趙正偉 黃聰瑤 王紀元

【摘 要】為了免去開關安裝時重新布線的步驟，減少安裝材料的浪費及對環(huán)境的污染，文章對傳統(tǒng)開關模式進行改造，設計了一種無線自發(fā)電照明燈開關。該裝置是由自發(fā)電模塊和無線模塊組成的一種無線自發(fā)電照明燈開關，自發(fā)電模塊主要通過驅(qū)動電磁感應裝置把機械能轉(zhuǎn)化為電能，將微小的電量供給發(fā)射器，實現(xiàn)自發(fā)電;無線模塊的發(fā)射端與接收端之間通過無線連接控制的方式實現(xiàn)開關燈操作。此裝置不需要布線、節(jié)省電池、綠色環(huán)保，而且智能遙控、安全性好、科技前衛(wèi)，可廣泛應用于家居、辦公、酒店等各種照明場所的升級改造。

【關鍵詞】自發(fā)電;無線開關;照明燈

【中圖分類號】TU855 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2022）03-0058-03

0 引言

目前，市面上常見的開關有以下幾種：①傳統(tǒng)機械開關，由于內(nèi)部直接與室內(nèi)交流電接觸，會有漏電甚至觸電的可能。②觸摸開關，用繼電器控制交流電接通和斷開，與人接觸的是弱電，解決了漏電風險，但是存在被固定的不便性，在居家裝修、改造等情況下也造成一定的不便。③無線開關：主要使用無線發(fā)射器和無線接收器，無線接收器收到信號后控制電燈開關，發(fā)射器用鋰電池供電。無線開關的使用位置可以隨意變動，但反射器的電池電量耗盡時要更換，否則發(fā)射器無法工作，并且鋰電池受潮濕天氣的影響，會出現(xiàn)電池腐爛的情況，進而損壞發(fā)射器，同時會造成環(huán)境污染和資源浪費;未能進行軟硬件結(jié)合使用，操作方式單一。各類開關的性能參數(shù)對比情況見表1。

無線自發(fā)電照明燈開關是基于無線開關的一種改進，它可通過自發(fā)電的形式給無線模塊相應部件提供電源，使之能夠?qū)崿F(xiàn)開關的操作，避免使用鋰電池等，降低了觸電的可能性。然后經(jīng)發(fā)射端和接收端，通過無線連接控制照明燈的開關，而且該裝置的安裝無須開槽布線，省去了安裝傳統(tǒng)開關的部分步驟，便于對現(xiàn)有家裝環(huán)境進行升級改造，無線控制也給人們帶來便捷且時尚的生活體驗。

1 系統(tǒng)功能結(jié)構

新型無線自發(fā)電照明燈開關系統(tǒng)主要使用自發(fā)電模塊和無線通信模塊實現(xiàn)對家用照明燈的控制與操作，整個系統(tǒng)由自發(fā)電裝置、無線接收器、發(fā)射器、開關裝置和燈泡等組成。主要實現(xiàn)以下功能：接收端與發(fā)射端通過無線連接，發(fā)射端通過自發(fā)電模塊驅(qū)動無線發(fā)射器，實現(xiàn)觸發(fā)遙控;接收端使用無線接收器接收信號，通過開關控制電路控制照明燈工作。該系統(tǒng)的主要功能結(jié)構可從以下3個方面進行描述。

1.1 自發(fā)電模塊結(jié)構

自發(fā)電模塊的實現(xiàn)是通過手按開關的動作驅(qū)動電磁感應裝置（閉合的導線切割磁感線的過程）產(chǎn)生電能。由于按壓開關的能量較小，因此產(chǎn)生的能量也較小，但足以驅(qū)動開關[1]。在發(fā)電模塊中，通過機器臂推動磁鐵經(jīng)過線圈，使線圈產(chǎn)生一定量的電能，這些電能用于啟動無線發(fā)射器，實現(xiàn)一次性觸發(fā)遙控。當手按下開關按板的一側(cè)時，按板與磁鐵組聯(lián)動，磁鐵組與鐵芯的相對位置發(fā)生了改變，穿過鐵芯的磁場的極性發(fā)生了反轉(zhuǎn)突變，從而在線圈中產(chǎn)生了感生電流，感生電流經(jīng)過整形后給無線電發(fā)射器電路供電，發(fā)出帶無線電命令的信號，接收端即可收到命令信號，隨之驅(qū)動繼電器閉合，使帶有接收器的照明燈工作。

