趙正偉 黃聰瑤 王紀(jì)元

【摘 要】為了免去開關(guān)安裝時(shí)重新布線的步驟，減少安裝材料的浪費(fèi)及對(duì)環(huán)境的污染，文章對(duì)傳統(tǒng)開關(guān)模式進(jìn)行改造，設(shè)計(jì)了一種無線自發(fā)電照明燈開關(guān)。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(guān)，自發(fā)電模塊主要通過驅(qū)動(dòng)電磁感應(yīng)裝置把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，將微小的電量供給發(fā)射器，實(shí)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(shí)現(xiàn)開關(guān)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(yīng)用于家居、辦公、酒店等各種照明場所的升級(jí)改造。

【關(guān)鍵詞】自發(fā)電;無線開關(guān);照明燈

【中圖分類號(hào)】TU855 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2022）03-0058-03

0 引言

目前，市面上常見的開關(guān)有以下幾種：①傳統(tǒng)機(jī)械開關(guān)，由于內(nèi)部直接與室內(nèi)交流電接觸，會(huì)有漏電甚至觸電的可能。②觸摸開關(guān)，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(fēng)險(xiǎn)，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(guān)：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(hào)后控制電燈開關(guān)，發(fā)射器用鋰電池供電。無線開關(guān)的使用位置可以隨意變動(dòng)，但反射器的電池電量耗盡時(shí)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(huì)出現(xiàn)電池腐爛的情況，進(jìn)而損壞發(fā)射器，同時(shí)會(huì)造成環(huán)境污染和資源浪費(fèi);未能進(jìn)行軟硬件結(jié)合使用，操作方式單一。各類開關(guān)的性能參數(shù)對(duì)比情況見表1。

無線自發(fā)電照明燈開關(guān)是基于無線開關(guān)的一種改進(jìn)，它可通過自發(fā)電的形式給無線模塊相應(yīng)部件提供電源，使之能夠?qū)崿F(xiàn)開關(guān)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(guān)，而且該裝置的安裝無須開槽布線，省去了安裝傳統(tǒng)開關(guān)的部分步驟，便于對(duì)現(xiàn)有家裝環(huán)境進(jìn)行升級(jí)改造，無線控制也給人們帶來便捷且時(shí)尚的生活體驗(yàn)。

1 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

新型無線自發(fā)電照明燈開關(guān)系統(tǒng)主要使用自發(fā)電模塊和無線通信模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)家用照明燈的控制與操作，整個(gè)系統(tǒng)由自發(fā)電裝置、無線接收器、發(fā)射器、開關(guān)裝置和燈泡等組成。主要實(shí)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(dòng)無線發(fā)射器，實(shí)現(xiàn)觸發(fā)遙控;接收端使用無線接收器接收信號(hào)，通過開關(guān)控制電路控制照明燈工作。該系統(tǒng)的主要功能結(jié)構(gòu)可從以下3個(gè)方面進(jìn)行描述。

1.1 自發(fā)電模塊結(jié)構(gòu)

自發(fā)電模塊的實(shí)現(xiàn)是通過手按開關(guān)的動(dòng)作驅(qū)動(dòng)電磁感應(yīng)裝置（閉合的導(dǎo)線切割磁感線的過程）產(chǎn)生電能。由于按壓開關(guān)的能量較小，因此產(chǎn)生的能量也較小，但足以驅(qū)動(dòng)開關(guān)[1]。在發(fā)電模塊中，通過機(jī)器臂推動(dòng)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(dòng)無線發(fā)射器，實(shí)現(xiàn)一次性觸發(fā)遙控。當(dāng)手按下開關(guān)按板的一側(cè)時(shí)，按板與磁鐵組聯(lián)動(dòng)，磁鐵組與鐵芯的相對(duì)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(hào)，接收端即可收到命令信號(hào)，隨之驅(qū)動(dòng)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(gòu)

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(hào)后控制電燈開關(guān)，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(dòng)。當(dāng)前，市面上的無線協(xié)議很多，有ZIGBEE、Wi-Fi和藍(lán)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(guān)的無線控制功能[2]。無線連接的實(shí)現(xiàn)還采用了以下3種技術(shù)：①百萬組無重碼識(shí)別技術(shù)。該技術(shù)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(xué)習(xí)對(duì)碼技術(shù)。一般遙控開關(guān)與電器是一對(duì)一關(guān)聯(lián)的，不可隨意改變，采用智能學(xué)習(xí)對(duì)碼識(shí)別技術(shù)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(dá)到控制燈光的目的[3]。③無線射頻技術(shù)。該技術(shù)是一種自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，主要由電子標(biāo)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(shù)，通過點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的無線射頻，實(shí)現(xiàn)對(duì)照明燈的控制[4]。該技術(shù)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(guān)結(jié)構(gòu)

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

2 裝置設(shè)計(jì)

