张小环，王 猛，郝凯学，刘书言

（中国地质大学地下信息探测技术与仪器教育部重点实验室，北京 100083）

低成本无源无线发射和接收开关研制

张小环，王 猛，郝凯学，刘书言

（中国地质大学地下信息探测技术与仪器教育部重点实验室，北京 100083）

主要论述了低成本无源无线开关的基本工作原理及其市场前景。手动按下无源无线遥控开关键后，按键的机械能由微小型发电机转化为电能，供电给发射模块的PT2262芯片产生带有编码信号的电磁波信号。与电器连接在一起的接收模块接收到带有相对应的编码信号的电磁波信号，由其配对解码芯片PT2272破解并产生逻辑电平，驱动继电器工作，间接地控制家用电器的开关。无源无线开关的研发很好地体现了21世纪绿色新能源的特点，其制造的成本不高，势必能普及大多数家庭。

无源无线遥控开关；接收模块；发送模块；环保；低成本

随着科学技术和我国国民经济的发展，人们对人工智能电器的需求日趋增长。传统的电器连线开关，不仅灵活性低、使用不方便，而且还影响着房屋的美观和安全，人们亟需一种全新的智能开关。而无源无线遥控开关因其美观环保、灵活性高等一系列优点越来越受到使用者的青睐。无源无线遥控开关无需外界电源供电便可以发射信号，在一定的范围内，对各种电器进行调控。而且，无源无线遥控开关不需要与电器进行有线连接，给室内家居设计带来了极大便利。应用新技术，研制低成本、高灵活性和绿色环保的无源无线遥控开关，对于促进我国的现代化具有重要的意义，因此研制无源无线遥控开关势在必行。

1 无源无线开关的基本原理

无源无线遥控开关由发射模块、接收模块和外接电路3大部分组成。无源无线开关运用了通信原理中的无线通信技术，利用空气中的媒介电磁波对电器进行控制［1］。图1为无源无线开关发射部分的主要设计框图，图2为无源无线开关接收部分的主要设计框图。

图1 无源无线开关发射部分的主要设计框图

图2 无源无线开关接收部分的主要设计框图

手动按下无源无线遥控开关按键后，经过一系列的机械装置的转换，触发发电机产生电能，按键的机械能由微小型发电机转化为电能，为发射模块的编码电路和发射电路供电。编码电路的PT2262产生带有地址码和开关状态数据码的信号，并通过发射电路发射信号。接收模块由高频接收电路、解调电路和触发电路组成。由于信号经过高频部分的放大和选择，所以要将接收到的信号编码通过解码电路的PT2272进行编码地址确认，将所需要的电信号分离出来，从而确认是不是有用的开关地址信号。如果接收到的是有用的编码信号，则解码电路的PT2272输出端产生相应的高低电平信号给触发电路，触发电路状态改变并保持改变后的状态（即由高电平变为低电平或由低电平变为高电平），触发电路产生有效的信号控制继电器接通，用电器开始工作；如果接收到的不是有用的编码信号，则解码电路不能解码产生有效的信号，继电器不工作，电路中的用电器工作状态不变［1－6］。

2 PT2262与PT2272的编码配对原理

编码芯片PT2262的编码信号是由地址码、数据码、同步码组成的一个完整码字，该码字从17脚输出到射频发射模块的数据输入端并发射出去。射频接收模块接收码字后送到解码芯片PT2272，其地址码经过3次比较核对无误后，VT脚输出高电平，与此同时PT2262中相应的数据脚也输出高电平。如果PT2262连续发送编码信号，PT2272第17脚和相应的数据脚便连续输出高电平。PT2262停止发送编码信号，PT2272的VT端便恢复为低电平状态。为了保证在PT2262发送信号后，PT2272能持续地输出高电平，接收模块还需要在编码芯片PT2272后接上双D触发器CD4013，PT2272的VT端输出逻辑电平给CD4013的D端，相应地CD4013的Q端翻转原来的状态，由原来的高电平变为低电平或是由原来的低电平变为高电平，由此控制继电器的通端来控制电灯。这样无源无线开关按下开关键，便可间接地控制电灯的点亮或是熄灭［2－5］。

2．1 地址码的设定和修改

在通常使用中，一般采用8位地址码和4位数据码，这时编码电路PT2262和解码PT2272的第1～8脚为地址设定脚，有3种状态可供选择：悬空、接正电源、接地3种状态，对应的状态符号分别为x（悬空）、1（正电源）、0（地）；只有发射端PT2262和接收端PT2272的地址编码完全相同才能配对使用，例如将发射端的PT2262的第2脚接地、第3脚接正电源，其他引脚悬空，地址编码为x01xxxxx；那么接收机的PT2272只要第2脚接地、第3脚接正电源，其他引脚为悬空，其相对应的地址编码为x01xxxxx，这样就能实现配对接收。当两者地址编码完全一致时，接收机对应的D1—D4端输出约4V互锁高电平控制信号，同时VT端也输出解码有效高电平信号。用户可将这些信号加一级三极管放大，便可驱动继电器等负载进行遥控操纵。设置地址码的原则是：同一个系统的地址码必须一致；不同的系统可以依靠不同的地址码加以区分［5－12］。