1.2 無線模塊結(jié)構

無線模塊主要使用無線發(fā)射器和無線接收器連接，無線接收器收到信號后控制電燈開關，發(fā)射器用自發(fā)電模塊產(chǎn)生電流，使用位置可以根據(jù)需要隨意變動。當前，市面上的無線協(xié)議很多，有ZIGBEE、Wi-Fi和藍牙等，無論是利用上述哪種協(xié)議，都能夠?qū)崿F(xiàn)無線開關的無線控制功能[2]。無線連接的實現(xiàn)還采用了以下3種技術：①百萬組無重碼識別技術。該技術可以確保相互不干擾，在同一城市無重碼現(xiàn)象，從而有效避免了非自家遙控器控制自家照明燈的情況發(fā)生。②智能學習對碼技術。一般遙控開關與電器是一對一關聯(lián)的，不可隨意改變，采用智能學習對碼識別技術后，電器與遙控器之間能夠通過參數(shù)配置，摒棄電器與遙控器無法分離的困擾，靈活地配置遙控器，達到控制燈光的目的[3]。③無線射頻技術。該技術是一種自動識別技術，主要由電子標簽、衛(wèi)星天線和閱讀器等組成，屬于近距離的無線通信技術，通過點對點的無線射頻，實現(xiàn)對照明燈的控制[4]。該技術電能消耗小，自發(fā)電模塊的發(fā)電量就能滿足其需求。

1.3 無線自發(fā)電照明開關結(jié)構

無線自發(fā)電照明開關具有無線發(fā)射模塊低功耗、受區(qū)域限制小的特點，所以適用范圍廣泛。通過巧妙利用按鍵的動作通過驅(qū)動電磁感應裝置把機械能轉(zhuǎn)化為電能，將微小的電量供給發(fā)射器，實現(xiàn)自發(fā)電，從而完成照明燈的開關動作且降低了生活觸電的發(fā)生率。操作簡單、開關使用靈活的特點可以擴大適用人群的范圍。該開關在組成結(jié)構中的發(fā)射端和接收端采用無線連接，安裝時不需要開槽布線，適應現(xiàn)代生活需求。適用人群廣泛，使用方式便捷，設計結(jié)構小巧，能夠滿足簡單便捷的科技生活的需求。

2 裝置設計

無線自發(fā)電開關主要包括對發(fā)射端和接收端的設計。發(fā)射端中包含發(fā)電模塊和RCM1A無線發(fā)射器A1，接收端包含RCM1B無線接收器A2、雙向晶閘管VTH作為電源開關與十進制計數(shù)器CD4017開關控制電路。在發(fā)射端處實現(xiàn)自發(fā)電及信號的發(fā)出，接收端處實現(xiàn)信號的接受及執(zhí)行。

RCM1A無線發(fā)射器如圖1所示，它的工作電壓為3 V，工作電流為0.6 mA，工作頻率為250 MHz。其內(nèi)部集成了低頻振蕩器、調(diào)制器、超高頻振蕩器和發(fā)射天線，待發(fā)電模塊為其供電之后，RCM1A就會向周圍空間發(fā)射出高頻無線電磁波。

無線接收器使用RCM1B，接收器電路圖如圖2所示。當沒有收到信號時，輸出端2輸出低電平。接收器RCM1B接收到發(fā)射器RCM1A發(fā)來的遙控信號后，通過電路內(nèi)部放大和信號處理后，由2腳輸出高電平。這一高電平通過VD1加至十進制計數(shù)器CD4017的CP端作為電燈的開關控制信號。十進制計數(shù)器CD4017的10個輸出端與控制端采取間接連接的方式，即將Q1、Q3、Q5、Q7、Q9連接到控制輸出端，將Q2、Q4、Q6、Q8空置。當收到一個遙控信號時，它的輸出端就前移一位，當移動至Q1、Q3、Q5、Q7、Q9時，電燈被打開。當移到Q2、Q4、Q6、Q8時，電燈熄滅[5]。無線遙控有效距離為815 m，接收電路的工作電壓為4.5 V，工作電流為0.7 mA。3F33F563-42DE-44D1-87D4-24C3C56777AC

發(fā)電模塊的基本工作原理是通過利用法拉第感應定律進行自發(fā)電，即通過磁通量的變化產(chǎn)生感應電動勢，而閉合電路中的一部分導體在磁場中做切割磁感線的運動時，在導體中產(chǎn)生電流[6]。當穿過閉合導體回路的磁通量發(fā)生變化時，回路中產(chǎn)生感應電流，感應電動勢與穿過回路的磁通量對時間的變化率的負值成正比，在國際單位制（SI）中，其數(shù)學公式如下：

ξ=-■（1）

公式（1）中，負號反映感應電動勢的方向與磁通量變化的關系[6]。

事實上，對于法拉第感應定律所產(chǎn)生的電動勢原因可分成兩種：第一種是磁場不變，而回路或其中的一部分在磁場里有相對的磁場運動，通過這種形式所產(chǎn)生的感應電動勢稱為動生電動勢;第二種是回路不動，磁場隨著時間的變化而產(chǎn)生感應電動勢，稱之為感生電動勢。在設計研發(fā)無線自發(fā)電照明燈開關裝置時，研究人員更傾向于采用動生電動勢。

