CN105207373B - 基于光电加密的磁共振耦合式无线充电系统 - Google Patents
基于光电加密的磁共振耦合式无线充电系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种基于光电加密技术的磁共振耦合式无线充电系统，该系统的原边发射线圈与负载电路通过单片机控开关组、谐振单元与负载电路之间的电磁耦合连接进行能量的传递。待解密原边电路与负载电路通过电信号加密单元、电信号控制LED光频率信号单元、特定频率LED发光单元以及LED光信号频率解码单元进行请求充电信号与密钥信息的传递。通过对频率应用光电加密可以实现对电能传输的加密。应用单片机编程进行一次线性加密生成密钥实现从而实现频率调节的不可预测。本发明的效果是通过光电加密手段，实现了对充电电子设备的定向供应，提高了无线充电的安全性，同时LED光加密的方式提供照明功能。
Description
技术领域
本发明涉及无线充电技术以及可见光通信技术领域，特别是一种基于光电加密的磁共振耦合式无线充电系统。
背景技术
电磁波是现代通讯技术的基本媒介，它能够较好的实现对各类信息的承载与传送。可见光作为电磁波的一种不仅具备了上述优点，还具备了其他波段的电磁波所不具备的下述特点，使其具有应用于加密技术领域的优势。首先，可见光传播的直线性与定向性较好，便于定向传送信息；其次，可见光不会穿透墙壁。这意味着可见光用于通信领域时的安全性较高，运用可见光加密的信息将更便于控制以及限制其传送范围；最后，可见光是目前人类所应用最广泛的一种电磁波，这将利于该项技术的普及。除此而外，可见光用于无线通讯的实现方式也较为简便且成本较低，利用LED的亮灭分别表示‘1’、‘0’，则快速的亮灭就相当于发出了一组二进制的数字信号，使用光电二极管和小型单片机即可识别该数字信号。综上所述，可见光是加密信息的一种理想载体。
随着各类电子设备的普及即现代科学技术的发展，无线能量传输技术已趋于成熟。作为能量传输效率最高并且传输距离最远的一种传输方式，磁共振耦合无线能量传输技术正在逐渐为人们所接受，但其在技术方面仍有许多不足之处有待完善。磁共振耦合式无线充电系统基于电磁感应和磁耦合传输的工作原理，整个系统大致由初级、次级线圈以及磁芯等三部分组成。工作时，在初级线圈的两端加上一定频率的交变电场时，磁芯会感应出相应的交变磁场，该磁场作用于次级线圈使之产生与初级线圈两端电磁信号相同频率的交流电压，即可完成从初级线圈到装有次级线圈的电子设备的无线能量传输。目前该系统在能量传输的安全性仍有欠缺，任何电子设备只需放置在指定区域即可获取能量。这将对能量传输的定向性以及效率造成不利影响。
发明内容
根据现有技术的空白，本发明的目的是提供一种基于光电加密的磁共振耦合式无线充电系统，该系统通过光电技术为传递的电能进行加密，使之在可见光能够传播的特定范围内被授权设备解密同时接收，同时未获得密钥的未授权设备将无法进行充电。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是提供基于光电加密的磁共振耦合式无线充电系统，该系统与便携式充电设备相连接，其中：该系统包括有待解密原边电路以及负载电路；所述待解密原边电路包括有电信号加密单元、电信号控制LED光频率信号单元以及特定频率LED发光单元和原边发射线圈依顺序连接，待解密原边电路经集成封装成为LED无线加密充电板；
所述负载电路包括有LED光信号频率解码单元、单片机控开关组以及可调控电容阵列单元依顺序连接，负载电路经集成封装成为集成充电环。
所述原边发射线圈与负载电路通过电磁耦合连接进行电磁能量的加密传输，所述电信号加密单元通过单片机编程进行一次线性加密生成频率密钥，将频率密钥生成的频率秘钥函数通过蓝牙技术传送到LED光信号频率解码单元，同时将生成的频率密钥传送至电信号控制LED光信号频率单元，电信号控制LED光信号频率单元将频率密钥转化为闪烁频率，再将闪烁频率告知特定频率LED发光单元，同时电信号加密单元将生成的频率密钥传送给MOSFET控制逆变器，MOSFET控制逆变器将原边发射线圈的频率调整至与频率密钥对应的频率。
