CN204462814U - 一种自供电的无线开关 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种自供电的无线开关。本实用新型包括发电装置、电源管理单元、按键控制开关、微控单元和射频发射单元。所述发电装置包括永磁体、软磁材料、线圈、铁芯和填充物。所述电源管理单元主要由整流电路，储能电路和稳压电路构成。所述的射频发射电路与微控制单元SPI通信连接，按键控制开关按下后，发电装置产生电能，经电源管理单元，供微控单元和射频发射单元使用，射频发射单元发射一个无线控制信号；接收器收到该信号后，控制家用电器的开关。本实用新型可以在近距离内通过无线技术控制家用电器，而且无需电池，大量的减少了电缆的布局，智能、环保。特别适合智能装修、工业控制、桥梁检测等领域。
Description
技术领域
本实用新型属于物联网技术领域，涉及了一种无需电池供电，可以采集环境中的微小能量供无线开关使用。
背景技术
随着物联网技术在智能家居以及智能建筑领域的不断发展，无线射频传感器得到了越来越广泛的应用。无线传感器是无线传感器网络最基本的组成部分,其体积微小,自身携带的电池能量有限,不能满足长期工作需要。在实际应用中,无线传感器具有数量多、分布区域广、部署环境复杂等特点。对于人员不能直接到达的某些区域,很难通过更换电池的方式获取能量。
传统的传感器和控制需要家用电或者是电池供电。会导致使用成本增加、引发严重的污染，尤其是在一些展会、博物馆、古街、老式宅院等应用场合，如果布线不当，甚至容易引发火灾。由于微功率传感器和控制开关的功耗很小，因而可以考虑通过压力振动的方式来收集机械能，并将机械能转化为电能，供微功率传感器和控制开关使用。
发明内容
本实用新型的目的就是针对现有技术的不足，提供了一种可以利用环境中微小机械能的自供电无线开关，其结构简单、体积小、无需布线、智能环保。
本实用新型所采用的技术方案是：
本实用新型包括发电装置、电源管理单元、按键控制开关、微控单元和射频发射单元。
所述发电装置包括永磁体、软磁材料、线圈、铁芯和填充物。所述永磁体的两个端面分别与软磁材料相连接，辅以填充物，构成一个长方体型磁体；铁芯为“E”型铁片，线圈缠绕在“E”型铁芯的中间铁片上；长方体型磁体相对于“E”型铁芯上下滑动，分别与“E”型铁芯的上下两个回路接触，改变线圈的磁通量，从而将机械能转换为电能。
所述电源管理单元主要由整流电路，储能电路和稳压电路构成；所述的整流电路主要是由四个具有低导通电压的二极管组成，将来自发电装置的交流电整流成直流电；所述的储能电路由若干个电解电容组成；所述的稳压电路采用低压差线性稳压芯片。
所述的射频发射电路与微控制单元SPI通信连接，按键控制开关按下后，发电装置产生电能，经电源管理单元，供微控单元和射频发射单元使用，射频发射单元发射一个无线控制信号；接收器收到该信号后，控制家用电器的开关。
进一步说，在“E”型铁芯或长方体型磁体底部连接有一个弹性装置。
进一步说，所述弹性装置为弹簧或者弹片。
进一步说，所述长方体型磁体的构成方式为永磁体的端面与软磁材料的侧面相连接，永磁体和软磁材料四周的缝隙添加填充物，组成一个光滑的长方体。
本实用新型的有益效果：本实用新型可以有效的将机械能转电能装置和无线通信技术有效的结合起来。在物联网领域，特别是智能家居领域有着重要的应用，例如上述两者的有效结合使无线无源开关得以实现，这将替代传统的开关按钮。无线无源开关的使用将大量减少线缆布设、金属使用、电池更换、污染物排放所带来的建筑开销。 当然自供电的无线开关不局限于在智能家居领域的应用，而是可以普遍使用，可能的应用在其它领域，比如工业控制、桥梁检测、车辆检测等，具有非常广阔的前景。
附图说明
图1为自供电的无线开关的整体结构图；
图2为发电装置第一实施图例；
图3为发电装置第二实施图例；
图4为电源管理硬件电路；
图5为信号控制、发射硬件电路。
具体实施方式
为了更清楚的阐述本实用新型的目的、技术方案和优点，一下结合附图和实施例对本实用新型进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本实用新型，而不是限定本实用新型。
图1为本实用新型的整体结构图，主要包括发电装置20、电源管理单元30、按键控制开关10、微控单元11和射频发射单元12。当控制开关按下后，发电装置20产生电能后，经电源管理单元30处理，供微控单元11和射频发射单元12使用，发射一个无线控制信号。接收器收到该信号后，控制家用电器的开关。
