CN102709115A - 无线信号继电器及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线信号继电器，其特征在于所述无线信号继电器包含：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、电源模块以及信号继电器模块。所述无线信号继电器的电源输入端子用于连接直流电源，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。所述无线信号继电器一方面根据所监测到的无线封包控制信号继电器闭合或者断开，另一方面将信号继电器的当前状态或者负载功耗无线反馈给远程的控制中心。

Description

无线信号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信号继电器进行自动控制和监测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。

传统的信号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信号继电器及其使用方法，解决了在某些人员不便进入的场合，或者信号继电器远程分布在多处的情况下，远程控制信号继电器的问题。

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：

一种无线信号继电器，其特征在于所述无线信号继电器包含：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、电源模块以及信号继电器模块组成，所述的电源输入端子用于连接直流电源，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，若监测到功耗检测封包，则将负载当前工作电流值进行无线反馈，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发送异常现象，并且点亮报警指示灯。

优选的，所述无线信号继电器其特征在于电源模块包含5V电压输出的电源管理芯片，用于提供继电器线圈和射频功放所需的直流电压。

优选的，所述无线信号继电器，其特征在于电源模块包含整流、滤波、变压和稳压电路模块，提供射频功放所需的直流电压。

优选的，所述的无线信号继电器，其特征在于电源模块还包含3.3V电压输出的电源管理芯片，用于提供射频单片机所需的工作电压。

优选的，所述的无线信号继电器，其特征在于射频单片机模块外部连接高频石英晶体振荡器。

优选的，所述的无线信号继电器，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。

优选的，所述的无线信号继电器，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，所述的信号继电器具有公共端引脚、常开端引脚和常闭端引脚。

作为优选的，所述的无线信号继电器，其特征在于为检测负载功耗，需在无线信号继电器的常闭端增添电流监测模块。

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

（1）将无线信号继电器的电源输入端子连接直流电源；

（2）将无线信号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）无线信号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）若监测到功耗检测封包，则将负载当前工作电流值进行无线反馈；

（7）若发生异常断开或者闭合现象，无线信号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信号继电器，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信号继电器结构框图；

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功放电路模块原理图；

图4为本发明的实施例中信号继电器模块控制原理图；

图5为本发明的实施例中无线信号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  一种无线信号继电器

如图1，本实施例的无线信号继电器采用如图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(由公共端引脚3、常开端引脚4、常闭端引脚5组成)、指示灯、射频单片机模块、电源模块以及信号继电器模块。其中，无线信号继电器的外壳1的尺寸为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24V或者12V直流电源。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125V AC，最大交流电流为1A，最大直流电压为30V，最大直流电流为2A。信号指示灯为红色，置于外壳外部左侧，无线信号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信号继电器闭合和断开。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、电源模块和信号继电器模块等均置于外壳内部。

以下对无线照度测量系统各个部分进行详细描述：

本实施例采用的电源模块包含5V电压输出的电源管理芯片，用于提供射频功放所需的直流电压，详细电路如图2所示。

图2中LM2576的特性如下：有3.3V、5V、12V、15V和可调电压输出多种系列；输出电压可调的范围为1.23V～37V (HV型号的可达57V),负载电压的输出容差最大为±4％；最少只需要4个外围元件,可达3A的输出电流；宽的输入电压范围,HV型号甚至可达40V～60V；内部振荡器产生52KHz的固定频率；可用TTL电平关闭输出,低功耗待机模式,典型待机电流为50μA；BUCK式降压器,较高的转换效率；过热和过流保护；可实现Buck-Boost式正-负电压转换器。

LM2576的管脚定义如下：VIN-输入电压端,为减小输入瞬态电压和给调节器提供开关电流,此管脚应接旁路电容；VOUT -稳压输出端,输出高电压为（VIN-VSAT）,输出低电压为-0.5V；GND-电路地；FB -反馈端；ON/OFF-控制端,高电平有效,待机静态电流仅为75μA。

图2中C1为输入电容，该电容要选低ESR的铝或钽电容作为旁路电容,防止在输入端出现大的瞬态电压。还有,当输入电压波动较大,输出电流有较高,容量一定要选用大些,470μF--10000μF都是可行的选择;电容的电流均方根值至少要为直流负载电流的1/2;基于安全考虑,电容的额定耐压值要为最大输入电压的1.5倍。千万不要选用瓷片电容,会造成严重的噪声干扰。本实施例选用的是Nichicon的铝电解电容。

D1为续流二极管，首选肖特基二极管,因为此类二极管开关速度快、正向压降低、反向恢复时间短, 本实施例选择的型号为MBRA340T3千万不要选用1N4000/1N5400之类的普通整流管。 

L1为储能电感：建议好好看看datasheet中的电感选择曲线,要求有高的通流量和对应的电感值,也就是说,电感的直流通流量直接影响输出电流。LM2576既可工作于连续型也可非连续型,流过电感的电流若是连续的为连续型,电感电流在一个开关周期内降到零为非连续型。 

