張小環(huán)，王 猛，郝凱學(xué)，劉書言

（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)地下信息探測(cè)技術(shù)與儀器教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083）

低成本無(wú)源無(wú)線發(fā)射和接收開關(guān)研制

張小環(huán)，王 猛，郝凱學(xué)，劉書言

（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)地下信息探測(cè)技術(shù)與儀器教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083）

主要論述了低成本無(wú)源無(wú)線開關(guān)的基本工作原理及其市場(chǎng)前景。手動(dòng)按下無(wú)源無(wú)線遙控開關(guān)鍵后，按鍵的機(jī)械能由微小型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能，供電給發(fā)射模塊的PT2262芯片產(chǎn)生帶有編碼信號(hào)的電磁波信號(hào)。與電器連接在一起的接收模塊接收到帶有相對(duì)應(yīng)的編碼信號(hào)的電磁波信號(hào)，由其配對(duì)解碼芯片PT2272破解并產(chǎn)生邏輯電平，驅(qū)動(dòng)繼電器工作，間接地控制家用電器的開關(guān)。無(wú)源無(wú)線開關(guān)的研發(fā)很好地體現(xiàn)了21世紀(jì)綠色新能源的特點(diǎn)，其制造的成本不高，勢(shì)必能普及大多數(shù)家庭。

無(wú)源無(wú)線遙控開關(guān)；接收模塊；發(fā)送模塊；環(huán)保；低成本

隨著科學(xué)技術(shù)和我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)人工智能電器的需求日趨增長(zhǎng)。傳統(tǒng)的電器連線開關(guān)，不僅靈活性低、使用不方便，而且還影響著房屋的美觀和安全，人們亟需一種全新的智能開關(guān)。而無(wú)源無(wú)線遙控開關(guān)因其美觀環(huán)保、靈活性高等一系列優(yōu)點(diǎn)越來(lái)越受到使用者的青睞。無(wú)源無(wú)線遙控開關(guān)無(wú)需外界電源供電便可以發(fā)射信號(hào)，在一定的范圍內(nèi)，對(duì)各種電器進(jìn)行調(diào)控。而且，無(wú)源無(wú)線遙控開關(guān)不需要與電器進(jìn)行有線連接，給室內(nèi)家居設(shè)計(jì)帶來(lái)了極大便利。應(yīng)用新技術(shù)，研制低成本、高靈活性和綠色環(huán)保的無(wú)源無(wú)線遙控開關(guān)，對(duì)于促進(jìn)我國(guó)的現(xiàn)代化具有重要的意義，因此研制無(wú)源無(wú)線遙控開關(guān)勢(shì)在必行。

1 無(wú)源無(wú)線開關(guān)的基本原理

無(wú)源無(wú)線遙控開關(guān)由發(fā)射模塊、接收模塊和外接電路3大部分組成。無(wú)源無(wú)線開關(guān)運(yùn)用了通信原理中的無(wú)線通信技術(shù)，利用空氣中的媒介電磁波對(duì)電器進(jìn)行控制［1］。圖1為無(wú)源無(wú)線開關(guān)發(fā)射部分的主要設(shè)計(jì)框圖，圖2為無(wú)源無(wú)線開關(guān)接收部分的主要設(shè)計(jì)框圖。

