提供无线接入服务，允许其他无线设备接入;Station模式类似于无线终端，本身不接受无线接入，可以经由路由器连接到互联网来获取当前的天气情况;AP兼Station模式可以在接入路由器的同时，提供无线接入服务，允许其他设备接入，可以作为路由中继器使用。

本设计使用AP兼Station模式，将ESP8266上的URXD和UTXD与微处理器的PA2和PA3相连接，CH_PD与PA0相连接，RST与PA1相连接。然后，将微处理器的串口2和ESP8266模块进行初始化。当确认模块正常工作后，使用“AT+CWLAP＼r＼n”命令获取当前路由列表。使用“AT+CWJAP="ssid_str"，"password_str"＼r＼n”连接相关路由热点，其中ssid_str为热点名，password_str为密码。成功连接到路由热点后使用“AT+CIPSTART=＼"TCP＼"，＼"api.y ytianqi.com＼"，80＼r＼n”TCP方式连接服务器，然后就可以与之通信。使用GET命令请求数据“GET http：//api.yytianqi.com/observe？city="城市编号"&key="网站密匙"＼r＼n”，服务器会返回相关的天气数据。数据是JSON格式，解析数据就能获取相关信息。

2.6 OLED显示模块

OLED显示屏用来显示当前时间、电量、温度值、湿度值以及天气等信息。电路部分由双色3.3cmOLED显示屏和微处理器的I/O口相连接，采用全双工高速同步串行通信总线SPI方式。它仅占用4个I/O口，節约了微控制器的管脚，也为PCB的设计节省了空间。

3 结语

从理论设计到硬件制作和调试，该无线智能充电电风扇设计达到了较好的效果。该设计在连接WiFi的前提下具备了天气预报、实时时钟、室内温度湿度检测的功能，还具备WiFi中继功能。在没有WiFi的情况下，虽然它无法获取天气信息，但是自带的时钟模块依旧可以提供精准的时间，而且可以给手机等电子产品充电，增强了使用体验，结构简单，功能实用，符合人们对智能家居的需求，具备很高的推广价值。

参考文献：

[1]贾红梅.手机无线充电系统的研究[D].马鞍山：安徽工业大学，2017.

[2]黄智伟.全国大学生电子设计竞赛教程[M].北京：电子工业出版社，2005.

[3]梁森.自动检测技术及应用[M].北京：机械工业出版社，2018.