黄俊杨

摘 要 无源无线门铃技术主要涉及两个方面，一方面是无源自发电模组，另一方面是低功耗无线传输，本文针对门铃产品进行探讨，综述了传统门铃产品的发展以及缺陷，从这两个大方向介绍了无源无线门铃产品的设计以及优势。

【关键词】无源技术 自发电 低功耗 无线传输 门铃

1 引言

门铃发展具有悠久的历史，从古代便以门环的形式开始出现，随后演化成铃铛，随着科技的进步发展成电子门铃，随后更加出现了无线门铃，无线门铃又称无线遥控门铃或遥控门铃，然而无线门铃触发端需要定时更换电池，而无源无线门铃即指不用电池的无线门铃，指采用能量捕获技术的来驱动的无线门铃，该种无线门铃的发射器完全不需要电池，是依靠手按门铃按钮的能量转换为电能，驱动无线发射电路，实现无线门铃的功能。目前世界上第一款无源无线门铃由AuGreener公司推出，并于2012年9月上市。

2 门铃的发展历史

门铃，是客至的一种信息传递工具。串门先打铃，主人迎上来，这是我国古代早已形成的一种文明行为。

根据《江南余载》的记述，五代时期的陈致光是我国第一个使用门铃的人。他在家中悬挂一个大铃铛，与绳系之，挽于门外，并贴告示曰：“无钱雇仆，客至，请挽之”。随后有不少人仿效，视作雅致之举，这就是门铃的起源，一直沿用到宋代。

在近代，随着科技的发展，门铃不再是靠物理撞击产生声响，而是通过电信号传给蜂鸣器或者扬声器产生声响示人，称之为电子门铃。初期的电子门铃靠电池供电，发声端和触发端（按键）通过有线连接，分别安装在大门内侧和大门外侧，使得声音只能从大门开始传播，并不能传遍屋内每个角落，于是便出现了无线门铃。

无线门铃，触发端依然安装在大门外侧，依靠电池供电，但发声端却可以在屋内任意地方布点，通过220V交流电供电，触发端以及发声端两者之间通过无线信号进行传输。这样的无线门铃除了避免的安装上布线的麻烦，而且还能更好地将声音传遍屋内每个角落，而且不需要考虑发声端电源能耗等问题，续航时间也大大增长，发出的声音也越发丰富，从原来简单的“叮咚“发展到了各式各样的音乐甚至语音。

而本文研究的无源无线电子门铃更是在无线电子门铃的基础上，从环保的角度出发，摒弃触发端上的电池，采用自发电模组，将来访者按动门铃开关的动能转发成电能，为触发端无线信号传输提供能量，发声端接收到此无线信号便发出声响，从而实现传输交互的过程。

3 无源自发电技术

所谓无源自发电技术，即是在使用的过程中不依靠外部电源，通过自身产生电能供自身使用。

无源、自发电这些概念来自于能量收集，材料技术在其中起主导作用。市面上自发电的形式有多种，它们将环境中微弱的电磁、机械能、温差、光等能量收集起来并加以利用，最为广泛的运用是开关和传感器领域。于是这个问题转移到发电原理上来了，根据能量守恒的原理，无非是把其他形式的能量转换成电能。机械能，热能在转化成电能的过程中，最终都是通过发电机来完成，发电机的最终原理都是電磁感应。

在1990年代，德国的易能森是第一家涉及这一领域的公司，经过十多年的研发，推出了基于机械能、电磁、温差等能量收集的产品，广泛运用于智能、环保建筑领域。微能量技术拥有十分明显的优势，不用电池、电源，后期免维护，环保高效，但因为长期的技术垄断，产品的价格高昂。大概在10年前后，国内有少数团队进行微弱能量技术研究，较为成熟地是将按压的机械能转化为电能，领普、博悦、易佰珑等公司先后推出了拥有自己技术的无源无线开关、门铃产品，价格与中高档普通开关相近，价格才慢慢降了下来。

这类产品用户体验远高于普通开关、门铃，首先是省去了施工布线的麻烦，再者不需要电池后期免维护，目前门铃已成为主力产品，正在被广大消费者接受，开关市场却相对冷清，市场接受慢热。

在本文研究的门铃产品上，使用的发电装置则是将访客按动开关这个动作上所产生的机械能转化成电能，通过手按开关的动作去驱动电磁感应装置，一种是产生闭合的磁场，另一种是切割磁感线，使按下开关前后的磁通量产生变化，从而产生电能。

由于按压开关的能量本身比较小，所以产生的能量也比较小，再加上传输损耗，能利用的电能是有限的。自发电开关能否通过有限的电量去驱动控制模块，要求其系统中的其他器件都是低功耗的，包括控制模块和射频模块。所以接下来我们继续深入谈论控制模块和射频模块。

