一种无线自发电照明灯开关的设计

赵正伟 黄聪瑶 王纪元

【摘 要】为了免去开关安装时重新布线的步骤，减少安装材料的浪费及对环境的污染，文章对传统开关模式进行改造，设计了一种无线自发电照明灯开关。该装置是由自发电模块和无线模块组成的一种无线自发电照明灯开关，自发电模块主要通过驱动电磁感应装置把机械能转化为电能，将微小的电量供给发射器，实现自发电;无线模块的发射端与接收端之间通过无线连接控制的方式实现开关灯操作。此装置不需要布线、节省电池、绿色环保，而且智能遥控、安全性好、科技前卫，可广泛应用于家居、办公、酒店等各种照明场所的升级改造。

【关键词】自发电;无线开关;照明灯

【中图分类号】TU855 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2022）03-0058-03

0 引言

目前，市面上常见的开关有以下几种：①传统机械开关，由于内部直接与室内交流电接触，会有漏电甚至触电的可能。②触摸开关，用继电器控制交流电接通和断开，与人接触的是弱电，解决了漏电风险，但是存在被固定的不便性，在居家装修、改造等情况下也造成一定的不便。③无线开关：主要使用无线发射器和无线接收器，无线接收器收到信号后控制电灯开关，发射器用锂电池供电。无线开关的使用位置可以随意变动，但反射器的电池电量耗尽时要更换，否则发射器无法工作，并且锂电池受潮湿天气的影响，会出现电池腐烂的情况，进而损坏发射器，同时会造成环境污染和资源浪费;未能进行软硬件结合使用，操作方式单一。各类开关的性能参数对比情况见表1。

无线自发电照明灯开关是基于无线开关的一种改进，它可通过自发电的形式给无线模块相应部件提供电源，使之能够实现开关的操作，避免使用锂电池等，降低了触电的可能性。然后经发射端和接收端，通过无线连接控制照明灯的开关，而且该装置的安装无须开槽布线，省去了安装传统开关的部分步骤，便于对现有家装环境进行升级改造，无线控制也给人们带来便捷且时尚的生活体验。

1 系统功能结构

新型无线自发电照明灯开关系统主要使用自发电模块和无线通信模块实现对家用照明灯的控制与操作，整个系统由自发电装置、无线接收器、发射器、开关装置和灯泡等组成。主要实现以下功能：接收端与发射端通过无线连接，发射端通过自发电模块驱动无线发射器，实现触发遥控;接收端使用无线接收器接收信号，通过开关控制电路控制照明灯工作。该系统的主要功能结构可从以下3个方面进行描述。

1.1 自发电模块结构

自发电模块的实现是通过手按开关的动作驱动电磁感应装置（闭合的导线切割磁感线的过程）产生电能。由于按压开关的能量较小，因此产生的能量也较小，但足以驱动开关[1]。在發电模块中，通过机器臂推动磁铁经过线圈，使线圈产生一定量的电能，这些电能用于启动无线发射器，实现一次性触发遥控。当手按下开关按板的一侧时，按板与磁铁组联动，磁铁组与铁芯的相对位置发生了改变，穿过铁芯的磁场的极性发生了反转突变，从而在线圈中产生了感生电流，感生电流经过整形后给无线电发射器电路供电，发出带无线电命令的信号，接收端即可收到命令信号，随之驱动继电器闭合，使带有接收器的照明灯工作。

1.2 无线模块结构

无线模块主要使用无线发射器和无线接收器连接，无线接收器收到信号后控制电灯开关，发射器用自发电模块产生电流，使用位置可以根据需要随意变动。当前，市面上的无线协议很多，有ZIGBEE、Wi-Fi和蓝牙等，无论是利用上述哪种协议，都能够实现无线开关的无线控制功能[2]。无线连接的实现还采用了以下3种技术：①百万组无重码识别技术。该技术可以确保相互不干扰，在同一城市无重码现象，从而有效避免了非自家遥控器控制自家照明灯的情况发生。②智能学习对码技术。一般遥控开关与电器是一对一关联的，不可随意改变，采用智能学习对码识别技术后，电器与遥控器之间能够通过参数配置，摒弃电器与遥控器无法分离的困扰，灵活地配置遥控器，达到控制灯光的目的[3]。③无线射频技术。该技术是一种自动识别技术，主要由电子标签、卫星天线和阅读器等组成，属于近距离的无线通信技术，通过点对点的无线射频，实现对照明灯的控制[4]。该技术电能消耗小，自发电模块的发电量就能满足其需求。

1.3 无线自发电照明开关结构

无线自发电照明开关具有无线发射模块低功耗、受区域限制小的特点，所以适用范围广泛。通过巧妙利用按键的动作通过驱动电磁感应装置把机械能转化为电能，将微小的电量供给发射器，实现自发电，从而完成照明灯的开关动作且降低了生活触电的发生率。操作简单、开关使用灵活的特点可以扩大适用人群的范围。该开关在组成结构中的发射端和接收端采用无线连接，安装时不需要开槽布线，适应现代生活需求。适用人群广泛，使用方式便捷，设计结构小巧，能够满足简单便捷的科技生活的需求。

2 装置设计

无线自发电开关主要包括对发射端和接收端的设计。发射端中包含发电模块和RCM1A无线发射器A1，接收端包含RCM1B无线接收器A2、双向晶闸管VTH作为电源开关与十进制计数器CD4017开关控制电路。在发射端处实现自发电及信号的发出，接收端处实现信号的接受及执行。

