CN203338121U - 基于有源rfid技术的电器开关识别和控制电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型适用于遥控开关技术领域，提供了基于有源RFID技术的电器开关识别和控制电路，包括开关控制模块、状态确认模块和有源电子标签；有源电子标签，具有唯一的身份识别码，即ID号，用于控制电器开关的通断并检测电器开关的真实状态，然后返回电器开关的ID号和状态确认信号给用户；状态确认模块，与所述有源电子标签相连，用于识别电器开关的实际状态；开关控制模块，与有源电子标签相连，用于手动或自动控制电器开关的打开和关断。所述的电器开关识别和控制电路通过有源电子标签，在对开关控制的同时能对开关真实状态检测，做到了真正的监控，且充分考虑了低功耗和小体积，方便安装在电源开关的暗盒内，方便长期使用。

Description

基于有源RFID技术的电器开关识别和控制电路

技术领域

本实用新型属于遥控开关技术领域，尤其涉及基于有源RFID技术的电器开关识别和控制电路。

背景技术

随着社会经济水平的发展，人们越来越追求舒适、便捷的生活方式，对电器开关的要求也趋向于智能化、自动化，随即涌现出了各种各样电器开关，如声控开关、光控开关、延时开关、遥控开关等等，然而这些开关都是近距离的控制。当人在附近，通过各种方式控制开关动作，连接在开关上的电器状态随即发生变化，这些变化是能够及时被人感知到的，因此近距离的开关控制无须要“监视”。但是当对电器开关进行远程网络控制时就出现了一个新问题，即触发控制开关后，人不在现场，遥控连接的开关是否真正动作了，不得而知。在办公室或者家居的场合，当人们出差在外或者离开了办公室以后，需要知道一些重要电器（如空调）开关的状态，能够确认电源开关的关闭状态，以避免天气等环境变化引起电器的损坏。家居或者办公环境，一般都会有较多的电器开关节点，需要清楚地知道如何识别和区分。可见网络遥控的电器开关不但需要控制，还需要识别和监视，做到真正的监控，才能够增加这种遥控开关的实用性。

现有的无线遥控开关所采用的技术有蓝牙技术、ZigBee技术和无线电遥控技术等。蓝牙技术、ZigBee技术实现对开关的控制电路复杂；无线电遥控技术一般有高频（315MHz或433MHz)和超高频(2.4GHz)之分，其中高频无线遥控技术容易受到干扰，不能对更多的开关进行同时控制。

现有的遥控开关技术，都能实现对电器开关的控制，但是没有注意到对开关的监视，不能查询开关的真实状态，从而不能确认开关的实际状态，阻碍了这些技术在远程监控的实际应用。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于提供基于有源RFID技术的电器开关识别和控制电路，旨在解决电器开关的状态不能实现远程识别和监视的问题。

本实用新型是这样实现的，基于有源RFID技术的电器开关识别和控制电路，包括开关控制模块、状态确认模块和有源电子标签；

开关控制模块，用于手动或自动控制电器开关的打开和关断；

状态确认模块，与所述有源电子标签相连，用于识别电器开关的实际状态并把识别到的状态反馈给所述有源电子标签；

有源电子标签，与所述开关控制模块相连，具有唯一的身份识别码ID号，用于控制所述开关控制模块的动作并把电器开关的ID号和所述状态确认模块识别到的状态通过无线通讯网络反馈给外部RFID读写器。

进一步地，所述开关控制模块包括手动开关、自动开关、继电器、三极管T1和限流电阻R1；

所述手动开关与电器相连，用于手动控制电器的打开和关断；

所述继电器的一端为电源输入端，另一端接三极管T1的集电极，所述继电器的触动点用于吸合或断开所述自动开关；

所述三极管T1的发射极接地，基极接限流电阻R1的一端，所述限流电阻R1的另一端接有源电子标签的输出接口；通过来自所述有源电子标签的输出接口的电平变换来控制所述继电器的吸合与断开从而实现远程控制电器的自动打开和关断。

进一步地，所述状态确认模块包括交流光耦、可重复触发单稳态电路、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电容C3、电容C4和三极管T2；

所述交流光耦的第一引脚通过电阻R2与接入电器的零线端相连，第二引脚通过电阻R3与接入电器的火线端相连，第三引脚接地，第四引脚通过电阻R4接电源输入端；

所述可重复触发单稳态电路的第一引脚接地，第二引脚和交流光耦的第四引脚同时接三极管T2的基极，第三引脚通过电阻R6、电阻R7后接地，第四引脚与第八引脚相连且接电源输入端，第五引脚通过电容C3接地，第六引脚与第七引脚相连后通过电容C4接地，第八引脚通过电阻R5、电容C4后接地；

