CN106446980A - 一种智能手机音频供电和传输数据的ZigBee基站及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能手机音频供电和传输数据的ZigBee基站及其工作方法，第一、该方法是通过智能手机的音频插头创建数据和电源的物理连接；第二、电源采集电路可从智能手机的右音频通道获取电能，并升压至3.3V，为电路板和附属元件供电。本发明解决了通过智能手机的音频插头可创造数据和电源的物理连接，不必通过模拟量转换，仍能提供一个自供电的数据通道这一难题，而且将传统意义上的ZigBee基站注入了新的内涵，由传统的固定式安装，延伸至可移动、可通过智能手机、平板电脑、PAD等移动便携部署。本发明既满足了不同场景对ZigBee移动部署的灵活要求，又实现了低成本高可靠的采集效果。

Description

一种智能手机音频供电和传输数据的 ZigBee 基站及其工作方法

技术领域

本发明涉及一种工作方法，具体是一种智能手机音频供电和传输数据的ZigBee基站及其工作方法。

背景技术

移动终端操作系统应用软件功能强大，智能手机应用已超出通话的原始功能，各种移动应用的开发更充分体现了智能化、开放式的趋势。在移动应用中，如果要与外部设备交换信息，要通过专用的数据接口，但手机厂商的数据接口各不相同，外部设备难以兼顾，一些厂家限制数据接口的开放，或收取高昂的使用费，或对外设生产方有严格的资质要求，种种限制，制约了智能终端与外部设备的直接交流。

随着物联网和可穿戴设备的应用日益深入，许多手机应用程序通过外部设备连接来收集传感器读数、控制开关、提供外部仪表收集的数据，并处理来自键盘、操纵杆或手柄等的用户输入。比较普遍的方法是通过无线连接方式来实现，虽然无线连接为用户带来了便利，但也会增加小型设备的BOM成本，而且需要无线协议甚至外部电源方面的设计经验，而占用手机的高带宽USB端口不太必要。

为了打造一种通用的连接方法，专利权人徐良衡、任怀宇等发明了“一种手机利用耳机插孔读取 RFID/NFC标签的方法与系统（CN102857631A）”，该系统包括有内置于智能手机中的内置软件模块和外置的读写模块，该外置的读写模块通过耳机插孔与智能手机连接 ；读写模块包括有解调电路、调制电路、电池、微控制器、RFID/NFC 读写芯片和RFID/NFC天线，解调电路和调制电路分别连接微控制器；内置软件模块中设有调制单元和解调单元以及处理RFID/NFC数据的处理单元。

专利CN202679463U也公开了一种移动终端和用于移动终端的耳机接口处理电路，其中该耳机接口处理电路包括 ：接收模块，用于通过耳机接口接收模 拟信号 ；转换模块，用于根据预先设置的模拟信号与数字信号之间的对应关系，将所述模拟信号转换为数字信号。手机通过耳机接口能够与外部设备进行数据通讯或通过耳机接口进行充电/供电。

以上几种方法的共性在于：1、通过耳机接口接收模拟信号。在智能手机上发出数字控制指令，数字控制指令被内置软件模块的调制单元转换成模拟信号，该模拟信号通过耳机插孔音频输出通道发送至外置的读写模块中 ；微控制器对外部读写设备的数据编码并生成基带信号，生成的基带信号经调制电路调制成音频信号，该音频信号经由耳机插孔中的麦克风发送至智能手机中。经过频繁转换，降低了数据传输的准确性和稳定性。

2、均没有详细说明外供电模块及升压回路的实现方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种智能手机音频供电和传输数据的ZigBee基站及其工作方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种智能手机音频供电和传输数据的ZigBee基站及其工作方法，第一、该方法是通过智能手机的音频插头创建数据和电源的物理连接；第二、电源采集电路可从智能手机的右音频通道获取电能，并升压至3.3V，为电路板和附属元件供电；第三、微控制器启用左音频通道进行数据传输，用于处理曼彻斯特（Manchester）解码/编码以及与外围设备通信；第四、智能手机内部的APP应用程序实现ZigBee设备控制和数据显示功能；第五、ZigBee读写模块可读取标准ZigBee节点、标签的电子信息；第六、内嵌标准ZigBee协议的标签、传感器或节点。

