CN102683110A - 无线功率继电器及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线功率继电器，其特征在于所述无线功率继电器包含：外壳、电源输入端子、继电器输出端子、指示灯、射频单片机模块、电源模块以及功率继电器模块。所述无线功率继电器的电源输入端子用于连接交流电源，继电器输出端子的公共端引脚、常开端引脚和常闭端引脚用于连接负载。所述无线功率继电器一方面根据所监测到的无线封包控制功率继电器闭合或者断开，另一方面将功率继电器的当前状态进行无线反馈。

Description

无线功率继电器及其使用方法

技术领域

本发明属于工业自动化控制和无线通讯技术领域，具体涉及一种利用无线通讯技术实现对功率继电器进行自动控制的设备及其使用方法。

背景技术

继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。

传统的功率继电器控制均是采用有线的控制方式，然而，在某些人员不便进入的场合，或者继电器远程分布在多处的情况下，有线控制方式就显得不适合。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种无线功率继电器及其使用方法，解决了在某些人员不便进入的场合，或者功率继电器远程分布在多处的情况下，远程控制功率继电器的问题。

为了解决现有技术中的这些问题，本发明提供的技术方案是：

一种无线功率继电器，其特征在于：所述无线功率继电器由外壳、电源输入端子、继电器输出端子、指示灯、射频单片机模块、电源模块、功率继电器模块组成，所述的电源输入端子用于连接交流电流，继电器输出端子用于连接负载，所述的指示灯由信号指示灯、状态指示灯和报警指示灯组成，所述的射频单片机模块用于监测空气中无线封包的状态，若监测到控制命令封包，则解析封包中的内容，并根据其内容控制功率继电器模块的闭合或断开，由状态指示灯表示继电器模块的闭合和断开，射频单片机模块若监测到状态查询封包，则将继电器模块当前的状态进行无线反馈，所述的功率继电器模块的功能还在于：若发生异常断开或者闭合现象，功率继电器模块将及时无线发送异常现象，并且点亮报警指示灯。

优选的，所述的无线功率继电器，其特征在于为增强无线信号的传输距离和穿透能力，射频单片机模块的射频端口需增添射频功放电路模块。

作为优选的，所述的射频功放电路模块，其特征在于除射频功放芯片之外还需包含两个通道选择开关，用于切换射频信号的发送和接收。

优选的，所述无线功率继电器其特征在于电源模块包含AC-DC功率转化芯片，用于将交流电源转换为直流电源。

优选的，所述无线功率继电器，其特征在于电源模块包含整流、滤波、变压和稳压电路模块，提供功率继电器模块中继电器线圈和射频功放模块的射频功放所需的直流电压。

优选的，所述的无线功率继电器，其特征在于电源模块还包含电源管理芯片，将直流电压降压至射频单片机所需的工作电压。

优选的，所述的无线功率继电器，其特征在于射频单片机模块的外部连接高频石英晶体振荡器。

优选的，所述的无线功率继电器，其特征在于射频单片机模块的射频端口连接巴伦电路、阻抗匹配电路和天线。

作为优选的，所述的功率继电器具有公共端引脚、常开端引脚和常闭端引脚。

本发明的另一目的在于提供一种无线功率继电器的使用方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：

（1）将无线功率继电器的电源输入端子连接交流电源；

（2）将无线功率继电器的继电器输出端子连接负载：公共端连接负载电源，常开端或者常闭端连接负载正极；

（3）无线功率继电器上电后信号指示灯周期性闪烁，其射频单片机一直处于监测空气中无线封包的状态；

（4）若监测到控制命令封包，则解析封包中的内容，并且根据其内容控制继电器闭合或者断开，状态指示灯点亮和熄灭分别表示继电器闭合和断开；

（5）若监测到状态查询封包，则将继电器当前的状态进行无线反馈；

（6）若发生异常断开或者闭合现象，无线功率继电器将及时无线发送异常现象，并且点亮报警指示灯。

相对于现有技术中的方案，本发明的优点是：低成本、传输距离远、穿透能力强，接口设计和高层协议相对比较简单，更适合于远距离控制功率继电器，方便快捷地实现对终端负载的自动化控制。 

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1是本发明的实施例中无线功率继电器结构框图；

图2为本发明的实施例中电源模块电路原理图；

图3为本发明的实施例中射频单片机模块电路原理图；

图4为本发明的实施例中功率继电器模块控制原理图；

图5为本发明的实施例中无线功率继电器的工作流程图；

具体实施方式

以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本发明而不限于限制本发明的范围。实施例中采用的实施条件可以根据具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。