圖1 無(wú)源無(wú)線開關(guān)發(fā)射部分的主要設(shè)計(jì)框圖

圖2 無(wú)源無(wú)線開關(guān)接收部分的主要設(shè)計(jì)框圖

手動(dòng)按下無(wú)源無(wú)線遙控開關(guān)按鍵后，經(jīng)過(guò)一系列的機(jī)械裝置的轉(zhuǎn)換，觸發(fā)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能，按鍵的機(jī)械能由微小型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能，為發(fā)射模塊的編碼電路和發(fā)射電路供電。編碼電路的PT2262產(chǎn)生帶有地址碼和開關(guān)狀態(tài)數(shù)據(jù)碼的信號(hào)，并通過(guò)發(fā)射電路發(fā)射信號(hào)。接收模塊由高頻接收電路、解調(diào)電路和觸發(fā)電路組成。由于信號(hào)經(jīng)過(guò)高頻部分的放大和選擇，所以要將接收到的信號(hào)編碼通過(guò)解碼電路的PT2272進(jìn)行編碼地址確認(rèn)，將所需要的電信號(hào)分離出來(lái)，從而確認(rèn)是不是有用的開關(guān)地址信號(hào)。如果接收到的是有用的編碼信號(hào)，則解碼電路的PT2272輸出端產(chǎn)生相應(yīng)的高低電平信號(hào)給觸發(fā)電路，觸發(fā)電路狀態(tài)改變并保持改變后的狀態(tài)（即由高電平變?yōu)榈碗娖交蛴傻碗娖阶優(yōu)楦唠娖剑?，觸發(fā)電路產(chǎn)生有效的信號(hào)控制繼電器接通，用電器開始工作；如果接收到的不是有用的編碼信號(hào)，則解碼電路不能解碼產(chǎn)生有效的信號(hào)，繼電器不工作，電路中的用電器工作狀態(tài)不變［1－6］。

2 PT2262與PT2272的編碼配對(duì)原理

編碼芯片PT2262的編碼信號(hào)是由地址碼、數(shù)據(jù)碼、同步碼組成的一個(gè)完整碼字，該碼字從17腳輸出到射頻發(fā)射模塊的數(shù)據(jù)輸入端并發(fā)射出去。射頻接收模塊接收碼字后送到解碼芯片PT2272，其地址碼經(jīng)過(guò)3次比較核對(duì)無(wú)誤后，VT腳輸出高電平，與此同時(shí)PT2262中相應(yīng)的數(shù)據(jù)腳也輸出高電平。如果PT2262連續(xù)發(fā)送編碼信號(hào)，PT2272第17腳和相應(yīng)的數(shù)據(jù)腳便連續(xù)輸出高電平。PT2262停止發(fā)送編碼信號(hào)，PT2272的VT端便恢復(fù)為低電平狀態(tài)。為了保證在PT2262發(fā)送信號(hào)后，PT2272能持續(xù)地輸出高電平，接收模塊還需要在編碼芯片PT2272后接上雙D觸發(fā)器CD4013，PT2272的VT端輸出邏輯電平給CD4013的D端，相應(yīng)地CD4013的Q端翻轉(zhuǎn)原來(lái)的狀態(tài)，由原來(lái)的高電平變?yōu)榈碗娖交蚴怯稍瓉?lái)的低電平變?yōu)楦唠娖?，由此控制繼電器的通端來(lái)控制電燈。這樣無(wú)源無(wú)線開關(guān)按下開關(guān)鍵，便可間接地控制電燈的點(diǎn)亮或是熄滅［2－5］。

2．1 地址碼的設(shè)定和修改

在通常使用中，一般采用8位地址碼和4位數(shù)據(jù)碼，這時(shí)編碼電路PT2262和解碼PT2272的第1～8腳為地址設(shè)定腳，有3種狀態(tài)可供選擇：懸空、接正電源、接地3種狀態(tài)，對(duì)應(yīng)的狀態(tài)符號(hào)分別為x（懸空）、1（正電源）、0（地）；只有發(fā)射端PT2262和接收端PT2272的地址編碼完全相同才能配對(duì)使用，例如將發(fā)射端的PT2262的第2腳接地、第3腳接正電源，其他引腳懸空，地址編碼為x01xxxxx；那么接收機(jī)的PT2272只要第2腳接地、第3腳接正電源，其他引腳為懸空，其相對(duì)應(yīng)的地址編碼為x01xxxxx，這樣就能實(shí)現(xiàn)配對(duì)接收。當(dāng)兩者地址編碼完全一致時(shí)，接收機(jī)對(duì)應(yīng)的D1—D4端輸出約4V互鎖高電平控制信號(hào)，同時(shí)VT端也輸出解碼有效高電平信號(hào)。用戶可將這些信號(hào)加一級(jí)三極管放大，便可驅(qū)動(dòng)繼電器等負(fù)載進(jìn)行遙控操縱。設(shè)置地址碼的原則是：同一個(gè)系統(tǒng)的地址碼必須一致；不同的系統(tǒng)可以依靠不同的地址碼加以區(qū)分［5－12］。