所述三极管T2的发射极接地，集电极与电阻R5和电容C4之间的节点相连，电阻R6、电阻R7的节点接有源电子标签的输入接口。

进一步地，所述有源电子标签包括主控模块、无线收发模块和电源模块；所述主控模块与所述无线收发模块相连，所述电源模块与所述主控模块相连，用于供电。

进一步地，所述主控模块为低功耗单片机；所述低功耗单片机的CE、CSN、SCK、MISO、MOSI和IRQ引脚用于控制无线收发模块，有源电子标签的输入接口input引脚用于检测电器开关的实时状态；有源电子标签的输出接口output引脚用于驱动继电器。

进一步地，所述低功耗单片机内部具有EEPROM，所述EEPROM用于储存电器开关的ID号和开关的状态信息。

进一步地，所述电源模块包括开关电源单元和稳压芯片；所述开关电源单元将交流电转化为直流5伏电压，所述稳压芯片的第一引脚与开关电源单元相连且通过电容C01接地，第二引脚直接接地，第三引脚通过电容C02接地且为电压输出端，将5伏电压转为3.3伏稳定电压。

本发明还提供基于有源RFID技术的电器开关监控系统，包括：

如上任一项所述的电器开关识别和控制电路，用于识别和控制电器开关；

RFID读写器，通过无线通讯网络与所述电器开关识别和控制电路相连，用于读出或写入电器开关的状态信息；以及

计算机，与所述RFID读写器相连，通过计算机的网络控制界面采集电器开关ID号和状态信息并通过网络对电器开关进行控制。

本实用新型所述的有源RFID技术的电器开关识别和控制电路通过开关控制模块实现了手动开关和遥控开关的相互独立，互不影响；且通过有源电子标签电路，在对开关控制的同时实现了对开关真实状态的检测，做到了真正的监控；主控模块部分借用了有源RFID技术，在能够识别大量电子标签的技术上，充分考虑了低功耗和小体积，方便安装在电源开关的暗盒内，方便长期使用。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的有源RFID系统原理图；

图2是本实用新型实施例提供的有源电子标签监控开关系统图；

图3是本实用新型实施例提供的开关控制模块的电路图；

图4是本实用新型实施例提供的状态确认模块的电路图；

图5a是图4中交流光耦中第4引脚输出的高电平波形图；

图5b是图4中可重复触发单稳态电路中第8引脚输出的波形图；

图6是本实用新型实施例提供的主控模块中低功耗单片机的连线图；

图7是图6中低功耗单片机的工作流程图；

图8是本实用新型实施例提供的无线收发模块的电路连线图；

图9是本实用新型实施例提供的无线收发模块中数据包的存储形式图；

图10是本实用新型实施例提供的电源模块的电路图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实用新型的电器开关识别和控制电路通过有源电子标签控制电器开关的通断，同时检测电器开关的真实状态，然后再通过与RFID读写器连接的计算机上网，返回一个开关的ID号和状态确认信号，这样用户在远程就能够知道电器开关的状态，实现网络对电器开关的远程监控；用户也可以在远程通过“刷新”命令，获得各个电器电源开关的真实状态，有针对性地控制各电源开关，从而真正做到对电器开关的监控，避免连接在开关上的电器的损坏，同时也是一种节电、节能的手段。

本实用新型通过2.4GHz频率的RFID（Radio Frequency Identification，射频识别）技术，设计完成一种能够控制并检测电器开关的有源电子标签，通过计算机网络实现了对电器的开关监控，同时具有低功耗、小体积的特点，从而大大提高了系统在远程应用的实用性，而且符合物联网的发展趋势，有着广阔的市场前景。

RFID有源电子标签技术原理如图1所示，有源电子标签101具有唯一的身份识别码（即ID号），一些有源电子标签内部还集成了传感器和少量简单控制接口。在RFID读写器102的有效工作范围内，RFID读写器102可以和多个有源电子标签进行信息交互；RFID读写器102和计算机103以及计算机网络中的控制界面相连，从而用户可以通过网络控制界面实时采集各有源电子标签的ID号和测量数据，以及实现对有源电子标签接口的控制。随着嵌入式计算机的发展，ARM计算机具有低功耗、小体积、可以长期运行等特点，这种RFID系统的应用将更加广泛。

所述的电器开关识别和控制电路按照有源RFID技术设计，充分考虑了电路的低功耗，小体积，可以安装在现有的86型等开关暗盒内；同时考虑了开关远程控制和原有手动控制两个功能相互独立，互不影响，加装方便。可应用于各种需要网络监控电器开关的场合。

