李显成，王 猛，段妮妮
（1.华中光电技术研究所 武汉光电国家研究中心，湖北 武汉 430223；2.中国地质大学（北京），北京 100083）
0 引 言
21 世纪以来，全球能源面临挑战，中国号召节能减排，而要实现节能减排的关键一点在于用更少的能源和材料做更多的事情。
与此同时，随着现代社会的发展，人们的生产和生活方式已经朝着智能、低碳、简便和绿色的方向发展。而传统的开关和其他控制设备已经无法满足人们日益增长的需求，低碳、绿色、节能环保的无源无线产品便应运而生，此类产品主要应用于照明、安防和楼控领域。在一定程度上，无源无线开关装置的普及能减少废弃电池对环境的影响。
目前国外无源无线产品性能优良，外观优美，然而系统庞大，产品成本高昂，使得国外无源无线设备只能成为小众产品。目前，国内无源无线的研制和生产处于起步阶段，有几家厂家已经推出了无源无线产品，主要分为照明控制和门铃两个类别，产品定位比较高，技术不够成熟，价格不亲民，不适用于一般家庭。
1 无源无线遥控装置的总体设计
1.1 设计目的
高可靠性无源无线遥控装置研发的目的在于抛弃电池供电，尝试设计简单可靠的无源无线开关，实现用电设备的无源无线控制。
1.2 装置构成
整体设计包含两个模块，分别为发射模块和接收模块。发射模块负责激发控制信号，无需外部电源，包含小型发电机、全桥整流、储能、信号编码和信号发射电路。小型发电机用于提供电能；全桥整流电路和储能电路实现正负电压变正电压和电能存储；信号编码电路和信号发射电路用于将控制信号加载于高频信号并发射出去。接收模块接收和解析控制信号，可嵌入到用电设备，包含AD⁃DC 电源、信号接收、信号解码和控制电路。AD⁃DC 电源用于提供电能，信号接收电路和信号解码电路用于信号的接收和分离，控制电路实现控制信号的解析[1]。图1 为无源无线遥控装置的系统框图。
图1 系统框图
2 发射模块
2.1 发射模块框图
发射模块框架如图2 所示。图中：实线箭头表示数据流向，虚线箭头表示能量流向。发射模块全部封装在手摇手电筒里面，手摇手电筒集成小型发电机，通过拆解手摇手电筒内部电池和发光模块释放空间来安装余下的电路。整流储能电路由二极管和电解电容组成[2⁃3]。编码电路采用低价、低能耗、性能稳定的CMOS 编码芯片，经过该芯片处理后的信号由工作频率为315 MHz 的无线射频发射电路发射出去。由于采用小型贴片元件和集成化方案，除发电装置外，所有其他部分都集中在一起，故发射模块精致小巧。
2.2 电源整流
如图3 所示，在储能电路充放电曲线图中，当时间到达9.52 s 时，按下手摇手电筒，储能电路开始储存电能，同时给发射模块供电，直至储能电路两端的电压低于LED 灯的导通电压0.7 V 时，此时储能电路放电电流趋近于0 A，使储能电路电压稳定在0.7 V 左右。
图2 发射模块框图
图3 储能电路充放电曲线图
2.3 编解码芯片
本文装置采用的编解码芯片是普城公司生产的一种CMOS 工艺制造的编解码芯片组PT2262/PT2272。
PT2262 与PT2272 通过地址码配对使用。本文根据PT2262/PT2272 芯片组三态地址管脚的特性，装置采用8 位地址码和1 位数据码，本设计理论上允许6 561 套装置在同一空间内运行，这极大地超出了实际运用环境。
3 接收模块
3.1 接收模块框图