待解密原边电路与负载电路通过电信号加密单元、电信号控制LED光频率信号单元、特定频率LED发光单元以及LED光信号频率解码单元进行充电请求信息与密钥信息的传递。
所述负载电路的频率感光区域从特定频率LED发光单元感知闪烁频率密钥信息，并得到的闪烁频率传送给LED光信号频率解码单元，LED光信号频率解码单元根据所得频率密钥和感光区域从特定频率LED发光单元感知的闪烁频率解码出原边发射线圈的开关频率，并传递给单片机控开关组，单片机控开关组调节可调控电容阵列单元的电容值，使得负载回路的谐振频率与所得开关频率相同，这样待解密原边电路与负载电路之间做到电能的光电加密传输。
集成充电环还包括有充电接口、感应线圈以及集成芯片组，所述感应线圈作为集成充电环的主体部分，感应线圈背端连接集成芯片组，集成芯片组(14)与置于集成充电环前端的充电接口相连。使用时感应线圈的正面与原边发射线圈的位置垂直对应，以保证最佳的充电效率；集成芯片组包括有和整流器连接的LED光信号频率解码单元、可调控电容阵列单元从而实现了负载电路的集成化。
本发明的有益效果为以下两点。首先，本发明提出的基于可见光无线通讯的电信号加密系统能够实现待加密电信号能量通过LED可见光传递来增加其安全性使授权负载得到电能，未授权的非法用户无法得到，这将对无线能量传输的安全性有较高提升。在给手机进行的无线光电加密充电中被授权的手机可以获得经整流器单元整流的接近5V的电压，而未被授权的手机获得的经整流器单元整流的电压近似0V。其次，该光电加密方式由于LED灯的应用，使其相比较于市面上大多数的无线充电板可以让用户在黑暗的环境中方便的使用，加强了无线充电板在夜间的用户体验。整个系统具备较佳的市场竞争力。
附图说明
图1为本发明的基于可见光实现电信号加密的磁共振耦合能量加密系统的电路拓扑图；
图2为本发明的基于可见光实现电信号加密的磁共振耦合能量加密系统的构思结构图；
图3为本发明的可调控的电容阵列的示意图；
图4为本发明的无线充电装置板的示意图；
图5为本发明的集成充电环的示意图；
图6为本发明的集成充电环与充电板接触面的放大示意图；
图7为本发明的集成充电环不与充电板接触面的放大示意图。
1、待解密原边电路 2、负载电路 3、电信号加密单元
4、电信号控制LED光信号频率单元 5、特定频率LED发光单元
6、LED光信号频率解码单元 7、可调控电容阵列单元
8、单片机控开关组 9、保险丝 10、原边发射线圈 11、便携式充电设备
12、LED发光板 13、集成充电环 14、集成芯片组
具体实施方式
结合附图对本发明的基于光电加密的磁共振耦合式无线加密充电系统的结构进行描述。
本发明的基于光电加密的磁共振耦合式无线充电系统的设计思想在于利用磁共振耦合无线充电的频率谐振特性，首次利用光电加密的方式对频率进行加密，保证了最优谐振频率只能够被授权用户解密，同时应用光电加密技术，以LED闪烁频率作为加密媒介，在实现无线能量加密的同时确保本系统具备较强的市场竞争力。原边发射线圈10与负载电路2通过电磁耦合连接进行电磁能量的加密传输。所述待加密的原边电路与负载电路通过谐振电感的电磁耦合连接进行能量的传递。所述待加密的原边电路与负载电路间信息光电加密的方式进行频率信号、密钥信息与能量的传输，从而达到既定效果。
本发明的基于光电加密的磁共振耦合式无线充电系统结构是，该系统与便携式充电设备相连接，该系统包括有待解密原边电路1以及负载电路2；所述待解密原边电路1包括有电信号加密单元3、电信号控制LED光频率信号单元4以及特定频率LED发光单元5和原边发射线圈10依顺序连接，待解密原边电路1经集成封装成为LED无线加密充电板；