如图2所示，基于有源RFID技术的电器开关识别和控制电路，包括开关控制模块203、状态确认模块202和有源电子标签201。所述有源电子标签201，具有唯一的身份识别码，即ID号，用于控制所述开关控制模块203的动作并把电器开关的ID号和所述状态确认模块202识别到的状态通过无线通讯网络、以及计算机网络把电器开关的ID号和状态确认信号通过外部RFID读写器反馈给用户。所述状态确认模块202，与所述有源电子标签201相连，用于识别电器开关的实际状态并把识别到的状态反馈给所述有源电子标签201。所述开关控制模块203，与所述有源电子标签201相连，用于手动或自动控制电器开关的打开和关断。所述开关控制模块203和状态确认模块202为有源电子标签101的两个接口电路。

如图3所示，所述开关控制模块203包含手动开关303、自动开关304、继电器302、三极管T1S9013和限流电阻R1。所述限流电阻R1优选为阻值为2千欧的电阻R1。所述手动开关303与电器301相连，手动控制电器301的打开和关断。所述继电器302的一端为电源输入端(如接5伏电压)，另一端接三极管T1S9013的集电极，用于吸合所述自动开关。所述三极管T1S9013的发射极接地，基极接限流电阻R1的一端。所述限流电阻R1的另一端接有源电子标签的输出接口，即output接口。当output输出高电平时，三级管T1S9013导通，从而驱动继电器302闭合；当output输出低电平时，三级管T1S9013截至，继电器302常开。通过有源电子标签201的output引脚输出不同的电平（电平变换），就可以远程控制电器的开关。同时，无论继电器开关处于何种状态，只要现场拨动手动开关303，也能控制电器301的开关。所述开关控制模块具有两个明显的优点，一是当继电器302控制电路故障时并不影响手动开关303（即原有开关）的功能，具有较强的实用性；二是output输出逻辑简单，只要输出一个相反的状态（非逻辑），就可以控制开关改变状态的关断和打开，与手动开关303的状态无关。

如图4所示，所述状态确认模块202包含交流光耦PC814、可重复触发单稳态电路NE555、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电容C3、电容C4和三极管T2。所述交流光耦PC814的第一引脚通过电阻R2与接入电器的零线端相连，第二引脚通过电阻R3与接入电器的火线端相连，第三引脚接地，第四引脚通过电阻R4接电源输入端，所述的电源输入端可以为5伏电压。结合图3与图4，具体为电阻R2的wire1端接电器301的wire1端，电阻R3的wire2端接电器301的wire2端。所述可重复触发单稳态电路NE555的第一引脚接地，第二引脚和交流光耦的第四引脚同时接三极管T2S9012的基极，第三引脚通过电阻R6、电阻R7后接地，第四引脚与第八引脚相连且接电源输入端，优选的，所述电源输入端为5伏电压，第五引脚通过电容C3接地，第六引脚与第七引脚相连后通过电容C4接地，第八引脚通过电阻R5、电容C4后接地。所述三极管T2S9012的发射极接地，集电极与电阻R5和电容C4之间的节点相连，电阻R6、电阻R7的节点接有源电子标签的输入接口，即input接口。

所述交流光耦PC814连接在图3中电器301的开关插座上，当双控开关（自动开关和手动开关）连通以后，电器开关的插座上产生50Hz的交流电压。经过交流光耦PC814后，在交流光耦的第4引脚上就会产生一个100Hz的矩型波脉冲信号。当双控开关断开时，交流光耦的第4引脚上输出为高电平，如图5a所示。

为了利用有源电子标签中控制单片机的中断功能，在以上交流光耦产生不同电平以后，还需加入一个可重复触发单稳态电路NE555，我们采用了以555时基电路组成的单稳态电路。可重复触发单稳态电路在暂稳态期间响应接收到的新触发信号，电路重新被触发，使暂稳态延续。当两个相连触发脉冲的间隔时间小于暂稳态持续时间t=1.1×R5×C4，暂稳态将被延续，合理设置电阻R5、电容C4可以使输出端一直输出高电平。当双控开关断开时，交流光耦的第4脚输出为高电平，NE555的输出端是低电平，输出波形如图5b所示。

因此可以利用有源电子标签的input引脚的“电平变化中断”来判断电器开关的状态。所述状态确认模块的电路是直接利用交流光耦和555电路检测电器的两端是否有交流电，而不是软件处理得到电器的状态，可以准确地知道电器的真实状态，减少误判。同时，即使单片机损坏或继电器驱动回路损坏，手动开关依然可以控制电器，不受其影响。