無線自發(fā)電開關(guān)主要包括對(duì)發(fā)射端和接收端的設(shè)計(jì)。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(guān)與十進(jìn)制計(jì)數(shù)器CD4017開關(guān)控制電路。在發(fā)射端處實(shí)現(xiàn)自發(fā)電及信號(hào)的發(fā)出，接收端處實(shí)現(xiàn)信號(hào)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(huì)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(dāng)沒有收到信號(hào)時(shí)，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(hào)后，通過電路內(nèi)部放大和信號(hào)處理后，由2腳輸出高電平。這一高電平通過VD1加至十進(jìn)制計(jì)數(shù)器CD4017的CP端作為電燈的開關(guān)控制信號(hào)。十進(jìn)制計(jì)數(shù)器CD4017的10個(gè)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(dāng)收到一個(gè)遙控信號(hào)時(shí)，它的輸出端就前移一位，當(dāng)移動(dòng)至Q1、Q3、Q5、Q7、Q9時(shí)，電燈被打開。當(dāng)移到Q2、Q4、Q6、Q8時(shí)，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(yīng)定律進(jìn)行自發(fā)電，即通過磁通量的變化產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，而閉合電路中的一部分導(dǎo)體在磁場中做切割磁感線的運(yùn)動(dòng)時(shí)，在導(dǎo)體中產(chǎn)生電流[6]。當(dāng)穿過閉合導(dǎo)體回路的磁通量發(fā)生變化時(shí)，回路中產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與穿過回路的磁通量對(duì)時(shí)間的變化率的負(fù)值成正比，在國際單位制（SI）中，其數(shù)學(xué)公式如下：

ξ=-■（1）

公式（1）中，負(fù)號(hào)反映感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向與磁通量變化的關(guān)系[6]。

事實(shí)上，對(duì)于法拉第感應(yīng)定律所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)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(duì)的磁場運(yùn)動(dòng)，通過這種形式所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)稱為動(dòng)生電動(dòng)勢(shì);第二種是回路不動(dòng)，磁場隨著時(shí)間的變化而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，稱之為感生電動(dòng)勢(shì)。在設(shè)計(jì)研發(fā)無線自發(fā)電照明燈開關(guān)裝置時(shí)，研究人員更傾向于采用動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)。

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(jī)械臂。通過機(jī)器臂推動(dòng)磁鐵經(jīng)過線圈，進(jìn)行切割磁感線運(yùn)動(dòng)，使線圈產(chǎn)生一定量的電能，這些電能用于啟動(dòng)無線發(fā)射器，實(shí)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(guān)由外殼、按板、微發(fā)電機(jī)、無線電信號(hào)發(fā)射器、信號(hào)接收器等器件構(gòu)成。無線自發(fā)電照明燈開關(guān)是歸屬為一種使用手按壓開關(guān)面板時(shí)，它所產(chǎn)生的短暫機(jī)械動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能，然后利用無線射頻和百萬組無重碼識(shí)別等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)無線電命令信號(hào)驅(qū)動(dòng)用電設(shè)備（例如照明燈）打開或者關(guān)閉的一種具備自發(fā)電功能的蹺板式智能遙控開關(guān)。

整體開關(guān)裝置的實(shí)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(jìn)行無線連接。整個(gè)照明過程的實(shí)現(xiàn)主要由無線自發(fā)電開關(guān)、接收器、照明燈組成，整體體積較小，屬于輕便型無線開關(guān)。無線自發(fā)電開關(guān)主要包括無線開關(guān)模塊和發(fā)電模塊兩大模塊，無線開關(guān)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(guān)提供電流。當(dāng)按下開關(guān)時(shí)會(huì)啟動(dòng)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(dòng)，將信號(hào)送出，接收端收到信號(hào)后將會(huì)驅(qū)動(dòng)繼電器閉合，照明燈即可點(diǎn)亮;再次進(jìn)行該操作，照明燈就會(huì)熄滅。

3 結(jié)束語

無線自發(fā)電照明開關(guān)裝置建立在原有的無線開關(guān)基礎(chǔ)之上，有效地解決了漏觸電風(fēng)險(xiǎn)、開關(guān)便利性不足問題。其中，自發(fā)電模塊的設(shè)計(jì)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(guān)的便捷度，不需要布線，也不需要到達(dá)固定地點(diǎn)控制開關(guān)，只需要在一定范圍內(nèi)便可正常操控。相比傳統(tǒng)機(jī)械開關(guān)、觸摸開關(guān)和無線開關(guān)，無線自發(fā)電照明燈開關(guān)在安全性與便捷度方面都有大的提升和改進(jìn)，有效地解決了漏觸電風(fēng)險(xiǎn)和便利性不足的問題。因此，該開關(guān)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(guān)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，用戶和市場的要求在不斷變化中，對(duì)智能開關(guān)系統(tǒng)的要求也越來越高。因此，對(duì)于無線自發(fā)電照明燈開關(guān)系統(tǒng)的改進(jìn)升級(jí)，應(yīng)結(jié)合新技術(shù)，及時(shí)了解用戶市場的需求，以降低產(chǎn)品成本、便利消費(fèi)者、科技時(shí)尚和綠色環(huán)保等為目標(biāo)，為廣大消費(fèi)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(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

參 考 文 獻(xiàn)

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