黃俊楊

摘 要 無(wú)源無(wú)線(xiàn)門(mén)鈴技術(shù)主要涉及兩個(gè)方面，一方面是無(wú)源自發(fā)電模組，另一方面是低功耗無(wú)線(xiàn)傳輸，本文針對(duì)門(mén)鈴產(chǎn)品進(jìn)行探討，綜述了傳統(tǒng)門(mén)鈴產(chǎn)品的發(fā)展以及缺陷，從這兩個(gè)大方向介紹了無(wú)源無(wú)線(xiàn)門(mén)鈴產(chǎn)品的設(shè)計(jì)以及優(yōu)勢(shì)。

【關(guān)鍵詞】無(wú)源技術(shù) 自發(fā)電 低功耗 無(wú)線(xiàn)傳輸 門(mén)鈴

1 引言

門(mén)鈴發(fā)展具有悠久的歷史，從古代便以門(mén)環(huán)的形式開(kāi)始出現(xiàn)，隨后演化成鈴鐺，隨著科技的進(jìn)步發(fā)展成電子門(mén)鈴，隨后更加出現(xiàn)了無(wú)線(xiàn)門(mén)鈴，無(wú)線(xiàn)門(mén)鈴又稱(chēng)無(wú)線(xiàn)遙控門(mén)鈴或遙控門(mén)鈴，然而無(wú)線(xiàn)門(mén)鈴觸發(fā)端需要定時(shí)更換電池，而無(wú)源無(wú)線(xiàn)門(mén)鈴即指不用電池的無(wú)線(xiàn)門(mén)鈴，指采用能量捕獲技術(shù)的來(lái)驅(qū)動(dòng)的無(wú)線(xiàn)門(mén)鈴，該種無(wú)線(xiàn)門(mén)鈴的發(fā)射器完全不需要電池，是依靠手按門(mén)鈴按鈕的能量轉(zhuǎn)換為電能，驅(qū)動(dòng)無(wú)線(xiàn)發(fā)射電路，實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)門(mén)鈴的功能。目前世界上第一款無(wú)源無(wú)線(xiàn)門(mén)鈴由AuGreener公司推出，并于2012年9月上市。

2 門(mén)鈴的發(fā)展歷史

門(mén)鈴，是客至的一種信息傳遞工具。串門(mén)先打鈴，主人迎上來(lái)，這是我國(guó)古代早已形成的一種文明行為。

根據(jù)《江南余載》的記述，五代時(shí)期的陳致光是我國(guó)第一個(gè)使用門(mén)鈴的人。他在家中懸掛一個(gè)大鈴鐺，與繩系之，挽于門(mén)外，并貼告示曰：“無(wú)錢(qián)雇仆，客至，請(qǐng)挽之”。隨后有不少人仿效，視作雅致之舉，這就是門(mén)鈴的起源，一直沿用到宋代。

在近代，隨著科技的發(fā)展，門(mén)鈴不再是靠物理撞擊產(chǎn)生聲響，而是通過(guò)電信號(hào)傳給蜂鳴器或者揚(yáng)聲器產(chǎn)生聲響示人，稱(chēng)之為電子門(mén)鈴。初期的電子門(mén)鈴靠電池供電，發(fā)聲端和觸發(fā)端（按鍵）通過(guò)有線(xiàn)連接，分別安裝在大門(mén)內(nèi)側(cè)和大門(mén)外側(cè)，使得聲音只能從大門(mén)開(kāi)始傳播，并不能傳遍屋內(nèi)每個(gè)角落，于是便出現(xiàn)了無(wú)線(xiàn)門(mén)鈴。

無(wú)線(xiàn)門(mén)鈴，觸發(fā)端依然安裝在大門(mén)外側(cè)，依靠電池供電，但發(fā)聲端卻可以在屋內(nèi)任意地方布點(diǎn)，通過(guò)220V交流電供電，觸發(fā)端以及發(fā)聲端兩者之間通過(guò)無(wú)線(xiàn)信號(hào)進(jìn)行傳輸。這樣的無(wú)線(xiàn)門(mén)鈴除了避免的安裝上布線(xiàn)的麻煩，而且還能更好地將聲音傳遍屋內(nèi)每個(gè)角落，而且不需要考慮發(fā)聲端電源能耗等問(wèn)題，續(xù)航時(shí)間也大大增長(zhǎng)，發(fā)出的聲音也越發(fā)豐富，從原來(lái)簡(jiǎn)單的“叮咚“發(fā)展到了各式各樣的音樂(lè)甚至語(yǔ)音。

而本文研究的無(wú)源無(wú)線(xiàn)電子門(mén)鈴更是在無(wú)線(xiàn)電子門(mén)鈴的基礎(chǔ)上，從環(huán)保的角度出發(fā)，摒棄觸發(fā)端上的電池，采用自發(fā)電模組，將來(lái)訪(fǎng)者按動(dòng)門(mén)鈴開(kāi)關(guān)的動(dòng)能轉(zhuǎn)發(fā)成電能，為觸發(fā)端無(wú)線(xiàn)信號(hào)傳輸提供能量，發(fā)聲端接收到此無(wú)線(xiàn)信號(hào)便發(fā)出聲響，從而實(shí)現(xiàn)傳輸交互的過(guò)程。