本实用新型的发电装置如图2所示，包括永磁体1、软磁材料2-1、2-2、线圈3、铁芯、弹性装置5和填充物6。永磁体与软磁材料连接方式有四种，分别是：1、永磁体的端面与软磁材料的侧面相连；2、永磁体的端面与软磁材料的端面相连；3、永磁体的侧面与软磁材料的侧面相连；4、永磁体的侧面与软磁材料的端面相连。方案1较其它方案而言，永磁体磁性的端面磁性较侧面强，软磁材料的侧面较端面的接触面更大，因而方案1中软磁材料可以被充分的磁化，效果最佳。永磁体和软磁材料的接触周围需填充部分填充物6，组成一个光滑的长方体，这样一方面可以防止永磁体被损坏，另一方面也便于磁体的上下滑动。在滑动过程中始终只有软磁材料与铁芯接触，可以防止永磁体与铁芯频繁接触而被磨损，从而影响永磁体的寿命。当间隙较小时，磁力足够大且外力达到要求，一般可以认为磁铁与铁芯的相对位置只有两种：1、磁铁的上下两片软磁材料分别与铁芯的上端和中间一端相连；2、磁铁的上下两片软磁材料分别与铁芯的中间一端和下端相连。在图1所示的状态中，线圈3、铁芯和弹性装置5相对固定，初始状态下，软磁材料2-1与铁芯的上端4-1相接触，软磁材料2-2与铁芯的中间4-2相连。该状态下，由于空气中的磁阻比软磁材料2和铁芯大得多，“E”型磁铁的下端相当于磁路断开，绝大部分磁力线都从软磁材料2和铁芯的回路中通过，线圈3中的磁感线方向如图1的箭头所示。
图3是在外力的作用下，长方体型磁体与“E”型铁芯的下端接触的状态。图中，软磁材料2-1和铁芯的中间部分4-2相连，软磁材料2-2和铁芯的下端4-3相连。此时，“E”型磁铁的上端相当于磁路断开，绝大部分磁力线都从软磁材料2和铁芯的回路中通过，线圈3中的磁感应线正好与图2中的相反，这样线圈3中的磁通量发生了较大的变化，根据电磁感应原理，当线圈3的面积较大、匝数较多时，会产生一个较大的电流，该电流经过整流稳压后可以供微功率设备使用。此时，由于弹性装置5的形变，也储存了一定的机械能，当外力消失后，弹性装置5会将长方体型磁体弹向图1所述的位置，该过程中线圈3中的磁感应线方向再次发生变化，再次产生一个较大的电流。可见，与没有弹性装置5相比，发电效率提高了一倍，但是也使得装置更加发杂，在具体实施过程中，可以根据实际情况进行调整。
连接在发电装置后一级的是电源管理单元，如图4所示。电源管理单元一方面采集、存储来自发电装置的电能；另一方面给连接在后级的微控单元、射频发射单元供电。电源管理单元主要由整流电路、储能电路和稳压电路构成。感应线圈产生的感应电压是交流电，经过桥式整流电路对储能电路充电，最后的稳压是很有必要的，它可以在储能元件放电的过程中，产生短时间的恒定电压来驱动后面的微控电路和射频发射电路。其中，整流电路采用全波整流桥。全波整流电路能通过二极管改变输入波形中所有极性为负的另一半周期，脉动性为半波整流电路的一半，电流平滑，整流效率是单相半波整流的二倍。对于整流二极管的选取也是有讲究的，它的正向导通电压越低越好，这样可以减少能量在整流过程中的损失，提高转换效率。这里我们可以选择肖特基二极管，它的正向导通电压为0.3V。 储能元件采用电解电容，它为一种短期的储能元件，适用于为瞬时功率较大的系统提供电能。稳压电路，可以采用TI公司的超低压差线性稳压芯片，这里我们可以选择TPS62231，它的转化效率高达94%，外围原件少，启动时间较短，可以用来驱动后级电路。
最后一级的信号控制、发射电路如图5所示，主要是由微控制芯片STM8L和射频发射芯片CC1101组成。它们的工作电压较低，最低工作电压仅为1.8V，两者通过SPI通讯，可以将按动按键所产生的开、关或是调光信号传递给微控芯片，进而通过射频芯片和发射天线将信号传送出去。这里我们将射频发射功率设为-10dBM ,这样使得芯片在发射状态时的工作电流减少到14mA，减少了能量的消耗，保证了每次能稳定的发射信号，增加自供电无线发射器的可靠性。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围内。
Claims (4)
1.一种自供电的无线开关，包括发电装置、电源管理单元、按键控制开关、微控单元和射频发射单元，其特征在于：
所述发电装置包括永磁体、软磁材料、线圈、铁芯和填充物：所述永磁体的两个端面分别与软磁材料相连接，辅以填充物，构成一个长方体型磁体；铁芯为“E”型铁片，线圈缠绕在“E”型铁芯的中间铁片上；长方体型磁体相对于“E”型铁芯上下滑动，分别与“E”型铁芯的上下两个回路接触，改变线圈的磁通量，从而将机械能转换为电能；
所述电源管理单元主要由整流电路，储能电路和稳压电路构成；所述的整流电路主要是由四个具有低导通电压的二极管组成，将来自发电装置的交流电整流成直流电；所述的储能电路由若干个电解电容组成；所述的稳压电路采用低压差线性稳压芯片；
所述的射频发射电路与微控制单元SPI通信连接，按键控制开关按下后，发电装置产生电能，经电源管理单元，供微控单元和射频发射单元使用，射频发射单元发射一个无线控制信号；接收器收到该信号后，控制家用电器的开关。
2.根据权利要求1所述的一种自供电的无线开关，其特征在于：在“E”型铁芯或长方体型磁体底部连接有一个弹性装置。
3.根据权利要求2所述的一种自供电的无线开关，其特征在于：所述弹性装置为弹簧或者弹片。
4.根据权利要求1所述的一种自供电的无线开关，其特征在于：所述长方体型磁体的构成方式为永磁体的端面与软磁材料的侧面相连接，永磁体和软磁材料四周的缝隙添加填充物，组成一个光滑的长方体。
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