接收模块框图如图4 所示。图中：实线箭头表示数据流向，虚线箭头表示能量流向。接收模块的电源由一个220 V 转5 V 的AC⁃DC 提供。超再生接收电路用来接收发射模块产生的315 MHz 无线信号[4⁃5]。解码电路由与信编码电路中的PT2262 芯片相对应的解码芯片PT2272⁃M4 及其外围电路组成[6⁃12]。RC 延时电路能够防止短时间内触发器多次触发，避免了按一次手摇手电筒，继电器状态转换两次的情况[13⁃16]。控制电路由CD4013 触发器和三极管组成。本文由于采用的是低功耗的贴片器件，故整体接收模块静态工作电流极低。
3.2 RC 延时电路
如图5 延时电路所示，Input 通过2 个PNP 的三极管控制电容进行充放电，当PT2272 收到有效信号时，Input为高电平，Q1不导通，Q2导通，电容C1瞬间充电至5 V，当PT2272 未收到信号时，Input 为低电平，Q1导通，Q2不导通，电容C1经过R4放电。Q3，Q4和Q5对RC充放电，并进行平滑曲线处理置位和信号复位。Input 经延时电路处理后，通过Rd和Sd控制的D 触发器输出矩形波，经另外一个D 触发器二分频后直接控制开关电路。RC 电路的放电时间表达式为：
式中：T为放电时间；R为R4阻值；C为C1的电容值；Vu为充电电压；Vt为放电终止电压。
图4 接收模块框图
图5 延时电路
电路中电容C1为22 μF，电阻R4为300 kΩ，PNP 三极管导通压降为0.7 V，又Vu为5 V（电源电压），故Vt为4.3 V，由此计算出放电时间T为0.995 s。即当第一个下降沿到来时，其下一个上升沿最少要等待0.995 s，这样就杜绝了多次触发，提高了装置触发的精度。
图6 所示为控制信号经过RC 延时电路处理前后的曲线图。由图6可以看出，接收模块的3次触发中有2次产生了误触发，经RC 延时电路处理后，误触发没有传到后级开关电路，其中，实际延时时间小于0.995 s，这是因为电阻R5的两端存在压差，Vt实际电压大于4.3 V。
4 测 试
4.1 测试环境
整体测试环境在尺寸为6 m×12 m 的空旷室内进行。房间温度为25 ℃，湿度为55%RH，室内有1 个无线路由器，5 个2.4 GHz 频段的无线设备。用电设备选用的是台灯。
4.2 测试结果
经过多天的实验测试，在空旷的条件下，无源无线遥控装置触发成功率极高。发射模块电路面积只有6 cm2，接收模块静态功耗低至20 mW，达到了小型化低功耗的需求，同时在价格上也有极大的优势。本文所述的小型化低功耗无源无线遥控装置技术指标如表1所示。
图6 控制信号经过RC 延时电路处理前后的曲线图
表1 技术指标
收发装置触发成功率是在工作距离为10 m，每2 s按1 次手摇手电筒的情况下测出，它表示接收模块动作的次数与按下手摇手电筒的次数的比值。接收模块静态功耗表示继电器断开时接收模块的功耗。接收模块动态功耗表示继电器闭合时接收模块的功耗。收发装置的反应时间表示按下手摇手电筒时与接收模块动作时的时间间隔。接收电路最大控制功率表示能控制的用电设备的最大功率。
图7 为小型化低功耗的无源无线遥控装置整体实物图。发射模块和接收模块的外型尺寸均很小巧，体现了小型化的设计理念。将来可以根据发电机的大小进一步减小外型尺寸，扩展应用范围。
图7 无源无线收发装置实物图
5 结 语
本文介绍了一种小型化低功耗的无源无线遥控装置设计方案。该方案中，利用核心的PT2262 编码芯片和PT2272 解码芯片，辅以外围电路实现了小范围内无线遥控收发功能；利用手摇发电机、电源调理电路实现了无源的目标，无需外界输入电能，即可实现整体电路的遥控和触发。经过多次测试和试用，系统结构简单、精致小巧、性能稳定可靠、功耗低、使用方便、节约能源，很好地符合了21 世纪新能源环保、节能、可持续发展的特点。无源无线开关除了能实现用户的基本需求，还具有生产成本低、使用便利、外形美观等优势。