所述负载电路2包括有LED光信号频率解码单元6、单片机控开关组8以及可调控电容阵列单元7依顺序连接，负载电路2经集成封装成为集成充电环13。
所述原边发射线圈10与负载电路2通过电磁耦合连接进行电磁能量的加密传输，所述电信号加密单元3通过单片机编程进行一次线性加密生成频率密钥，将频率密钥生成的频率秘钥函数通过蓝牙技术传送到LED光信号频率解码单元6，同时将生成的频率密钥传送至电信号控制LED光信号频率单元4，电信号控制LED光信号频率单元4将频率密钥转化为闪烁频率，再将闪烁频率告知特定频率LED发光单元5，同时电信号加密单元3将生成的频率密钥传送给MOSFET控制逆变器，MOSFET控制逆变器将原边发射线圈(10)的频率调整至与频率密钥对应的频率。
待解密原边电路1与负载电路2通过电信号加密单元3、电信号控制LED光频率信号单元4、特定频率LED发光单元5以及LED光信号频率解码单元6进行充电请求信息与密钥信息的传递。
所述负载电路2的频率感光区域从特定频率LED发光单元5感知闪烁频率密钥信息，并得到的闪烁频率传送给LED光信号频率解码单元6，LED光信号频率解码单元6根据所得频率密钥和感光区域从特定频率LED发光单元5感知的闪烁频率解码出原边发射线圈10的开关频率，并传递给单片机控开关组8，单片机控开关组8调节可调控电容阵列单元7的电容值，使得负载回路2的谐振频率与所得开关频率相同，这样待解密原边电路1与负载电路2之间做到电能的光电加密传输；
集成充电环13还包括有充电接口、感应线圈以及集成芯片组14，所述感应线圈作为集成充电环13的主体部分，感应线圈背端连接集成芯片组14，集成芯片组14与置于集成充电环13前端的充电接口相连。使用时感应线圈的正面与原边发射线圈10的位置垂直对应，以保证最佳的充电效率；集成芯片组14包括有和整流器连接的LED光信号频率解码单元6、可调控电容阵列单元7从而实现了负载电路2的集成化。
所述特定频率LED发光单元5中的LED灯采用护眼的LED作为发射源，便于在黑暗中使用。
所述单片机控开关组8和保险丝9连接形成继电保护结构，通过单片机控制开关组8的闭与合，使不同数值电容并联使用，得到所需要的特定电容值。
所述原边发射线圈10封装于待解密原边电路1集成构成的LED无线加密充电板中，LED无线加密充电板外壳采用防水防潮的材料，对原边发射线圈10形成保护作用。
所述集成充电环13通过前端的充电接口与便携式充电设备11相连。
本发明的基于光电加密的磁共振耦合式无线充电系统功能是这样实现的：
如图1所示，本发明的基于光电加密技术的磁共振耦合式无线充电系统包括有待解密原边电路1负载电路2两部分。待解密原边电路由信号发生电路，MOSFET控制逆变器，电容阵列C1、电感线圈L1和电阻r1组成。负载电路由电容阵列C2、电感线圈L2和电阻r2组成。两部分通过谐振电感的电磁耦合即电磁感应进行电能量传输，可以证明出只有当待加密原边电路1与负载电路2频率完全相同时，即：
负载电路得到最大的传输电量。
整个系统由待解密原边电路1、电信号加密单元3、电信号控制LED光信号频率单元4、特定频率LED发光单元5、LED光信号频率解码单元6、可调控电容阵列单元7以及负载电路2等部分组成。所述待加密的原边电路与负载电路通过谐振电感的电磁耦合连接进行能量的传递。所述待加密的原边电路与负载电路间信息光电加密的方式进行频率信号、密钥信息与能量的传输，从而达到既定效果。
待解密原边电路1与负载电路2通过电信号加密单元3、电信号控制LED光频率信号单元4、特定频率LED发光单元5以及LED光信号频率解码单元6进行充电请求信息与密钥信息的传递，基于光电加密技术的磁共振耦合式无线充电系统中所述负载电路2包括有LED光信号频率解码单元6、可调控电容阵列单元7以及单片机控开关组8，负载电路的频率感光区域从特定频率LED发光单元5感知闪烁频率密钥信息，并得到的闪烁频率传送给LED光信号频率解码单元6，LED光信号频率解码单元6根据所得频率密钥和感光区域从特定频率LED发光单元5感知的闪烁频率解码出原边发射线圈10的开关频率，并传递给单片机控开关组8，单片机控开关组8调节可调控电容阵列单元7的电容值，使得负载回路2的谐振频率与所得开关频率相同。这样待解密原边电路1与负载电路2之间做到电能的光电加密传输。