实施例  一种无线功率继电器

如图1，本实施例的无线功率继电器采用如图1所示的结构，其中包含：外壳1、电源输入端子2、继电器输出端子（其中包括公共端引脚3、常开端引脚4、常闭端引脚5）、指示灯、射频单片机模块、电源模块以及功率继电器模块。其中，无线功率继电器的外壳尺寸为82*50*32MM。电源输入端子为2 PIN 绿色凤凰端子，置于外壳外部左侧，用于连接85~265 V交流电源。继电器输出端子为3 PIN 绿色凤凰端子，置于外壳外部右侧，用于连接负载。负载最大交流电压为277V AC，最大直流电压为30V，最大电流为10A。信号指示灯为红色，置于外壳外部左侧，无线功率继电器上电后该指示灯将每隔2S闪烁一次。状态指示灯和报警指示灯分别为绿色和黄色，均置于外壳外部右侧，状态指示灯点亮和熄灭分别表示功率继电器闭合和断开。当发生异常情况时，报警指示灯点亮，异常解除时报警指示灯熄灭。射频单片机模块、电源模块和功率继电器模块等均置于外壳内部。

以下对无线功率继电器各个部分进行详细描述：

为增强无线信号的传输距离和穿透能力，射频单片机模块的射频端口增添射频功放电路模块。射频功放电路模块除射频功放芯片之外还包含两个通道选择开关，T/R开关10和T/R开关11用于切换射频信号的发送和接收。其具体电路连接方式如图3所示。

本实施例采用的电源模块包含AC-DC功率转化芯片，以及整流、滤波、变压和稳压电路模块，用于将交流电源转换为直流电源，提供功率继电器模块中的继电器线圈和射频功放模块的射频功放所需的直流电压。AC-DC功率转化芯片的型号为LNK625，其具体电路连接方式如图2所示。

如图2所示无线功率继电器的电源模块采用220V AC输入，因为功率继电器线圈工作电压和射频低噪声放大器的工作电压均为5V DC，所以使用带初级侧精确恒压控制的高效能、离线式开关芯片LNK625进行交直流电压转换。LNK625采用了革新的控制技术，无需光耦器和次级恒压控制电路，且能提供极为严格的输出电压调节，因此可大大简化低功率恒压转换器的设计。芯片内集成了一个700 V功率MOSFET、开／关控制状态机、自偏置电路、频率调制、逐周期电流限制及迟滞热关断电路。

LNK625提供4种功能引脚，分别是：

漏极(D)引脚：功率MOSFET的漏极连接点。在开启及稳态工作时提供内部操作电流。

旁路(BP)引脚：一个外部旁路电容连接到这个引脚，用于生成内部6 V的供电电源。

反馈(FB)引脚：在正常操作下，功率MOSFET的开关由此引脚控制。该引脚可检测偏置绕组上的AC电压。这种控制输入方式可根据偏置绕组上的反激电压来调节输出电压。

源极(S)引脚：该引脚内部连接到MOSFET的源极，用于高压功率的返回节点及控制电路的参考点。

使用LNK625设计而成的2路输出初级侧稳压反激式电源电路如图1所示。在110V AC/220 V AC输入条件下，效率超过67%；在220 VAC输入条件下，空载输入功率小于140 mW。

220V AC输入电压由二极管D1至D4进行桥式整流。整流后由大容量电容C1和C2进行滤波。电感L1、C1和C2组成一个π 型滤波器，对差模传导EMI 噪声进行衰减。这种配置使得本设计在无需使用Y电容的情况下能够满足EMI标准EN55022 B级要求，并具有较大得裕量。保险丝F1提供严重故障保护。

LNK625集成了功率开关器件、振荡器、恒压控制引擎、启动以及保护功能。集成的700 V MOSFET在通用输入AC应用中可提供很大的漏极电压裕量，可通过使用更大的变压器匝数比，提高可靠性，并减小输出二极管的电压应力。该器件可通过旁路引脚和退耦电容C8完全实现自供电。本设计添加了一个偏置电路（D7、C7及R5），将空载输入功耗降至140 mW以下。经整流及滤波的输入电压加在变压器T初级绕组的一侧。LNK625中集成的MOSFET驱动变压器初级绕组的另一侧。D5、R1、R2和C3组成箝位电路，对漏感引起的漏极电压尖峰进行限制。

变压器的次级由D6进行整流，为降低高频率振荡及相关的辐射EMI，在D6上添加了由R3和C4组成的RC缓冲电路。整流后由大容量电容C5和C6进行滤波。电感L2、C5和C6组成一个π 型滤波器。