C2为输出端电容，推荐使用1μF--470μF之间的低ESR的钽电容，本实施例选择470μF钽电容。若电容值太大,反而会在某些情况（负载开路、输入端断开）对器件造成损害。输出端电容用来输出滤波以及提高环路的稳定性。如果电容的ESR太小,就有可能使反馈环路不稳定,导致输出端振荡。这几乎是稳压器的共性,包括LDO等也有这一现象。

所述电源模块还包含3.3V输出的电源管理芯片，其型号为ASM117-3.3，用于提供射频单片机所需的工作电压3.3V。

如图3所示本实施例射频单片机模块中采用的射频单片机型号为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。射频单片机的射频端口连接巴伦电路28、阻抗匹配电路29和433MHz弹簧天线30。为增强无线信号的传输距离和穿透能力，射频单片机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即T/R开关7和T/R开关8，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。

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。上图是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28由L1、L2、C1和C2组成，实现平衡与不平衡变换。阻抗匹配电路29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为信号继电器模块的控制原理图，其中信号继电器模块中的信号继电器为双线圈磁保持型双列直插式继电器，型号为HFD2/024，它采用分叉触点形式，高灵敏度、线圈功耗150mW，最大交流切换电压为250V AC，最大直流切换电压为220V DC，最大切换电流为3A，线圈的额定电压为125V AC和30V DC。

图中CTRL1和CTRL2连接至射频单片机的两个I/O端口，当CTRL1端口为高电平时，三极管Q1导通，三极管Q2导通，信号继电器的线圈31上电，信号继电器闭合；当CTRL2端口为高电平时，三极管Q3导通，三极管Q4导通，信号继电器的线圈32上电，信号继电器断开。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，功率继电器模块及时将异常现象无线发送至远程控制中心，并且点亮报警指示灯。

本实施例中的电流监测模块型号为MAX471，该芯片的信号输入端口连接信号继电器的常闭端引脚，信号输出端口连接信号继电器输出端子，它的模拟量采集端口ADC_OUT连接射频单片机的模数转换端口，用来监测当前电流值。

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，无线信号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）将无线信号继电器的电源输入端子连接直流电源；

（2）将无线信号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）无线信号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）若监测到功耗检测封包，则将负载当前工作电流值无线反馈至远程的控制中心；

（7）若发生异常断开或者闭合现象，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，并且点亮报警指示灯。

该处理具有一个起点，如块9所示，块10表示将无线信号继电器的电源输入端子连接直流电源，块11表示将无线信号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12表示接下来初始化无线信号继电器的硬件和软件。

无线信号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17所示，若监测到控制命令封包，则解析封包中的内容，如块20所示，并且根据其内容控制继电器闭合或者断开，如块24、25所示，状态指示点亮和熄灭分别表示继电器闭合和断开，如块26、27所示；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，如块21所示；若监测到功耗检测封包，则将负载当前工作电流值进行无线反馈，如块19、块22所示。

若发生异常断开或者闭合现象，如块13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14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15所示，则信号指示灯闪烁，如块16所示；若未发生超时现象则检测无线封包，如块17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：无线信号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)

1.一种无线信号继电器，其特征在于所述无线信号继电器包含：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、电源模块以及信号继电器模块组成，所述的电源输入端子用于连接直流电源，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，若监测到功耗检测封包，则将负载当前工作电流值无线反馈，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所述的无线信号继电器，其特征在于电源模块包含5V电压输出的电源管理芯片，用于射频功放所需的直流电压。

3.根据权利要求1或2所述的无线信号继电器，其特征在于电源模块还包含3.3V电压输出的电源管理芯片，用于提供射频单片机所需的工作电压。

4.根据权利要求1所述的无线信号继电器，其特征在于射频单片机模块外部连接高频石英晶体振荡器。

5.根据权利要求1所述的无线信号继电器，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。

6.根据权利要求1或2或4或5所述的无线信号继电器，其特征在于射频单片机模块的射频端口设有射频功放电路模块，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。

7.根据权利要求6所述的射频功放电路模块，其特征在于除射频功放模块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。

8.根据权利要求1所述的无线信号继电器，其特征在于无线信号继电器具有公共端引脚、常开端引脚和常闭端引脚。

9.根据权利要求8所述的信号继电器，其特征在于为监测负载功耗，在无线信号继电器的常闭端引脚增添电流监测模块。

10.一种利用权利要求1或8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）将无线信号继电器的电源输入端子连接直流电源；

（2）将无线信号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）无线信号继电器上电后信号指示灯周期性闪烁，其射频单片机模块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信号继电器模块的闭合或者断开，状态指示灯点亮和熄灭分别表示信号继电器模块的闭合和断开；

（5）若监测到状态查询封包，则将信号继电器模块当前的状态进行无线反馈；

（6）若监测到功耗检测封包，则将负载当前工作电流值进行无线反馈；

（7）若发生异常断开或者闭合现象，信号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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