4 低功耗无线传输技术

目前市面上关于无线的协议很多，Zigbee、Wi-Fi、蓝牙、RFID还有433。无论是利用上述哪种协议，都能够实现无线传输的功能，但是需要从握手方式、通讯距离、成本以及功耗等问题进行分析。

由于采用的是无源自发电模组进行供电，电量微弱且持续时间比较短，所以定必不能使用如Wi-Fi和蓝牙这种太过于复杂的握手方式。为了方便发声端的布点，还要顾及发声端以及触发端的正常通讯，所以通讯距离定必不能太短，RFID这类近场通讯协议也不太适合。Zigbee倒是符合以上要求，是一种新兴起的短距离低功耗无线传输协议，旨在广泛应用于智能家居领域，但是从成本上来考虑却还没达到亲民的价格。而433频段通讯协议无论是在成本控制、功耗、握手方式以及通讯距离等各类技术参数之间达到比较理性的平衡，所以在无线门铃应用上，大多选择433频段进行通讯。

433MHZ是我们国家的免申请段发射接收频率，可直接使用不需要管理，433频段抗干扰强，并支持各种点对点，一点对多点的无线数据通讯方式，具有收发一体、安全隔离、安装隔离、使用简单、性价比高、稳定可靠等特点，只要发射功率足够大，长距离传输也没有问题。

为了更深入地研究无源无线门铃技术，本文从实际出发，搭建实体硬件对功耗进行考量。由于考虑到能量的问题，需要寻找一款低功耗的433发送芯片，德州仪器（Texas Instruments）有一款针对低功耗无线应用设计的高度集成多通道射频发送器CC1150L，配合上意法半导体（ST）公司的低功耗8位单片机STM8L101F3P作为主控MCU，搭建硬件部分，两者通过SPI总线进行通讯，MCU控制CC1150L的各位寄存器，对功率以及功耗作精确的控制，如下为部分代码：

void CC1150Init（）

{

CC1150_WB（IOCFG0， 0x06）；//CC1150_WB为写寄存器函数

CC1150_WB（SYNC1， ID[0]）；

CC1150_WB（SYNC0， ID[1]）；

CC1150_WB（PKTCTRL0， 0x00）；

CC1150_WB（PKTLEN， 0x02）；

CC1150_WB（FREQ2， 0x10）；//433MHZ

CC1150_WB（FREQ1， 0xB0）；

CC1150_WB（FREQ0， 0x71）；

CC1150_WB（MDMCFG4， 0xC8）；//C8 10k

CC1150_WB（MDMCFG3， 0x93）；//93 10k

CC1150_WB（MDMCFG2， 0x11）；//曼彻斯特关 16SYNC

CC1150_WB（MDMCFG1， 0x02）；//前导数目0：2

CC1150_WB（MDMCFG0， 0xF8）；//信道空间

CC1150_WB（DEVIATN， 0x15）；//背离

CC1150_WB（MCSM1， 0x30）；

CC1150_WB（MCSM0， 0x10）；

CC1150_WB（PATABLE， 0xC8）；//功率

}

void main（）

{

_asm（"sim"）；

CLK_Init（）；

SPI_Init（）；

CC1150_PowerOn（）；

CC1150_Init（）；

while（1）

{

CC1150_SendData（0x00， ID + 2， 2）；

Delay_ms（10）；

}

}

5 总结

综上所述，通过对无源无线门铃各个技术特点的分析，以及经过对硬件部分的实际构造，通过软件可以精确地控制好功率以及功耗的问题，自发电模组所产生的電量足够驱动单片机以及信号发生器发送6字节数据5遍，空旷地方传输距离为100米左右，信号收发十分稳定。通过实验证明，无源无线门铃技术已经足够成熟和稳定。随着技术的发展，创新成了产品的核心价值所在，加之人们越来越追求产品的智能化，越来越关注环保，所以本文研究的两大方向：无源自发电、低功耗无线传输在往后的日子中应该会被越发受到关注以及重视，应该更加广泛地应用到更多创新的产品上来，取代一些传统的但是不合理的产品，为人们提供更好更优质更环保的生活方式。

参考文献

[1]陈小波.移动互联门铃的研究与开发[D].广东工业大学硕士学位论文，2015（05）.

[2]钟政.微电能量收集技术及发展概况[J].内江科技，2014（05）.

[3]Cedric，lange，Johan，Bauwellnck，Vandewege，用于433MHz ISM频带的低功耗超再生接收器，EDN CHINA电子设计技术，2006（05）.