2．2 電阻晶振匹配

PT2262和PT2272除地址編碼必須完全一致外，振蕩電阻還必須匹配，否則接收距離會(huì)變近甚至無(wú)法接收。在具體的應(yīng)用中，外接振蕩電阻可根據(jù)需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)，阻值越大振蕩頻率越低，編碼的寬度越大，發(fā)碼一幀的時(shí)間越長(zhǎng)［9－12］。表1為PT2262和PT2272匹配的振蕩電阻對(duì)。

表1 PT2262和PT2272匹配的振蕩電阻

無(wú)源無(wú)線開關(guān)另一個(gè)核心部件就是采用5V高頻超再生接收模塊和發(fā)送模塊，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的發(fā)送和接收功能。超再生接收模塊采用的是LC振蕩電路，內(nèi)含放大整形輸出的數(shù)據(jù)信號(hào)為TTL電平。超再生接收模塊可直接接至解碼器PT2272，使用極為方便，并且價(jià)格低廉，所以被廣泛使用。超再生接收模塊和發(fā)送模塊體積小，靈敏度高，頻點(diǎn)調(diào)試容易，目前是無(wú)線遙控市場(chǎng)用量最大最廣的一種高頻接收模塊［1］。圖3為接收模塊發(fā)送模塊實(shí)物圖。

圖3 接收模塊（左）和發(fā)送模塊（右）

3 無(wú)源無(wú)線開關(guān)的無(wú)源性

無(wú)源無(wú)線開關(guān)另外一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)就是無(wú)需提供持續(xù)的能量來(lái)源。不用像傳統(tǒng)電源開關(guān)，需要連接電源線，也不像電視機(jī)的遙控器或手機(jī)，安裝充電電池或干電池，也不像光能計(jì)算器一樣需要內(nèi)置太陽(yáng)能電池采集供電。

無(wú)源無(wú)線開關(guān)內(nèi)置有能量轉(zhuǎn)換裝置，即發(fā)電機(jī)，將手指按下按鍵的能量，經(jīng)過(guò)一定的機(jī)械轉(zhuǎn)換后轉(zhuǎn)換為電能，便可滿足開關(guān)的發(fā)射電路所需的電能。這樣就無(wú)需另外購(gòu)置電池，大大地節(jié)約了成本，也防止了廢棄電池對(duì)環(huán)境的污染。

4 無(wú)源無(wú)線開關(guān)的低成本

目前無(wú)線開關(guān)的生產(chǎn)和研究工作的大多數(shù)是國(guó)際知名廠商如西門子和阿?，m等，這些廠商均同時(shí)具備很好的生產(chǎn)和開發(fā)無(wú)線開關(guān)設(shè)備的能力。國(guó)內(nèi)廠商如西開、平高和沈高等也正積極開展對(duì)無(wú)線遙控的研究，主要成果有西開、平高等研制出的智能化GIS樣機(jī)。但是，如今市場(chǎng)上的無(wú)線遙控開關(guān)的價(jià)格一般都比較貴，只是適用于部分高消費(fèi)人群，還不利于推廣普及大眾家庭。例如英泰力電子所研發(fā)的 “e．可”智能照明產(chǎn)品，該產(chǎn)品由各智能模塊和傳感器組成，以最先進(jìn)的無(wú)源無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為核心，無(wú)需挖槽布線，無(wú)論是新建的房屋還是舊房屋的改造，都可通過(guò)無(wú)源無(wú)線開關(guān)、紅外探測(cè)器、智能移動(dòng)產(chǎn)品（iPhone、iPad、安卓手機(jī)、平板電腦、筆記本電腦等），以多種方式隨心所欲地控制燈具、電視機(jī)等多種家用電器。

“e．可”智能照明產(chǎn)品功能極其強(qiáng)大，甚至可以調(diào)節(jié)電燈的亮度，極其便利于人們的生活。然而，價(jià)格昂貴的“e．可”智能照明產(chǎn)品更適用于高質(zhì)量生活水平的高消費(fèi)人群，并不適用于生活水平一般的大眾家庭。

