無源無線門鈴技術

黃俊楊

摘 要 無源無線門鈴技術主要涉及兩個方面，一方面是無源自發(fā)電模組，另一方面是低功耗無線傳輸，本文針對門鈴產品進行探討，綜述了傳統(tǒng)門鈴產品的發(fā)展以及缺陷，從這兩個大方向介紹了無源無線門鈴產品的設計以及優(yōu)勢。

【關鍵詞】無源技術 自發(fā)電 低功耗 無線傳輸 門鈴

1 引言

門鈴發(fā)展具有悠久的歷史，從古代便以門環(huán)的形式開始出現，隨后演化成鈴鐺，隨著科技的進步發(fā)展成電子門鈴，隨后更加出現了無線門鈴，無線門鈴又稱無線遙控門鈴或遙控門鈴，然而無線門鈴觸發(fā)端需要定時更換電池，而無源無線門鈴即指不用電池的無線門鈴，指采用能量捕獲技術的來驅動的無線門鈴，該種無線門鈴的發(fā)射器完全不需要電池，是依靠手按門鈴按鈕的能量轉換為電能，驅動無線發(fā)射電路，實現無線門鈴的功能。目前世界上第一款無源無線門鈴由AuGreener公司推出，并于2012年9月上市。

2 門鈴的發(fā)展歷史

門鈴，是客至的一種信息傳遞工具。串門先打鈴，主人迎上來，這是我國古代早已形成的一種文明行為。

根據《江南余載》的記述，五代時期的陳致光是我國第一個使用門鈴的人。他在家中懸掛一個大鈴鐺，與繩系之，挽于門外，并貼告示曰：“無錢雇仆，客至，請挽之”。隨后有不少人仿效，視作雅致之舉，這就是門鈴的起源，一直沿用到宋代。

在近代，隨著科技的發(fā)展，門鈴不再是靠物理撞擊產生聲響，而是通過電信號傳給蜂鳴器或者揚聲器產生聲響示人，稱之為電子門鈴。初期的電子門鈴靠電池供電，發(fā)聲端和觸發(fā)端（按鍵）通過有線連接，分別安裝在大門內側和大門外側，使得聲音只能從大門開始傳播，并不能傳遍屋內每個角落，于是便出現了無線門鈴。

無線門鈴，觸發(fā)端依然安裝在大門外側，依靠電池供電，但發(fā)聲端卻可以在屋內任意地方布點，通過220V交流電供電，觸發(fā)端以及發(fā)聲端兩者之間通過無線信號進行傳輸。這樣的無線門鈴除了避免的安裝上布線的麻煩，而且還能更好地將聲音傳遍屋內每個角落，而且不需要考慮發(fā)聲端電源能耗等問題，續(xù)航時間也大大增長，發(fā)出的聲音也越發(fā)豐富，從原來簡單的“叮咚“發(fā)展到了各式各樣的音樂甚至語音。

而本文研究的無源無線電子門鈴更是在無線電子門鈴的基礎上，從環(huán)保的角度出發(fā)，摒棄觸發(fā)端上的電池，采用自發(fā)電模組，將來訪者按動門鈴開關的動能轉發(fā)成電能，為觸發(fā)端無線信號傳輸提供能量，發(fā)聲端接收到此無線信號便發(fā)出聲響，從而實現傳輸交互的過程。

3 無源自發(fā)電技術

所謂無源自發(fā)電技術，即是在使用的過程中不依靠外部電源，通過自身產生電能供自身使用。

無源、自發(fā)電這些概念來自于能量收集，材料技術在其中起主導作用。市面上自發(fā)電的形式有多種，它們將環(huán)境中微弱的電磁、機械能、溫差、光等能量收集起來并加以利用，最為廣泛的運用是開關和傳感器領域。于是這個問題轉移到發(fā)電原理上來了，根據能量守恒的原理，無非是把其他形式的能量轉換成電能。機械能，熱能在轉化成電能的過程中，最終都是通過發(fā)電機來完成，發(fā)電機的最終原理都是電磁感應。

在1990年代，德國的易能森是第一家涉及這一領域的公司，經過十多年的研發(fā)，推出了基于機械能、電磁、溫差等能量收集的產品，廣泛運用于智能、環(huán)保建筑領域。微能量技術擁有十分明顯的優(yōu)勢，不用電池、電源，后期免維護，環(huán)保高效，但因為長期的技術壟斷，產品的價格高昂。大概在10年前后，國內有少數團隊進行微弱能量技術研究，較為成熟地是將按壓的機械能轉化為電能，領普、博悅、易佰瓏等公司先后推出了擁有自己技術的無源無線開關、門鈴產品，價格與中高檔普通開關相近，價格才慢慢降了下來。