發(fā)電裝置模塊主要組成部分包括磁感線圈、鐵芯和永磁體，磁感線圈纏繞在鐵芯上，永磁體位于鐵芯的右側(cè)，永磁體的上下兩端分別連接磁軛A和磁軛B，磁軛A上連接彈簧A，磁軛B上連接彈簧B，彈簧B的另一端連接機械臂。通過機器臂推動磁鐵經(jīng)過線圈，進行切割磁感線運動，使線圈產(chǎn)生一定量的電能，這些電能用于啟動無線發(fā)射器，實現(xiàn)一次性觸發(fā)遙控。發(fā)電模塊的組成如圖3所示。

無線自發(fā)電照明燈開關由外殼、按板、微發(fā)電機、無線電信號發(fā)射器、信號接收器等器件構成。無線自發(fā)電照明燈開關是歸屬為一種使用手按壓開關面板時，它所產(chǎn)生的短暫機械動能轉(zhuǎn)換成電能，然后利用無線射頻和百萬組無重碼識別等技術，實現(xiàn)無線電命令信號驅(qū)動用電設備（例如照明燈）打開或者關閉的一種具備自發(fā)電功能的蹺板式智能遙控開關。

整體開關裝置的實現(xiàn)主要由發(fā)射端和接收端組成，發(fā)射端和接收端之間進行無線連接。整個照明過程的實現(xiàn)主要由無線自發(fā)電開關、接收器、照明燈組成，整體體積較小，屬于輕便型無線開關。無線自發(fā)電開關主要包括無線開關模塊和發(fā)電模塊兩大模塊，無線開關模塊用于無線電發(fā)射器與接收器之間的信息交流，而發(fā)電模塊是以自發(fā)電的形式向開關提供電流。當按下開關時會啟動自發(fā)電模塊，自發(fā)電模塊產(chǎn)生電流使無線電發(fā)射器啟動，將信號送出，接收端收到信號后將會驅(qū)動繼電器閉合，照明燈即可點亮;再次進行該操作，照明燈就會熄滅。

3 結(jié)束語

無線自發(fā)電照明開關裝置建立在原有的無線開關基礎之上，有效地解決了漏觸電風險、開關便利性不足問題。其中，自發(fā)電模塊的設計省去了電池的使用，傳統(tǒng)控制器更換電池的過程完全可以省去;無線模式的使用能大幅度提升人們控制照明燈開關的便捷度，不需要布線，也不需要到達固定地點控制開關，只需要在一定范圍內(nèi)便可正常操控。相比傳統(tǒng)機械開關、觸摸開關和無線開關，無線自發(fā)電照明燈開關在安全性與便捷度方面都有大的提升和改進，有效地解決了漏觸電風險和便利性不足的問題。因此，該開關裝置不但操作簡單、綠色環(huán)保，而且可以極大地提高生活用電的安全性，大大便利人們的生活。

隨著人工智能物聯(lián)網(wǎng)相關技術的發(fā)展和進步，用戶和市場的要求在不斷變化中，對智能開關系統(tǒng)的要求也越來越高。因此，對于無線自發(fā)電照明燈開關系統(tǒng)的改進升級，應結(jié)合新技術，及時了解用戶市場的需求，以降低產(chǎn)品成本、便利消費者、科技時尚和綠色環(huán)保等為目標，為廣大消費者智慧生活提供普惠、便捷和安全的產(chǎn)品，創(chuàng)造更大的社會效益和經(jīng)濟效益。

參 考 文 獻

[1]朱銳.新型智能家居無線開關的設計[J].科學技術創(chuàng)新，2021（2）：193-194.

[2]電子發(fā)燒友.無線遙控開關電路圖大全（六款電路圖介紹）[EB/OL].[2021-11-22].https：//www.elecfans.com/

article/88/131/198/2018/20180129625730.html.

[3]趙近芳，王登龍.大學物理學（下）[M].第5版.北京：北京郵電大學出版社，2017：86-89.

[4]甘能.無線射頻技術在智能家居中的應用實踐[J].自動化應用，2015（6）：21-23.

[5]豆丁網(wǎng).無線遙控照明開關[EB/OL].[2020-10-20].

https：//www.docin.com/p-26974915.html.

[6]高秋紅，張哲，劉立冬，等.旋轉(zhuǎn)放電裝置的實現(xiàn)與實際應用[J].電子世界，2014（10）：158-159.3F33F563-42DE-44D1-87D4-24C3C56777AC