LNK625使用开／关控制来调节输出，具体方法是根据反馈引脚上的采样电压使能或禁止开关周期。输出电压检测是由变压器T上的初级参考绕组来执行的，无需光耦器和次级检测电路。由R7和R8组成的电阻分压器将绕组电压馈入LNK625。标准的1%电阻值用于将额定输出电压控制在中心位置。电阻R6及C8可产生与连续使能开关周期成比例的偏置电压，从而减少群脉冲现象的发生。

所述电源模块还包含电源管理芯片，其型号为ASM117-3.3，将直流电压降压至射频单片机所需的工作电压3.3V。

如图3所示，本实施例采用的射频单片模块中射频单片机型号为CC1110F16，射频工作频段为433MHz。其外部连接高频石英晶体振荡器，频率为26MHz，封装为3225。射频单片机模块的射频端口连接巴伦电路6、阻抗匹配电路7和433MHz弹簧天线8。

射频单片机模块的微处理器采用美国德州仪器公司出品的CC1110射频单片机芯片，CC1110是一种低成本真正的无线SOC，为低功耗无线应用而设计。这个芯片包含了一个标准的增强型8051MCU和一个无线收发芯片CC1100 被封装在一个6×6mm的芯片中。8051MCU自带32K Flash和4K RAM。无线通信主要工作在315、433、868和915MHz的ISM（工业，科学和医 学）和SRD（短距离设备）频率波段，在ISM频段可自由地设置为300-348 MHz、391-464 MHz和728-928 MHz。 

CC1110射频收发器集成了一个高度可配置的调制解调器。这个调制解调器支持不同的调制格式，其数据传输率可达500kbps。通过开启集成在调制解调 器上的前向误差校正选项，能使性能得到提升。CC1110为数据包处理、数据缓冲、突发数据传输、清晰信道评估、连接质量指示和电磁波激发提供广泛的硬件支持。另外，CC1110还包含模拟数字转换器(ADC)、定时器（Timer）、AES128协同处理器、看门狗定时器（Watchdog Timer）、32 kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路(Power On Reset)、掉电检测电路(Brown Out Detection)以及21个可编程I/O引脚。

CC1110射频单片机芯片睡眠模式下0.3uA 的电流消耗。可编程数据传输率可以高至500kBaud，当速率为1.2kBaud时，CC1110在接收和发射模式下，电流损耗分别低于16.2 mA或16 mA。CC1110的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性，特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。最高灵敏度达－110dBm，可编程射频输出功率最高为10dBm。

CC1110芯片只要极少数外围元件就能够搭建稳定可靠且功耗低的SoC，大大简化了RF电路的设计过程。设计的传感器节点工作在433 MHz频段。图3是CC1110配合射频功放应用的参考设计，主要由CC1110芯片、射频匹配电路、T/R开关、射频功放和其他外围元件组成。

CC1110的供电电压为3.3V，芯片背面底部需要接地。R1为直流偏置电阻，C7为去耦电容。巴伦电路6由L1、L2、C1和C2组成，实现平衡与不平衡变换。阻抗匹配电路7由L3、L4、C4、C5和C6组成，用来匹配芯片输入、输出阻抗，使其输入、输出阻抗为50 Ω，同时，为芯片内部的PA(功率放大器)及LNA(低噪声放大器)提供直流偏置。CC1110的RF信号采用差分方式，在433 MHz频段，其最佳差分阻抗为116+j41 Ω。T/R开关用来切换射频发送和接收，当发送数据封包时，T/R开关切换至发送（T）状态，使射频信号经过射频功放（PA）实现功率放大；当接收数据封包时，T/R开关切换至接收（R）状态，此时射频信号无需经过射频功放，可以直接由CC1110接收。

图4为功率继电器模块控制原理图，其中功率继电器模块中功率继电器的型号为HF3FF，具有一组常开触点和一组常闭触点，最大切换电压为277V AC和30V DC，最大切换电流为10A，线圈的额定电压为5V，动作电压为3.8 V。

图中RELAY_CTRL连接至射频单片机模块的I/O端口，该端口高电平时，三极管Q1导通，三极管Q2导通，功率继电器的线圈上电，功率继电器闭合；RELAY_CTRL端口低电平时，三极管Q1截止，三极管Q2截止，功率继电器的线圈失电，功率继电器断开。