這類產品用戶體驗遠高于普通開關、門鈴，首先是省去了施工布線的麻煩，再者不需要電池后期免維護，目前門鈴已成為主力產品，正在被廣大消費者接受，開關市場卻相對冷清，市場接受慢熱。

在本文研究的門鈴產品上，使用的發(fā)電裝置則是將訪客按動開關這個動作上所產生的機械能轉化成電能，通過手按開關的動作去驅動電磁感應裝置，一種是產生閉合的磁場，另一種是切割磁感線，使按下開關前后的磁通量產生變化，從而產生電能。

由于按壓開關的能量本身比較小，所以產生的能量也比較小，再加上傳輸損耗，能利用的電能是有限的。自發(fā)電開關能否通過有限的電量去驅動控制模塊，要求其系統(tǒng)中的其他器件都是低功耗的，包括控制模塊和射頻模塊。所以接下來我們繼續(xù)深入談論控制模塊和射頻模塊。

4 低功耗無線傳輸技術

目前市面上關于無線的協(xié)議很多，Zigbee、Wi-Fi、藍牙、RFID還有433。無論是利用上述哪種協(xié)議，都能夠實現無線傳輸的功能，但是需要從握手方式、通訊距離、成本以及功耗等問題進行分析。

由于采用的是無源自發(fā)電模組進行供電，電量微弱且持續(xù)時間比較短，所以定必不能使用如Wi-Fi和藍牙這種太過于復雜的握手方式。為了方便發(fā)聲端的布點，還要顧及發(fā)聲端以及觸發(fā)端的正常通訊，所以通訊距離定必不能太短，RFID這類近場通訊協(xié)議也不太適合。Zigbee倒是符合以上要求，是一種新興起的短距離低功耗無線傳輸協(xié)議，旨在廣泛應用于智能家居領域，但是從成本上來考慮卻還沒達到親民的價格。而433頻段通訊協(xié)議無論是在成本控制、功耗、握手方式以及通訊距離等各類技術參數之間達到比較理性的平衡，所以在無線門鈴應用上，大多選擇433頻段進行通訊。

433MHZ是我們國家的免申請段發(fā)射接收頻率，可直接使用不需要管理，433頻段抗干擾強，并支持各種點對點，一點對多點的無線數據通訊方式，具有收發(fā)一體、安全隔離、安裝隔離、使用簡單、性價比高、穩(wěn)定可靠等特點，只要發(fā)射功率足夠大，長距離傳輸也沒有問題。

為了更深入地研究無源無線門鈴技術，本文從實際出發(fā)，搭建實體硬件對功耗進行考量。由于考慮到能量的問題，需要尋找一款低功耗的433發(fā)送芯片，德州儀器（Texas Instruments）有一款針對低功耗無線應用設計的高度集成多通道射頻發(fā)送器CC1150L，配合上意法半導體（ST）公司的低功耗8位單片機STM8L101F3P作為主控MCU，搭建硬件部分，兩者通過SPI總線進行通訊，MCU控制CC1150L的各位寄存器，對功率以及功耗作精確的控制，如下為部分代碼：

void CC1150Init（）

{

CC1150_WB（IOCFG0， 0x06）；//CC1150_WB為寫寄存器函數

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）；//曼徹斯特關 16SYNC

CC1150_WB（MDMCFG1， 0x02）；//前導數目0：2

CC1150_WB（MDMCFG0， 0xF8）；//信道空間

CC1150_WB（DEVIATN， 0x15）；//背離

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 總結

綜上所述，通過對無源無線門鈴各個技術特點的分析，以及經過對硬件部分的實際構造，通過軟件可以精確地控制好功率以及功耗的問題，自發(fā)電模組所產生的電量足夠驅動單片機以及信號發(fā)生器發(fā)送6字節(jié)數據5遍，空曠地方傳輸距離為100米左右，信號收發(fā)十分穩(wěn)定。通過實驗證明，無源無線門鈴技術已經足夠成熟和穩(wěn)定。隨著技術的發(fā)展，創(chuàng)新成了產品的核心價值所在，加之人們越來越追求產品的智能化，越來越關注環(huán)保，所以本文研究的兩大方向：無源自發(fā)電、低功耗無線傳輸在往后的日子中應該會被越發(fā)受到關注以及重視，應該更加廣泛地應用到更多創(chuàng)新的產品上來，取代一些傳統(tǒng)的但是不合理的產品，為人們提供更好更優(yōu)質更環(huán)保的生活方式。

參考文獻

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