低成本無源無線發射和接收開關研制

張小環，王 猛，郝凱學，劉書言

（中國地質大學地下信息探測技術與儀器教育部重點實驗室，北京 100083）

低成本無源無線發射和接收開關研制

張小環，王 猛，郝凱學，劉書言

（中國地質大學地下信息探測技術與儀器教育部重點實驗室，北京 100083）

主要論述了低成本無源無線開關的基本工作原理及其市場前景。手動按下無源無線遙控開關鍵后，按鍵的機械能由微小型發電機轉化為電能，供電給發射模塊的PT2262芯片產生帶有編碼信號的電磁波信號。與電器連接在一起的接收模塊接收到帶有相對應的編碼信號的電磁波信號，由其配對解碼芯片PT2272破解并產生邏輯電平，驅動繼電器工作，間接地控制家用電器的開關。無源無線開關的研發很好地體現了21世紀綠色新能源的特點，其制造的成本不高，勢必能普及大多數家庭。

無源無線遙控開關；接收模塊；發送模塊；環保；低成本

隨著科學技術和我國國民經濟的發展，人們對人工智能電器的需求日趨增長。傳統的電器連線開關，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。而無源無線遙控開關因其美觀環保、靈活性高等一系列優點越來越受到使用者的青睞。無源無線遙控開關無需外界電源供電便可以發射信號，在一定的范圍內，對各種電器進行調控。而且，無源無線遙控開關不需要與電器進行有線連接，給室內家居設計帶來了極大便利。應用新技術，研制低成本、高靈活性和綠色環保的無源無線遙控開關，對于促進我國的現代化具有重要的意義，因此研制無源無線遙控開關勢在必行。

1 無源無線開關的基本原理

無源無線遙控開關由發射模塊、接收模塊和外接電路3大部分組成。無源無線開關運用了通信原理中的無線通信技術，利用空氣中的媒介電磁波對電器進行控制［1］。圖1為無源無線開關發射部分的主要設計框圖，圖2為無源無線開關接收部分的主要設計框圖。

圖1 無源無線開關發射部分的主要設計框圖

圖2 無源無線開關接收部分的主要設計框圖

手動按下無源無線遙控開關按鍵后，經過一系列的機械裝置的轉換，觸發發電機產生電能，按鍵的機械能由微小型發電機轉化為電能，為發射模塊的編碼電路和發射電路供電。編碼電路的PT2262產生帶有地址碼和開關狀態數據碼的信號，并通過發射電路發射信號。接收模塊由高頻接收電路、解調電路和觸發電路組成。由于信號經過高頻部分的放大和選擇，所以要將接收到的信號編碼通過解碼電路的PT2272進行編碼地址確認，將所需要的電信號分離出來，從而確認是不是有用的開關地址信號。如果接收到的是有用的編碼信號，則解碼電路的PT2272輸出端產生相應的高低電平信號給觸發電路，觸發電路狀態改變并保持改變后的狀態（即由高電平變為低電平或由低電平變為高電平），觸發電路產生有效的信號控制繼電器接通，用電器開始工作；如果接收到的不是有用的編碼信號，則解碼電路不能解碼產生有效的信號，繼電器不工作，電路中的用電器工作狀態不變［1－6］。

2 PT2262與PT2272的編碼配對原理

編碼芯片PT2262的編碼信號是由地址碼、數據碼、同步碼組成的一個完整碼字，該碼字從17腳輸出到射頻發射模塊的數據輸入端并發射出去。射頻接收模塊接收碼字后送到解碼芯片PT2272，其地址碼經過3次比較核對無誤后，VT腳輸出高電平，與此同時PT2262中相應的數據腳也輸出高電平。如果PT2262連續發送編碼信號，PT2272第17腳和相應的數據腳便連續輸出高電平。PT2262停止發送編碼信號，PT2272的VT端便恢復為低電平狀態。為了保證在PT2262發送信號后，PT2272能持續地輸出高電平，接收模塊還需要在編碼芯片PT2272后接上雙D觸發器CD4013，PT2272的VT端輸出邏輯電平給CD4013的D端，相應地CD4013的Q端翻轉原來的狀態，由原來的高電平變為低電平或是由原來的低電平變為高電平，由此控制繼電器的通端來控制電燈。這樣無源無線開關按下開關鍵，便可間接地控制電燈的點亮或是熄滅［2－5］。

2．1 地址碼的設定和修改

在通常使用中，一般采用8位地址碼和4位數據碼，這時編碼電路PT2262和解碼PT2272的第1～8腳為地址設定腳，有3種狀態可供選擇：懸空、接正電源、接地3種狀態，對應的狀態符號分別為x（懸空）、1（正電源）、0（地）；只有發射端PT2262和接收端PT2272的地址編碼完全相同才能配對使用，例如將發射端的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，其相對應的地址編碼為x01xxxxx，這樣就能實現配對接收。當兩者地址編碼完全一致時，接收機對應的D1—D4端輸出約4V互鎖高電平控制信號，同時VT端也輸出解碼有效高電平信號。用戶可將這些信號加一級三極管放大，便可驅動繼電器等負載進行遙控操縱。設置地址碼的原則是：同一個系統的地址碼必須一致；不同的系統可以依靠不同的地址碼加以區分［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，否則接收距離會變近甚至無法接收。在具體的應用中，外接振蕩電阻可根據需要進行適當的調節，阻值越大振蕩頻率越低，編碼的寬度越大，發碼一幀的時間越長［9－12］。表1為PT2262和PT2272匹配的振蕩電阻對。