作为本发明进一步的方案：通过音频插孔传递控制指令与读取到的ZigBee信息，所述的微控制器的通信接口与ZigBee芯片连接的通信协议为 SPI、I2C或为UART接口。

作为本发明进一步的方案：通过音频插孔供电并升压至3.3V。

作为本发明再进一步的方案：不进行载波调制与解调，直接在音频线路上传输数据编码信号。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明解决了通过智能手机的音频插头可创造数据和电源的物理连接，不必通过模拟量转换，仍能提供一个自供电的数据通道这一难题，而且将传统意义上的ZigBee基站注入了新的内涵，由传统的固定式安装，延伸至可移动、可通过智能手机、平板电脑、PAD等移动便携部署。本发明既满足了不同场景对ZigBee移动部署的灵活要求，又实现了低成本高可靠的采集效果。

附图说明

图1为智能手机音频供电和传输数据的ZigBee基站及其工作方法的硬件框图；

图2为智能手机音频供电和传输数据的ZigBee基站及其工作方法的系统拓扑示意图；

图3为智能手机音频供电和传输数据的ZigBee基站及其工作方法中OMTP接口图；

图4为智能手机音频供电和传输数据的ZigBee基站及其工作方法中CTIA接口图；

图5为智能手机音频供电和传输数据的ZigBee基站及其工作方法中耳机接口比较器电路图；

图6为智能手机音频供电和传输数据的ZigBee基站及其工作方法中音频接口与ZigBee设备的连接回路；

图7为智能手机音频供电和传输数据的ZigBee基站及其工作方法中电源传输电路图；

图8为智能手机音频供电和传输数据的ZigBee基站及其工作方法中二极管倍压器电路图；

图9为智能手机音频供电和传输数据的ZigBee基站及其工作方法中LDO和LDO使能回路；

图10为智能手机音频供电和传输数据的ZigBee基站及其工作方法中音频通讯回路电路图；

图11为智能手机音频供电和传输数据的ZigBee基站及其工作方法中手机至ZigBee模块的通讯回路电路图；

图12为智能手机音频供电和传输数据的ZigBee基站及其工作方法中曼彻斯特编码图；

图中：1.音频插孔、2.智能手机APP、3.能量回路、4.微型处理器、5.ZigBee模块、6.ZigBee节点、7.Wifi/3G/4G、8.ZigBee管理后台、9.数据库、10.客户端。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1～12，本发明实施例中，一种智能手机音频供电和传输数据的ZigBee基站及其工作方法，第一、该方法是通过智能手机的音频插头创建数据和电源的物理连接；第二、电源采集电路可从智能手机的右音频通道获取电能，并升压至3.3V，为电路板和附属元件供电；第三、微控制器启用左音频通道进行数据传输，用于处理曼彻斯特（Manchester）解码/编码以及与外围设备通信；第四、智能手机内部的APP应用程序实现ZigBee设备控制和数据显示功能；第五、ZigBee读写模块可读取标准ZigBee节点、标签的电子信息；第六、内嵌标准ZigBee协议的标签、传感器或节点。

通过音频插孔传递控制指令与读取到的ZigBee信息，所述的微控制器的通信接口与ZigBee芯片连接的通信协议为 SPI、I2C或为UART接口。

通过音频插孔供电并升压至3.3V。

不进行载波调制与解调，直接在音频线路上传输数据编码信号。

1.音频接口MIC/GND 自动连接回路

智能手机有两种主要的耳机接口标准，OMTP和CTIA。这两种标准的主要区别是MIC和GND信号在插接头的位置是相反的，如图1所示。

为了自动支持两种标准，本发明使用一个二级回路检测外部ZigBee设备插入那种类型的耳机端口，并根据结果配置模拟开关。模拟开关使得手机音频接口 MIC/GND与ZigBee板上的对应的音频回路连接。