3 無(wú)源自發(fā)電技術(shù)

所謂無(wú)源自發(fā)電技術(shù)，即是在使用的過(guò)程中不依靠外部電源，通過(guò)自身產(chǎn)生電能供自身使用。

無(wú)源、自發(fā)電這些概念來(lái)自于能量收集，材料技術(shù)在其中起主導(dǎo)作用。市面上自發(fā)電的形式有多種，它們將環(huán)境中微弱的電磁、機(jī)械能、溫差、光等能量收集起來(lái)并加以利用，最為廣泛的運(yùn)用是開(kāi)關(guān)和傳感器領(lǐng)域。于是這個(gè)問(wèn)題轉(zhuǎn)移到發(fā)電原理上來(lái)了，根據(jù)能量守恒的原理，無(wú)非是把其他形式的能量轉(zhuǎn)換成電能。機(jī)械能，熱能在轉(zhuǎn)化成電能的過(guò)程中，最終都是通過(guò)發(fā)電機(jī)來(lái)完成，發(fā)電機(jī)的最終原理都是電磁感應(yīng)。

在1990年代，德國(guó)的易能森是第一家涉及這一領(lǐng)域的公司，經(jīng)過(guò)十多年的研發(fā)，推出了基于機(jī)械能、電磁、溫差等能量收集的產(chǎn)品，廣泛運(yùn)用于智能、環(huán)保建筑領(lǐng)域。微能量技術(shù)擁有十分明顯的優(yōu)勢(shì)，不用電池、電源，后期免維護(hù)，環(huán)保高效，但因?yàn)殚L(zhǎng)期的技術(shù)壟斷，產(chǎn)品的價(jià)格高昂。大概在10年前后，國(guó)內(nèi)有少數(shù)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行微弱能量技術(shù)研究，較為成熟地是將按壓的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，領(lǐng)普、博悅、易佰瓏等公司先后推出了擁有自己技術(shù)的無(wú)源無(wú)線(xiàn)開(kāi)關(guān)、門(mén)鈴產(chǎn)品，價(jià)格與中高檔普通開(kāi)關(guān)相近，價(jià)格才慢慢降了下來(lái)。

這類(lèi)產(chǎn)品用戶(hù)體驗(yàn)遠(yuǎn)高于普通開(kāi)關(guān)、門(mén)鈴，首先是省去了施工布線(xiàn)的麻煩，再者不需要電池后期免維護(hù)，目前門(mén)鈴已成為主力產(chǎn)品，正在被廣大消費(fèi)者接受，開(kāi)關(guān)市場(chǎng)卻相對(duì)冷清，市場(chǎng)接受慢熱。

在本文研究的門(mén)鈴產(chǎn)品上，使用的發(fā)電裝置則是將訪(fǎng)客按動(dòng)開(kāi)關(guān)這個(gè)動(dòng)作上所產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能，通過(guò)手按開(kāi)關(guān)的動(dòng)作去驅(qū)動(dòng)電磁感應(yīng)裝置，一種是產(chǎn)生閉合的磁場(chǎng)，另一種是切割磁感線(xiàn)，使按下開(kāi)關(guān)前后的磁通量產(chǎn)生變化，從而產(chǎn)生電能。

由于按壓開(kāi)關(guān)的能量本身比較小，所以產(chǎn)生的能量也比較小，再加上傳輸損耗，能利用的電能是有限的。自發(fā)電開(kāi)關(guān)能否通過(guò)有限的電量去驅(qū)動(dòng)控制模塊，要求其系統(tǒng)中的其他器件都是低功耗的，包括控制模塊和射頻模塊。所以接下來(lái)我們繼續(xù)深入談?wù)摽刂颇K和射頻模塊。

4 低功耗無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)

目前市面上關(guān)于無(wú)線(xiàn)的協(xié)議很多，Zigbee、Wi-Fi、藍(lán)牙、RFID還有433。無(wú)論是利用上述哪種協(xié)議，都能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)墓δ?，但是需要從握手方式、通訊距離、成本以及功耗等問(wèn)題進(jìn)行分析。

由于采用的是無(wú)源自發(fā)電模組進(jìn)行供電，電量微弱且持續(xù)時(shí)間比較短，所以定必不能使用如Wi-Fi和藍(lán)牙這種太過(guò)于復(fù)雜的握手方式。為了方便發(fā)聲端的布點(diǎn)，還要顧及發(fā)聲端以及觸發(fā)端的正常通訊，所以通訊距離定必不能太短，RFID這類(lèi)近場(chǎng)通訊協(xié)議也不太適合。Zigbee倒是符合以上要求，是一種新興起的短距離低功耗無(wú)線(xiàn)傳輸協(xié)議，旨在廣泛應(yīng)用于智能家居領(lǐng)域，但是從成本上來(lái)考慮卻還沒(méi)達(dá)到親民的價(jià)格。而433頻段通訊協(xié)議無(wú)論是在成本控制、功耗、握手方式以及通訊距離等各類(lèi)技術(shù)參數(shù)之間達(dá)到比較理性的平衡，所以在無(wú)線(xiàn)門(mén)鈴應(yīng)用上，大多選擇433頻段進(jìn)行通訊。