表1 PT2262和PT2272匹配的振蕩電阻

無源無線開關另一個核心部件就是采用5V高頻超再生接收模塊和發送模塊，實現信號的發送和接收功能。超再生接收模塊采用的是LC振蕩電路，內含放大整形輸出的數據信號為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，并且價格低廉，所以被廣泛使用。超再生接收模塊和發送模塊體積小，靈敏度高，頻點調試容易，目前是無線遙控市場用量最大最廣的一種高頻接收模塊［1］。圖3為接收模塊發送模塊實物圖。

圖3 接收模塊（左）和發送模塊（右）

3 無源無線開關的無源性

無源無線開關另外一個突出優點就是無需提供持續的能量來源。不用像傳統電源開關，需要連接電源線，也不像電視機的遙控器或手機，安裝充電電池或干電池，也不像光能計算器一樣需要內置太陽能電池采集供電。

無源無線開關內置有能量轉換裝置，即發電機，將手指按下按鍵的能量，經過一定的機械轉換后轉換為電能，便可滿足開關的發射電路所需的電能。這樣就無需另外購置電池，大大地節約了成本，也防止了廢棄電池對環境的污染。

4 無源無線開關的低成本

目前無線開關的生產和研究工作的大多數是國際知名廠商如西門子和阿海琺等，這些廠商均同時具備很好的生產和開發無線開關設備的能力。國內廠商如西開、平高和沈高等也正積極開展對無線遙控的研究，主要成果有西開、平高等研制出的智能化GIS樣機。但是，如今市場上的無線遙控開關的價格一般都比較貴，只是適用于部分高消費人群，還不利于推廣普及大眾家庭。例如英泰力電子所研發的 “e．可”智能照明產品，該產品由各智能模塊和傳感器組成，以最先進的無源無線物聯網技術為核心，無需挖槽布線，無論是新建的房屋還是舊房屋的改造，都可通過無源無線開關、紅外探測器、智能移動產品（iPhone、iPad、安卓手機、平板電腦、筆記本電腦等），以多種方式隨心所欲地控制燈具、電視機等多種家用電器。

“e．可”智能照明產品功能極其強大，甚至可以調節電燈的亮度，極其便利于人們的生活。然而，價格昂貴的“e．可”智能照明產品更適用于高質量生活水平的高消費人群，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品能及時控制家用電器與電源的通斷，其次就是其價格便宜。無源無線開關裝置大約只需18．8元，一旦購置整套無源無線開關裝置后便無需后續另外購置電池費用。發射電路所需要的持續電源由按鍵按下產生的機械能提供，這與傳統開關或是電池遙控器相比，更加節能、環保、省錢。無源無線開關意味著用戶無需再后續花錢購置電池，成本大大地降低。表2為無源無線開關的批量化生產后每一套裝置的成本，表3為市場上現有的無線遙控開關的成本。相對比之下，無源無線開關更具有價格實惠，更符合綠色環保等絕對優勢。因此，無源無線開關勢必能推廣普及家居照明市場。

表2 無源無線開關成本

表3 無線遙控開關成本

經實驗測試，無源無線開關的穩定性達95%。開關的按鍵與發電機之間的機械接觸問題是造成無源無線開關失誤的最大問題之一，其次，按鍵按下所產生的機械能產生的電壓達不到發射模塊所需要的供電電壓，就無法發送信號啟動繼電器工作，這也是造成無源無線開關的穩定性差的主要問題。此外，該無源無線開關根據用電器各方面性能的不同而選擇不同的繼電器，使得無源無線開關的接收模塊消耗最低的功率。

5 結束語

無源無線開關裝置的研發很好地符合了21世紀新能源環保、節能、可持續發展的特點。無源無線開關除了能實現用戶的基本需求外，還具有生產成本低、使用便利、外形美觀等優勢。在一定的程度上，無源無線開關裝置的普及能減少廢棄電池對環境的影響。

（References）

［1］黃智偉．無線遙控開關［M］．北京：人民郵電出版社，2002．

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［4］張家生．電機原理與拖動基礎［M］．北京：北京郵電大學出版社，2005．

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［6］楊素行．模擬電子技術基礎簡明教程［M］．北京：高等教育出版社，2006．

［7］童詩白，華成英．模擬電子技術基礎［M］．北京：高等教育出版社，2006．

［8］湯競南，沈國琴．51單片機C語言開發與實例［M］．北京：人民郵電出版社，2008．

［9］孫煥銘．51單片機C程序應用實例詳解［M］．北京：北京航空航天大學出版社，2011．

［10］閻石．數字電子技術基礎［M］．5版．北京：高等教育出版社，2006．

［11］閻石．數字電路與邏輯設計［M］．北京：人民郵電出版社，2008．

［12］黃學良．電路基礎［M］．北京：機械工業出版社，2007．

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年大學生創新創業項目B類“教學實驗室開放基金”

張小環（1992—），女，廣東云浮，學士，實驗師，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．

E－mail：wangmeng＠cugb．edu．cn