本实施例射频单片机模块中驱动软件使用IAR软件平台编写，无线功率继电器的工作流程图如图5所示。具体使用方法包括以下步骤：

（1）将无线功率继电器的电源输入端子连接交流电源；

（2）将无线功率继电器的继电器输出端子连接负载：公共端引脚5连接负载电源，常开端引脚4或者常闭端引脚3连接负载正极；

（3）无线功率继电器上电后信号指示灯周期性闪烁，其射频单片机一直处于监测空气中无线封包的状态；

（4）若监测到控制命令封包，则解析封包中的内容，并且根据其内容控制继电器闭合或者断开，状态指示点亮和熄灭分别表示继电器闭合和断开；

（5）若监测到状态查询封包，则将继电器当前的状态无线反馈至远程的控制中心；

（6）若发生异常断开或者闭合现象，无线功率继电器及时将异常现象无线发送到远程控制中心，并且点亮报警指示灯。

该处理具有一个起点，如块12所示，块13表示将无线功率继电器的电源输入端子连接交流电源，块14表示将无线功率继电器的继电器输出端子连接负载：公共端引脚连接负载电源，常开端引脚或者常闭端引脚连接负载正极，块15表示接下来初始化无线信号继电器的硬件和软件。

无线功率继电器上电后信号指示灯周期性闪烁，其射频单片机一直处于监测空气中无线封包的状态，如块16所示，若监测到控制命令封包，则解析封包中的内容，如块22所示，并且根据其内容控制继电器闭合或者断开，如块25、26所示，状态指示灯点亮和熄灭分别表示继电器闭合和断开，如块27、28所示；若监测到状态查询封包，则将继电器当前的状态无线反馈至远程控制中心，如块23所示。

若发生异常断开或者闭合现象，如块16所示无线信号继电器及时将异常现象无线发送至远程控制中心，如块17所示，并且点亮报警指示灯；若未发生异常断开或闭合现象但发生了超时现象，如块18所示，则信号指示灯闪烁，如块19所示；若未发生超时现象则监测无线封包，如块20所示。

上述实例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人是能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

综上所述：本发明的优点在于：无线功率继电器不但节省电缆及工程量，而且迅速及时。使用全球免费的433MHz ISM频段，无网络使用费用，也不会受制于公用网络的流量、阻塞等，而且维护成本低。 

Claims (10)

1.一种无线功率继电器，其特征在于：所述无线功率继电器由外壳、电源输入端子、继电器输出端子、指示灯、射频单片机模块、电源模块、功率继电器模块组成，所述的电源输入端子用于连接交流电源，继电器输出端子用于连接负载，所述的指示灯由信号指示灯、状态指示灯和报警指示灯组成，所述的射频单片机模块用于监测空气中无线封包的状态，若监测到控制命令封包，则解析封包中的内容，并根据其内容控制功率继电器模块的闭合或断开，由状态指示灯表示继电器模块的闭合和断开，射频单片机模块若监测到状态查询封包，则将继电器模块当前的状态进行无线反馈，所述的功率继电器模块的功能还在于：若发生异常断开或者闭合现象，功率继电器模块将及时无线发送异常现象，并且点亮报警指示灯。

2.根据权利要求1所述的无线功率继电器，其特征在于射频单片机模块的射频端口增添射频功放电路模块，射频功放电路模块内设射频功放芯片用来增强无线信号的传输距离和穿透能力。

3.根据权利要求1所述的无线功率继电器，其特征在于电源模块包含AC-DC功率转化芯片，用于将交流电源转换为直流电源。

4.根据权利要求2所述的无线功率继电器，其特征在于电源模块包含整流、滤波、变压和稳压电路模块，提供功率继电器模块中继电器线圈和射频功放模块的射频功放所需的直流电压。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的无线功率继电器，其特征在于电源模块还包含电源管理芯片，将直流电压降压至射频单片机所需的工作电压。

6.根据权利要求1或2所述的无线功率继电器，其特征在于射频单片机外部连接高频石英晶体振荡器。

7.根据权利要求1或2所述的无线功率继电器，其特征在于射频单片机模块的射频端口连接巴伦电路、阻抗匹配电路和天线。

8.根据权利要求2所述的射频功放电路模块，其特征在于还包含两个通道选择开关，用于切换射频信号的发送和接收。

9.根据权利要求1所述的无线功率继电器，其特征在于所述的无线功率继电器具有公共端引脚、常开端引脚和常闭端引脚。

10.一种利用权利要求1或2或9所述的设备进行无线继电器控制的使用方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：

（1）将无线功率继电器的电源输入端子连接交流电源；

（2）将无线功率继电器的继电器输出端子连接负载：公共端引脚连接负载电源，常开端引脚或者常闭端引脚连接负载正极；

（3）无线功率继电器上电后信号指示灯周期性闪烁，其射频单片机模块中的射频单片机一直处于监测空气中无线封包的状态；

（4）若监测到控制命令封包，则解析封包中的内容，并且根据其内容控制继电器闭合或者断开，状态指示点亮和熄灭分别表示继电器闭合和断开；

（5）若监测到状态查询封包，则将功率继电器模块当前的状态进行无线反馈；

（6）若发生异常断开或者闭合现象，功率继电器模块将及时无线发送异常现象，并且点亮报警指示灯。

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