普通大眾家庭的基本需求僅僅是產(chǎn)品能及時(shí)控制家用電器與電源的通斷，其次就是其價(jià)格便宜。無(wú)源無(wú)線開關(guān)裝置大約只需18．8元，一旦購(gòu)置整套無(wú)源無(wú)線開關(guān)裝置后便無(wú)需后續(xù)另外購(gòu)置電池費(fèi)用。發(fā)射電路所需要的持續(xù)電源由按鍵按下產(chǎn)生的機(jī)械能提供，這與傳統(tǒng)開關(guān)或是電池遙控器相比，更加節(jié)能、環(huán)保、省錢。無(wú)源無(wú)線開關(guān)意味著用戶無(wú)需再后續(xù)花錢購(gòu)置電池，成本大大地降低。表2為無(wú)源無(wú)線開關(guān)的批量化生產(chǎn)后每一套裝置的成本，表3為市場(chǎng)上現(xiàn)有的無(wú)線遙控開關(guān)的成本。相對(duì)比之下，無(wú)源無(wú)線開關(guān)更具有價(jià)格實(shí)惠，更符合綠色環(huán)保等絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。因此，無(wú)源無(wú)線開關(guān)勢(shì)必能推廣普及家居照明市場(chǎng)。

表2 無(wú)源無(wú)線開關(guān)成本

表3 無(wú)線遙控開關(guān)成本

經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，無(wú)源無(wú)線開關(guān)的穩(wěn)定性達(dá)95%。開關(guān)的按鍵與發(fā)電機(jī)之間的機(jī)械接觸問(wèn)題是造成無(wú)源無(wú)線開關(guān)失誤的最大問(wèn)題之一，其次，按鍵按下所產(chǎn)生的機(jī)械能產(chǎn)生的電壓達(dá)不到發(fā)射模塊所需要的供電電壓，就無(wú)法發(fā)送信號(hào)啟動(dòng)繼電器工作，這也是造成無(wú)源無(wú)線開關(guān)的穩(wěn)定性差的主要問(wèn)題。此外，該無(wú)源無(wú)線開關(guān)根據(jù)用電器各方面性能的不同而選擇不同的繼電器，使得無(wú)源無(wú)線開關(guān)的接收模塊消耗最低的功率。

5 結(jié)束語(yǔ)

無(wú)源無(wú)線開關(guān)裝置的研發(fā)很好地符合了21世紀(jì)新能源環(huán)保、節(jié)能、可持續(xù)發(fā)展的特點(diǎn)。無(wú)源無(wú)線開關(guān)除了能實(shí)現(xiàn)用戶的基本需求外，還具有生產(chǎn)成本低、使用便利、外形美觀等優(yōu)勢(shì)。在一定的程度上，無(wú)源無(wú)線開關(guān)裝置的普及能減少?gòu)U棄電池對(duì)環(huán)境的影響。

（References）

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［3］譚浩強(qiáng)．C程序設(shè)計(jì)［M］．北京：清華大學(xué)出版社，2010．

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Research and development of low cost passive wireless transmitting and receiving switch

Zhang Xiaohuan，Wang Meng，Hao Kaixue，Liu Shuyan
（Key Laboratory of Geoctelection，Ministry of Education，China University of Geosciences，Beijing 100083，China）

The article mainly discusses the basic principle of low cost passive wireless transmitting and receiving switch and the realization of how the switch to be popular．After pressing the button of wireless transmitting and receiving switch，the equipment will transform the mechanical energy into electrical energy by the microscopic generator．The electrical energy will supply power to the transmitting module of the PT2262chip which can generate electromagnetic wave with encoded signal．The receiving module which connects with the household appliances receives the electromagnetic wave signals corresponding to the encoded signals，then，the paired decoding chip PT2272cracks the electromagnetic wave with the encoded signals and produces the logic level to drive the electric relay to work．Finally，the passive wireless transmitting and receiving switch can control the household appliances on or off indirectly．The research and development of passive wireless switch reflects the characteristics of new green energy in twenty－first Century commendably．Because of the low manufacturing cost，the passive wireless switch will be popular with the most families．

passive wireless remote control switch；receiving module；transmitting module；environmental protection；low cost

TP872

A

1002－4956（2015）3－0110－03

2014－06－30 修改日期：2014－12－19

北京市2013年大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目B類“教學(xué)實(shí)驗(yàn)室開放基金”

張小環(huán)（1992—），女，廣東云浮，學(xué)士，實(shí)驗(yàn)師，主要從事地球物理儀器科研工作

E－mail：601500353＠qq．com

王猛（1984—）男，河南許昌，博士，講師，主要從事地球物理儀器科研與教學(xué)．

E－mail：wangmeng＠cugb．edu．cn