433MHZ是我們國(guó)家的免申請(qǐng)段發(fā)射接收頻率，可直接使用不需要管理，433頻段抗干擾強(qiáng)，并支持各種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)通訊方式，具有收發(fā)一體、安全隔離、安裝隔離、使用簡(jiǎn)單、性?xún)r(jià)比高、穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)，只要發(fā)射功率足夠大，長(zhǎng)距離傳輸也沒(méi)有問(wèn)題。

為了更深入地研究無(wú)源無(wú)線(xiàn)門(mén)鈴技術(shù)，本文從實(shí)際出發(fā)，搭建實(shí)體硬件對(duì)功耗進(jìn)行考量。由于考慮到能量的問(wèn)題，需要尋找一款低功耗的433發(fā)送芯片，德州儀器（Texas Instruments）有一款針對(duì)低功耗無(wú)線(xiàn)應(yīng)用設(shè)計(jì)的高度集成多通道射頻發(fā)送器CC1150L，配合上意法半導(dǎo)體（ST）公司的低功耗8位單片機(jī)STM8L101F3P作為主控MCU，搭建硬件部分，兩者通過(guò)SPI總線(xiàn)進(jìn)行通訊，MCU控制CC1150L的各位寄存器，對(duì)功率以及功耗作精確的控制，如下為部分代碼：

void CC1150Init（）

{

CC1150_WB（IOCFG0， 0x06）；//CC1150_WB為寫(xiě)寄存器函數(shù)

CC1150_WB（SYNC1， ID[0]）；

CC1150_WB（SYNC0， ID[1]）；

CC1150_WB（PKTCTRL0， 0x00）；

CC1150_WB（PKTLEN， 0x02）；

CC1150_WB（FREQ2， 0x10）；//433MHZ

CC1150_WB（FREQ1， 0xB0）；

CC1150_WB（FREQ0， 0x71）；

CC1150_WB（MDMCFG4， 0xC8）；//C8 10k

CC1150_WB（MDMCFG3， 0x93）；//93 10k

CC1150_WB（MDMCFG2， 0x11）；//曼徹斯特關(guān) 16SYNC

CC1150_WB（MDMCFG1， 0x02）；//前導(dǎo)數(shù)目0：2

CC1150_WB（MDMCFG0， 0xF8）；//信道空間

CC1150_WB（DEVIATN， 0x15）；//背離

CC1150_WB（MCSM1， 0x30）；

CC1150_WB（MCSM0， 0x10）；

CC1150_WB（PATABLE， 0xC8）；//功率

}

void main（）

{

_asm（"sim"）；

CLK_Init（）；

SPI_Init（）；

CC1150_PowerOn（）；

CC1150_Init（）；

while（1）

{

CC1150_SendData（0x00， ID + 2， 2）；

Delay_ms（10）；

}

}

5 總結(jié)

綜上所述，通過(guò)對(duì)無(wú)源無(wú)線(xiàn)門(mén)鈴各個(gè)技術(shù)特點(diǎn)的分析，以及經(jīng)過(guò)對(duì)硬件部分的實(shí)際構(gòu)造，通過(guò)軟件可以精確地控制好功率以及功耗的問(wèn)題，自發(fā)電模組所產(chǎn)生的電量足夠驅(qū)動(dòng)單片機(jī)以及信號(hào)發(fā)生器發(fā)送6字節(jié)數(shù)據(jù)5遍，空曠地方傳輸距離為100米左右，信號(hào)收發(fā)十分穩(wěn)定。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，無(wú)源無(wú)線(xiàn)門(mén)鈴技術(shù)已經(jīng)足夠成熟和穩(wěn)定。隨著技術(shù)的發(fā)展，創(chuàng)新成了產(chǎn)品的核心價(jià)值所在，加之人們?cè)絹?lái)越追求產(chǎn)品的智能化，越來(lái)越關(guān)注環(huán)保，所以本文研究的兩大方向：無(wú)源自發(fā)電、低功耗無(wú)線(xiàn)傳輸在往后的日子中應(yīng)該會(huì)被越發(fā)受到關(guān)注以及重視，應(yīng)該更加廣泛地應(yīng)用到更多創(chuàng)新的產(chǎn)品上來(lái)，取代一些傳統(tǒng)的但是不合理的產(chǎn)品，為人們提供更好更優(yōu)質(zhì)更環(huán)保的生活方式。

參考文獻(xiàn)

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