高可靠性無源無線遙控裝置的設計與實現(xiàn)

李顯成，王 猛，段妮妮

（1.華中光電技術研究所 武漢光電國家研究中心，湖北 武漢 430223；2.中國地質(zhì)大學（北京），北京 100083）

0 引 言

21 世紀以來，全球能源面臨挑戰(zhàn)，中國號召節(jié)能減排，而要實現(xiàn)節(jié)能減排的關鍵一點在于用更少的能源和材料做更多的事情。

與此同時，隨著現(xiàn)代社會的發(fā)展，人們的生產(chǎn)和生活方式已經(jīng)朝著智能、低碳、簡便和綠色的方向發(fā)展。而傳統(tǒng)的開關和其他控制設備已經(jīng)無法滿足人們?nèi)找嬖鲩L的需求，低碳、綠色、節(jié)能環(huán)保的無源無線產(chǎn)品便應運而生，此類產(chǎn)品主要應用于照明、安防和樓控領域。在一定程度上，無源無線開關裝置的普及能減少廢棄電池對環(huán)境的影響。

目前國外無源無線產(chǎn)品性能優(yōu)良，外觀優(yōu)美，然而系統(tǒng)龐大，產(chǎn)品成本高昂，使得國外無源無線設備只能成為小眾產(chǎn)品。目前，國內(nèi)無源無線的研制和生產(chǎn)處于起步階段，有幾家廠家已經(jīng)推出了無源無線產(chǎn)品，主要分為照明控制和門鈴兩個類別，產(chǎn)品定位比較高，技術不夠成熟，價格不親民，不適用于一般家庭。

1 無源無線遙控裝置的總體設計

1.1 設計目的

高可靠性無源無線遙控裝置研發(fā)的目的在于拋棄電池供電，嘗試設計簡單可靠的無源無線開關，實現(xiàn)用電設備的無源無線控制。

1.2 裝置構(gòu)成

整體設計包含兩個模塊，分別為發(fā)射模塊和接收模塊。發(fā)射模塊負責激發(fā)控制信號，無需外部電源，包含小型發(fā)電機、全橋整流、儲能、信號編碼和信號發(fā)射電路。小型發(fā)電機用于提供電能；全橋整流電路和儲能電路實現(xiàn)正負電壓變正電壓和電能存儲；信號編碼電路和信號發(fā)射電路用于將控制信號加載于高頻信號并發(fā)射出去。接收模塊接收和解析控制信號，可嵌入到用電設備，包含AD?DC 電源、信號接收、信號解碼和控制電路。AD?DC 電源用于提供電能，信號接收電路和信號解碼電路用于信號的接收和分離，控制電路實現(xiàn)控制信號的解析[1]。圖1 為無源無線遙控裝置的系統(tǒng)框圖。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 發(fā)射模塊

2.1 發(fā)射模塊框圖

發(fā)射模塊框架如圖2 所示。圖中：實線箭頭表示數(shù)據(jù)流向，虛線箭頭表示能量流向。發(fā)射模塊全部封裝在手搖手電筒里面，手搖手電筒集成小型發(fā)電機，通過拆解手搖手電筒內(nèi)部電池和發(fā)光模塊釋放空間來安裝余下的電路。整流儲能電路由二極管和電解電容組成[2?3]。編碼電路采用低價、低能耗、性能穩(wěn)定的CMOS 編碼芯片，經(jīng)過該芯片處理后的信號由工作頻率為315 MHz 的無線射頻發(fā)射電路發(fā)射出去。由于采用小型貼片元件和集成化方案，除發(fā)電裝置外，所有其他部分都集中在一起，故發(fā)射模塊精致小巧。

2.2 電源整流

如圖3 所示，在儲能電路充放電曲線圖中，當時間到達9.52 s 時，按下手搖手電筒，儲能電路開始儲存電能，同時給發(fā)射模塊供電，直至儲能電路兩端的電壓低于LED 燈的導通電壓0.7 V 時，此時儲能電路放電電流趨近于0 A，使儲能電路電壓穩(wěn)定在0.7 V 左右。

圖2 發(fā)射模塊框圖

圖3 儲能電路充放電曲線圖

2.3 編解碼芯片

本文裝置采用的編解碼芯片是普城公司生產(chǎn)的一種CMOS 工藝制造的編解碼芯片組PT2262/PT2272。

PT2262 與PT2272 通過地址碼配對使用。本文根據(jù)PT2262/PT2272 芯片組三態(tài)地址管腳的特性，裝置采用8 位地址碼和1 位數(shù)據(jù)碼，本設計理論上允許6 561 套裝置在同一空間內(nèi)運行，這極大地超出了實際運用環(huán)境。