本系统的结构构思图与核心部分如图2所示，光电加密由电信号加密单元3、电信号控制LED光频率单元4、特定频率LED发光单元5、LED光信号频率解码单元6和可调控电容阵列单元7五部分组成。系统中电信号加密单元3通过单片机编程进行一次线性加密生成频率密钥，将其生成的频率秘钥函数通过蓝牙技术传送到以及LED光信号频率解码单元6，同时将生成的特定频率密钥传送至电信号控制LED光信号频率单元4，电信号控制LED光信号频率单元4将其转化为特定的闪烁频率，再将闪烁频率告知特定频率LED发光单元5。同时电信号加密单元3将生成的频率密钥传送给MOSFET控制逆变器，MOSFET控制逆变器通过装置中的微型DSP装置将原边发射线圈10的频率调整至密钥对应的频率。
所述待解密原边电路1与负载电路2通过电信号加密单元3、电信号控制LED光频率信号单元4、特定频率LED发光单元5以及LED光信号频率解码单元6进行充电请求信息与密钥信息的传递，基于光电加密技术的磁共振耦合式无线充电系统中所述负载电路2包括有LED光信号频率解码单元6、可调控电容阵列单元7以及单片机控开关组8，负载电路的频率感光区域从特定频率LED发光单元5感知闪烁频率密钥信息，并得到的闪烁频率传送给LED光信号频率解码单元6，LED光信号频率解码单元6根据所得频率密钥和感光区域从特定频率LED发光单元5感知的闪烁频率解码出原边发射线圈10的开关频率，并传递给单片机控开关组8，微型单片机控开关组8调节可调控电容阵列单元7的电容值，使得负载回路2的谐振频率与所得开关频率相同。这样待解密原边电路1与负载电路2之间做到电能的光电加密传输。
系统中出现的电容阵列如图3所示，由单片机控开关8和保险丝9组成，通过单片机调节组合开关的闭合，使不同数值电容并联组合，得到不同的所需要电容值。由于电容存在，电路中瞬时电流过大，故加上了保险丝9即继电保护进行保护。这个装置也是本系统能做到光电加密的重要组成，它提供的电容能和电路中的电感得到谐振频率。公式：
经推导得出与原边相同的谐振频率，从而进行电能的高效传输。待加密原边电路的充电频率由MOSFET逆变器控制不断调整，则电容阵列C1也在不断变化，与此同时加密的一次线性函数也定时发生变化，这样做到了频率的双重加密，使不了解光电加密函数的非法用户只能读取LED发光频率，无法得到真实的加密函数，也就无法获得充电。LED发光区由护眼LED构成，使光线柔和不刺眼，提高了用户在夜间的使用体验。
如图4所示原边发射线圈10所在位置，其封装于LED无线加密充电板中，LED无线加密充电板采用防水防潮材料，有利于对原边发射线圈10形成保护作用，集成于充电环上接收线圈感知的原边发射线圈10磁场变化，形成感应电动势。
如图5所示，集成充电环13通过前端的充电接口与便携式充电设备11相连，其充电接口可以做成适配于不同品牌的充电插口样式。
如图6所示，在充电过程中，集成充电环13应放置在LED充电板的原边发射线圈10附近的区域，以保证电磁感应的最适合角度及位置。同时上述的集成充电环13，并不仅局限于手机充电，还可以用于多种便携式电子设备，例如ipad、MP4、PSP等。图6、7所示集成充电环的正反两面，与LED充电板接触的一面贴有感应线圈，使用时应与原边发射线圈10的位置相对应，以保证最佳的充电效率。
如图7所示，集成芯片组14包括LED光信号频率解码单元6，可调控电容阵列单元7和整流器，并与前端充电接口相连，实现负载电路2的集成化。便携式电子设备插上充电环，便可以在最佳频率上进行充电。