RCM1A无线发射器如图1所示，它的工作电压为3 V，工作电流为0.6 mA，工作频率为250 MHz。其内部集成了低频振荡器、调制器、超高频振荡器和发射天线，待发电模块为其供电之后，RCM1A就会向周围空间发射出高频无线电磁波。

无线接收器使用RCM1B，接收器电路图如图2所示。当没有收到信号时，输出端2输出低电平。接收器RCM1B接收到发射器RCM1A发来的遥控信号后，通过电路内部放大和信号处理后，由2脚输出高电平。这一高电平通过VD1加至十进制计数器CD4017的CP端作为电灯的开关控制信号。十进制计数器CD4017的10个输出端与控制端采取间接连接的方式，即将Q1、Q3、Q5、Q7、Q9连接到控制输出端，将Q2、Q4、Q6、Q8空置。当收到一个遥控信号时，它的输出端就前移一位，当移动至Q1、Q3、Q5、Q7、Q9时，电灯被打开。当移到Q2、Q4、Q6、Q8时，电灯熄灭[5]。无线遥控有效距离为815 m，接收电路的工作电压为4.5 V，工作电流为0.7 mA。3F33F563-42DE-44D1-87D4-24C3C56777AC

发电模块的基本工作原理是通过利用法拉第感应定律进行自发电，即通过磁通量的变化产生感应电动势，而闭合电路中的一部分导体在磁场中做切割磁感线的运动时，在导体中产生电流[6]。当穿过闭合导体回路的磁通量发生变化时，回路中产生感应电流，感应电动势与穿过回路的磁通量对时间的变化率的负值成正比，在国际单位制（SI）中，其数学公式如下：

ξ=-■（1）

公式（1）中，负号反映感应电动势的方向与磁通量变化的关系[6]。

事实上，对于法拉第感应定律所产生的电动势原因可分成两种：第一种是磁场不变，而回路或其中的一部分在磁场里有相对的磁场运动，通过这种形式所产生的感应电动势称为动生电动势;第二种是回路不动，磁场随着时间的变化而产生感应电动势，称之为感生电动势。在设计研发无线自发电照明灯开关装置时，研究人员更倾向于采用动生电动势。

发电装置模块主要组成部分包括磁感线圈、铁芯和永磁体，磁感线圈缠绕在铁芯上，永磁体位于铁芯的右侧，永磁体的上下两端分别连接磁轭A和磁轭B，磁轭A上连接弹簧A，磁轭B上连接弹簧B，弹簧B的另一端连接机械臂。通过机器臂推动磁铁经过线圈，进行切割磁感线运动，使线圈产生一定量的电能，这些电能用于启动无线发射器，实现一次性触发遥控。发电模块的组成如图3所示。

无线自发电照明灯开关由外壳、按板、微发电机、无线电信号发射器、信号接收器等器件構成。无线自发电照明灯开关是归属为一种使用手按压开关面板时，它所产生的短暂机械动能转换成电能，然后利用无线射频和百万组无重码识别等技术，实现无线电命令信号驱动用电设备（例如照明灯）打开或者关闭的一种具备自发电功能的跷板式智能遥控开关。

整体开关装置的实现主要由发射端和接收端组成，发射端和接收端之间进行无线连接。整个照明过程的实现主要由无线自发电开关、接收器、照明灯组成，整体体积较小，属于轻便型无线开关。无线自发电开关主要包括无线开关模块和发电模块两大模块，无线开关模块用于无线电发射器与接收器之间的信息交流，而发电模块是以自发电的形式向开关提供电流。当按下开关时会启动自发电模块，自发电模块产生电流使无线电发射器启动，将信号送出，接收端收到信号后将会驱动继电器闭合，照明灯即可点亮;再次进行该操作，照明灯就会熄灭。

3 结束语

无线自发电照明开关装置建立在原有的无线开关基础之上，有效地解决了漏触电风险、开关便利性不足问题。其中，自发电模块的设计省去了电池的使用，传统控制器更换电池的过程完全可以省去;无线模式的使用能大幅度提升人们控制照明灯开关的便捷度，不需要布线，也不需要到达固定地点控制开关，只需要在一定范围内便可正常操控。相比传统机械开关、触摸开关和无线开关，无线自发电照明灯开关在安全性与便捷度方面都有大的提升和改进，有效地解决了漏触电风险和便利性不足的问题。因此，该开关装置不但操作简单、绿色环保，而且可以极大地提高生活用电的安全性，大大便利人们的生活。

随着人工智能物联网相关技术的发展和进步，用户和市场的要求在不断变化中，对智能开关系统的要求也越来越高。因此，对于无线自发电照明灯开关系统的改进升级，应结合新技术，及时了解用户市场的需求，以降低产品成本、便利消费者、科技时尚和绿色环保等为目标，为广大消费者智慧生活提供普惠、便捷和安全的产品，创造更大的社会效益和经济效益。

参 考 文 献

[1]朱锐.新型智能家居无线开关的设计[J].科学技术创新，2021（2）：193-194.

[2]电子发烧友.无线遥控开关电路图大全（六款电路图介绍）[EB/OL].[2021-11-22].https：//www.elecfans.com/

article/88/131/198/2018/20180129625730.html.

[3]赵近芳，王登龙.大学物理学（下）[M].第5版.北京：北京邮电大学出版社，2017：86-89.

[4]甘能.无线射频技术在智能家居中的应用实践[J].自动化应用，2015（6）：21-23.

[5]豆丁网.无线遥控照明开关[EB/OL].[2020-10-20].

https：//www.docin.com/p-26974915.html.

[6]高秋红，张哲，刘立冬，等.旋转放电装置的实现与实际应用[J].电子世界，2014（10）：158-159.3F33F563-42DE-44D1-87D4-24C3C56777AC