2．2 电阻晶振匹配

PT2262和PT2272除地址编码必须完全一致外，振荡电阻还必须匹配，否则接收距离会变近甚至无法接收。在具体的应用中，外接振荡电阻可根据需要进行适当的调节，阻值越大振荡频率越低，编码的宽度越大，发码一帧的时间越长［9－12］。表1为PT2262和PT2272匹配的振荡电阻对。

表1 PT2262和PT2272匹配的振荡电阻

无源无线开关另一个核心部件就是采用5V高频超再生接收模块和发送模块，实现信号的发送和接收功能。超再生接收模块采用的是LC振荡电路，内含放大整形输出的数据信号为TTL电平。超再生接收模块可直接接至解码器PT2272，使用极为方便，并且价格低廉，所以被广泛使用。超再生接收模块和发送模块体积小，灵敏度高，频点调试容易，目前是无线遥控市场用量最大最广的一种高频接收模块［1］。图3为接收模块发送模块实物图。

图3 接收模块（左）和发送模块（右）

3 无源无线开关的无源性

无源无线开关另外一个突出优点就是无需提供持续的能量来源。不用像传统电源开关，需要连接电源线，也不像电视机的遥控器或手机，安装充电电池或干电池，也不像光能计算器一样需要内置太阳能电池采集供电。

无源无线开关内置有能量转换装置，即发电机，将手指按下按键的能量，经过一定的机械转换后转换为电能，便可满足开关的发射电路所需的电能。这样就无需另外购置电池，大大地节约了成本，也防止了废弃电池对环境的污染。

4 无源无线开关的低成本

目前无线开关的生产和研究工作的大多数是国际知名厂商如西门子和阿海珐等，这些厂商均同时具备很好的生产和开发无线开关设备的能力。国内厂商如西开、平高和沈高等也正积极开展对无线遥控的研究，主要成果有西开、平高等研制出的智能化GIS样机。但是，如今市场上的无线遥控开关的价格一般都比较贵，只是适用于部分高消费人群，还不利于推广普及大众家庭。例如英泰力电子所研发的 “e．可”智能照明产品，该产品由各智能模块和传感器组成，以最先进的无源无线物联网技术为核心，无需挖槽布线，无论是新建的房屋还是旧房屋的改造，都可通过无源无线开关、红外探测器、智能移动产品（iPhone、iPad、安卓手机、平板电脑、笔记本电脑等），以多种方式随心所欲地控制灯具、电视机等多种家用电器。

“e．可”智能照明产品功能极其强大，甚至可以调节电灯的亮度，极其便利于人们的生活。然而，价格昂贵的“e．可”智能照明产品更适用于高质量生活水平的高消费人群，并不适用于生活水平一般的大众家庭。

普通大众家庭的基本需求仅仅是产品能及时控制家用电器与电源的通断，其次就是其价格便宜。无源无线开关装置大约只需18．8元，一旦购置整套无源无线开关装置后便无需后续另外购置电池费用。发射电路所需要的持续电源由按键按下产生的机械能提供，这与传统开关或是电池遥控器相比，更加节能、环保、省钱。无源无线开关意味着用户无需再后续花钱购置电池，成本大大地降低。表2为无源无线开关的批量化生产后每一套装置的成本，表3为市场上现有的无线遥控开关的成本。相对比之下，无源无线开关更具有价格实惠，更符合绿色环保等绝对优势。因此，无源无线开关势必能推广普及家居照明市场。

表2 无源无线开关成本

表3 无线遥控开关成本

经实验测试，无源无线开关的稳定性达95%。开关的按键与发电机之间的机械接触问题是造成无源无线开关失误的最大问题之一，其次，按键按下所产生的机械能产生的电压达不到发射模块所需要的供电电压，就无法发送信号启动继电器工作，这也是造成无源无线开关的稳定性差的主要问题。此外，该无源无线开关根据用电器各方面性能的不同而选择不同的继电器，使得无源无线开关的接收模块消耗最低的功率。

5 结束语

无源无线开关装置的研发很好地符合了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外，还具有生产成本低、使用便利、外形美观等优势。在一定的程度上，无源无线开关装置的普及能减少废弃电池对环境的影响。

（References）

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［8］汤竞南，沈国琴．51单片机C语言开发与实例［M］．北京：人民邮电出版社，2008．

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［11］阎石．数字电路与逻辑设计［M］．北京：人民邮电出版社，2008．

［12］黄学良．电路基础［M］．北京：机械工业出版社，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年大学生创新创业项目B类“教学实验室开放基金”

张小环（1992—），女，广东云浮，学士，实验师，主要从事地球物理仪器科研工作

E－mail：601500353＠qq．com

王猛（1984—）男，河南许昌，博士，讲师，主要从事地球物理仪器科研与教学．

E－mail：wangmeng＠cugb．edu．cn