3 接收模塊

3.1 接收模塊框圖

接收模塊框圖如圖4 所示。圖中：實線箭頭表示數(shù)據(jù)流向，虛線箭頭表示能量流向。接收模塊的電源由一個220 V 轉(zhuǎn)5 V 的AC?DC 提供。超再生接收電路用來接收發(fā)射模塊產(chǎn)生的315 MHz 無線信號[4?5]。解碼電路由與信編碼電路中的PT2262 芯片相對應的解碼芯片PT2272?M4 及其外圍電路組成[6?12]。RC 延時電路能夠防止短時間內(nèi)觸發(fā)器多次觸發(fā)，避免了按一次手搖手電筒，繼電器狀態(tài)轉(zhuǎn)換兩次的情況[13?16]?？刂齐娐酚蒀D4013 觸發(fā)器和三極管組成。本文由于采用的是低功耗的貼片器件，故整體接收模塊靜態(tài)工作電流極低。

3.2 RC 延時電路

如圖5 延時電路所示，Input 通過2 個PNP 的三極管控制電容進行充放電，當PT2272 收到有效信號時，Input為高電平，Q1不導通，Q2導通，電容C1瞬間充電至5 V，當PT2272 未收到信號時，Input 為低電平，Q1導通，Q2不導通，電容C1經(jīng)過R4放電。Q3，Q4和Q5對RC充放電，并進行平滑曲線處理置位和信號復位。Input 經(jīng)延時電路處理后，通過Rd和Sd控制的D 觸發(fā)器輸出矩形波，經(jīng)另外一個D 觸發(fā)器二分頻后直接控制開關電路。RC 電路的放電時間表達式為：

式中：T為放電時間；R為R4阻值；C為C1的電容值；Vu為充電電壓；Vt為放電終止電壓。

圖4 接收模塊框圖

圖5 延時電路

電路中電容C1為22 μF，電阻R4為300 kΩ，PNP 三極管導通壓降為0.7 V，又Vu為5 V（電源電壓），故Vt為4.3 V，由此計算出放電時間T為0.995 s。即當?shù)谝粋€下降沿到來時，其下一個上升沿最少要等待0.995 s，這樣就杜絕了多次觸發(fā)，提高了裝置觸發(fā)的精度。

圖6 所示為控制信號經(jīng)過RC 延時電路處理前后的曲線圖。由圖6可以看出，接收模塊的3次觸發(fā)中有2次產(chǎn)生了誤觸發(fā)，經(jīng)RC 延時電路處理后，誤觸發(fā)沒有傳到后級開關電路，其中，實際延時時間小于0.995 s，這是因為電阻R5的兩端存在壓差，Vt實際電壓大于4.3 V。

4 測 試

4.1 測試環(huán)境

整體測試環(huán)境在尺寸為6 m×12 m 的空曠室內(nèi)進行。房間溫度為25 ℃，濕度為55%RH，室內(nèi)有1 個無線路由器，5 個2.4 GHz 頻段的無線設備。用電設備選用的是臺燈。

4.2 測試結(jié)果

經(jīng)過多天的實驗測試，在空曠的條件下，無源無線遙控裝置觸發(fā)成功率極高。發(fā)射模塊電路面積只有6 cm2，接收模塊靜態(tài)功耗低至20 mW，達到了小型化低功耗的需求，同時在價格上也有極大的優(yōu)勢。本文所述的小型化低功耗無源無線遙控裝置技術指標如表1所示。

圖6 控制信號經(jīng)過RC 延時電路處理前后的曲線圖

表1 技術指標

收發(fā)裝置觸發(fā)成功率是在工作距離為10 m，每2 s按1 次手搖手電筒的情況下測出，它表示接收模塊動作的次數(shù)與按下手搖手電筒的次數(shù)的比值。接收模塊靜態(tài)功耗表示繼電器斷開時接收模塊的功耗。接收模塊動態(tài)功耗表示繼電器閉合時接收模塊的功耗。收發(fā)裝置的反應時間表示按下手搖手電筒時與接收模塊動作時的時間間隔。接收電路最大控制功率表示能控制的用電設備的最大功率。

圖7 為小型化低功耗的無源無線遙控裝置整體實物圖。發(fā)射模塊和接收模塊的外型尺寸均很小巧，體現(xiàn)了小型化的設計理念。將來可以根據(jù)發(fā)電機的大小進一步減小外型尺寸，擴展應用范圍。

圖7 無源無線收發(fā)裝置實物圖

5 結(jié) 語

本文介紹了一種小型化低功耗的無源無線遙控裝置設計方案。該方案中，利用核心的PT2262 編碼芯片和PT2272 解碼芯片，輔以外圍電路實現(xiàn)了小范圍內(nèi)無線遙控收發(fā)功能；利用手搖發(fā)電機、電源調(diào)理電路實現(xiàn)了無源的目標，無需外界輸入電能，即可實現(xiàn)整體電路的遙控和觸發(fā)。經(jīng)過多次測試和試用，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、精致小巧、性能穩(wěn)定可靠、功耗低、使用方便、節(jié)約能源，很好地符合了21 世紀新能源環(huán)保、節(jié)能、可持續(xù)發(fā)展的特點。無源無線開關除了能實現(xiàn)用戶的基本需求，還具有生產(chǎn)成本低、使用便利、外形美觀等優(yōu)勢。