如图2所示：通过一个比较器回路检测ZigBee设备插入哪种类型的耳机端口。

如图3所示：通过回路解读结果，并根据结果配置模拟开关。模拟开关使得手机音频接口 MIC/GND与板上的对应的音频回路连接。

2.电源传输

外接ZigBee模块必须由智能手机进行供电。为了实现这特点，其中一个音频声道被专用于能量传输，一个恒定不变的音频数据流持续不断地提供给ZigBee上的能量采集回路。这个能量采集回路将来自音频接口的低电压AC信号转变成稳定的DC信号并提供给数字电路，如图4所示。

电源的两个主要部分： 二极管电压倍压器。这个回路将来自音频接口的电压提升6倍（右声道，典型峰值650mV），图5是ZigBee模块的动力源。

请参阅图6，LDO调节输入电压使之稳定在3.3V，LDO只有在输入使能引脚上为高电平时才开始工作。当ZigBee不使用时，可降低电池的损耗。

3.音频通讯回路

本发明利用手机的左声道输出数据，MIC接收输入数据。使用一个简单的回路使得模拟的音频信号和微控制器的数字信号相适应，请参阅图7。

请参阅图8，此芯片带有两路模拟通道，第二个模拟通道被用于 MIC、GND信号识别，比较器的反相输入连接到 ½VCC，正相输入连接到滤波处理回路。这使得比较器输出为数字化信号。

曼彻斯特(Manchester)线路编码

本发明使用曼彻斯特编码来实现智能手机和微控制器间的通讯，音频输入输出线路上传输的数据信号采用差分曼彻斯特编码，不进行载波调制与解调，直接在音频线路上传输数据编码信号。满足串行通信的同步要求，保障数据传输的稳定性，请参阅图9。

曼彻斯特编码总会在每一位的中点产生一个边沿跳变，在每一位的开始位置也可能会有一个边沿跳变（这决定于传输的数据）。在每一位中点的跳变方向表明数据。在位传输的边沿所产生的跳变并不表明数据信息。它们的存在只是让信号处于正确的状态以便允许每一位中点的跳变。存在有保证的跳变允许信号能自同步，并且允许接收者能正确地匹配数据；如果数据不匹配，接收者能通过识别每一位中点，即在每一位的周期里不会一直有一个跳变。

曼彻斯特编码的主要特点：

每一位数据的传输时间都是固定的（周期性）。

“0”由低至高的跳变表示，“1”由高至低的跳变表示 。

在每个周期的中点的跳变意味着数据 0或 1的产生。

在每个周期的起始点的跳变不表示数据。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (4)

1.一种智能手机音频供电和传输数据的ZigBee基站及其工作方法，其特征在于，第一、该方法是通过智能手机的音频插头创建数据和电源的物理连接；第二、电源采集电路可从智能手机的右音频通道获取电能，并升压至3.3V，为电路板和附属元件供电；第三、微控制器启用左音频通道进行数据传输，用于处理曼彻斯特（Manchester）解码/编码以及与外围设备通信；第四、智能手机内部的APP应用程序实现ZigBee设备控制和数据显示功能；第五、ZigBee读写模块可读取标准ZigBee节点、标签的电子信息；第六、内嵌标准ZigBee协议的标签、传感器或节点。

2.根据权利要求1所述的智能手机音频供电和传输数据的ZigBee基站及其工作方法，其特征在于，通过音频插孔传递控制指令与读取到的ZigBee信息，所述的微控制器的通信接口与ZigBee芯片连接的通信协议为 SPI、I2C或为UART接口。

3.根据权利要求1所述的智能手机音频供电和传输数据的ZigBee基站及其工作方法，其特征在于，通过音频插孔供电并升压至3.3V。

4.根据权利要求1所述的智能手机音频供电和传输数据的ZigBee基站及其工作方法，其特征在于，不进行载波调制与解调，直接在音频线路上传输数据编码信号。