上述的系统通过光电加密实现了频率的不可预测，未授权对象无法得知加密函数，故无法或得最佳充电频率，此外，没有集成充电环也无法获得有效的充电。整体的LED光电加密方式，采用护眼LED作为发射源，光线柔和，同时集成充电环13，实现了设备的小型化，利于使用者携带。
Claims (5)
1.一种基于光电加密的磁共振耦合式无线充电系统，该系统与便携式充电设备相连接，其特征是：该系统包括有待解密原边电路(1)以及负载电路(2)；所述待解密原边电路(1)包括有电信号加密单元(3)、电信号控制LED光频率信号单元(4)以及特定频率LED发光单元(5)和原边发射线圈(10)依顺序连接，待解密原边电路(1)经集成封装成为LED无线加密充电板；
所述负载电路(2)包括有LED光信号频率解码单元(6)、单片机控开关组(8)以及可调控电容阵列单元(7)依顺序连接，负载电路(2)经集成封装成为集成充电环(13)；
所述原边发射线圈(10)与负载电路(2)通过电磁耦合连接进行电磁能量的加密传输，所述电信号加密单元(3)通过单片机编程进行一次线性加密生成频率密钥，将频率密钥生成的频率密钥函数通过蓝牙技术传送到LED光信号频率解码单元(6)，同时将生成的频率密钥传送至电信号控制LED光信号频率单元(4)，电信号控制LED光信号频率单元(4)将频率密钥转化为闪烁频率，再将闪烁频率告知特定频率LED发光单元(5)，同时电信号加密单元(3)将生成的频率密钥传送给MOSFET控制逆变器，MOSFET控制逆变器将原边发射线圈(10)的频率调整至与频率密钥对应的频率；
待解密原边电路(1)与负载电路(2)通过电信号加密单元(3)、电信号控制LED光频率信号单元(4)、特定频率LED发光单元(5)以及LED光信号频率解码单元(6)进行充电请求信息与密钥信息的传递；
所述负载电路(2)的频率感光区域从特定频率LED发光单元(5)感知闪烁频率密钥信息，并得到的闪烁频率传送给LED光信号频率解码单元(6)，LED光信号频率解码单元(6)根据所得频率密钥函数和感光区域从特定频率LED发光单元(5)感知的闪烁频率解码出待解密原边电路(1)的谐振频率，并传递给单片机控开关组(8)，单片机控开关组(8)调节可调控电容阵列单元(7)的电容值，使得负载回路(2)的谐振频率与原边电路(1)的谐振频率相同，这样待解密原边电路(1)与负载电路(2)之间做到电能的光电加密传输；
集成充电环(13)还包括有充电接口、感应线圈以及集成芯片组(14)，所述感应线圈作为集成充电环(13)的主体部分，感应线圈背端连接集成芯片组(14)，集成芯片组(14)与置于集成充电环(13)前端的充电接口相连，使用时感应线圈的正面与原边发射线圈(10)的位置垂直对应，以保证最佳的充电效率；集成芯片组(14)包括有和整流器连接的LED光信号频率解码单元(6)、可调控电容阵列单元(7)从而实现了负载电路(2)的集成化。
2.根据权利要求1所述的基于光电加密的磁共振耦合式无线充电系统，其特征是：所述特定频率LED发光单元(5)中的LED灯采用护眼的LED作为发射源，便于在黑暗中使用。
3.根据权利要求1所述的基于光电加密的磁共振耦合式无线充电系统，其特征是：所述单片机控开关组(8)和保险丝(9)连接形成继电保护结构，通过单片机控制开关组(8)的闭与合，使不同数值电容并联使用，得到所需要的特定电容值。
4.根据权利要求1所述的基于光电加密的磁共振耦合式无线充电系统，其特征是：所述原边发射线圈(10)封装于待解密原边电路(1)集成构成的LED无线加密充电板中，LED无线加密充电板外壳采用防水防潮的材料，对原边发射线圈(10)形成保护作用。
5.根据权利要求1所述的基于光电加密的磁共振耦合式无线充电系统，其特征是：所述集成充电环(13)通过前端的充电接口与便携式充电设备(11)相连。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20170721 Termination date: 20210909 |