与上述各实施例相结合，所述有源电子标签201包括主控模块204、无线收发模块205和电源模块206；所述主控模块204与所述无线收发模块205相连，所述电源模块206与所述主控模块204相连，用于供电。

与上述各实施例相结合，所述主控模块为低功耗单片机；所述低功耗单片机的CE、CSN、SCK、MISO、MOSI和IRQ引脚用于控制无线收发模块，input引脚，即有源电子标签的输入接口，用于检测电器的实时状态；output引脚，即有源电子标签的输出接口，用于驱动继电器。

优选地，所述主控模块204采用Microchip公司的型号为PIC24F16KA102超低功耗单片机。该系列单片机典型休眠电流可以低至20nA，实时时钟电流低至500nA，采用3.3V供电，可连续运行20年以上而无需更换电池，成为业界低功耗性能最为突出的单片机。该单片机具有SPI、I²C、3个外部中断（INTF)、16个端口B变化中断（RBIF）等接口，还具有512B的内部EEPROM（ElectricallyErasable Programmable Read-Only Memory，电可擦写可编程只读存储器），所述EEPROM用于储存电器开关的ID号和开关的状态信息，完全可以满足有源标签的设计需求。

本电路采用内部的EEPROM储存标签的身份识别码（ID号）以及开关的状态等信息，以避免外接EEPROM带来的功耗（一般在mA级），节省了器件，减少了电路板的面积，降低了成本。主控单片机的电路图如6所示，其中共使用8个引脚，CE、CSN、SCK、MISO、MOSI、IRQ等6个引脚用于控制无线收发模块；input引脚用于检测电器的实时状态；output引脚用于驱动继电器。

为达到超低功耗目的，主控单片机有两种工作流程，都采用中断的方式工作。将这两个工作流程综合在一起的控制流程如图7所示，其中，无线收发模块205接外部INT0中断；开关检测输入接RB4电平转换中断。

当主控单片机上电后，经过一系列初始化，包括开关状态采集、数据打包发送后，便进入了休眠模式。如果没有中断发生，一直保持休眠模式，因此功耗极低。当手动开关变化引起电器开关状态变化时，产生RB4中断“唤醒”单片机，进入开关状态采集发送工作流程，和有源电子标签无线连接的RFID读写器，以及计算机网络控制界面则会收到电器开关状态改变的信号，从而获得准确的电器开关状态显示；当在控制界面发出“改变状态”或者“刷新”电器开关的命令时，信号会通过有源电子标签的RFID读写器进入有源电子标签引起单片机的INT0中断。中断唤醒单片机首先进行命令判断，如果是“改变状态”命令，则将继电器标志位RL_CMD取反，通过output引脚输出电平，控制电器开关变化，同时通过RB4中断检测电器开关的实际动作情况，并返回控制界面，这样在控制界面就可以监视开关的实际控制状态，这对远程网络控制非常必要；如果是“刷新”命令，则无需通过output引脚输出控制电平，直接进入开关状态采集发送工作流程，获得开关的真实状态，这对于网络控制界面新启动或者重启时非常必要。

一般来说，对电器开关的控制次数较少，有源电子标签大部分时间都处于休眠模式；对开关的状态控制变化时，都是通过中断技术进行处理，处理的速度很快（开关状态变化在ms级就可完成），处理完以后又进入休眠模式。因此总体上控制单片机功耗极低，符合有源电子标签的设计要求。

与上述各实施例相结合，所述无线收发模块205主要包括射频收发芯片，所述射频收发芯片主要由增强型模式控制器、调制器、解调器、滤波器、功率放大器、晶体振荡器组成，在所述主控模块的控制下收发数据。

无线收发模块205可以选用Nordic公司的nRF24L01射频收发芯片，采用SPI接口和主控单片机通讯，其电路图如图8所示。nRF24L01是一款工作在2.4～2.5GHz世界通用科学研究频段的单片无线收发器芯片，主要由增强型SchockBurst模式控制器、调制器/解调器、滤波器、功率放大器、晶体振荡器等电路组成。具有125个可选频道，可用于跳频工作方式，能够有效地降低周围环境的干扰；具有自动重发和应答功能，数据传输可靠性较高；小体积，采用QFN20封装，芯片面积只有4×4mm；低功耗，在以一5dBm的功率发射时，工作电流只有10.5mA，接收时工作电流只有18mA，在空闲模式下电流消耗更低。

由于nRF24L01是在主控单片机的控制下收发数据，大部分时间都处于空闲模式下，因此功耗极低。

为了能够识别大量不同的有源电子标签信息，对nRF24L01数据包的形式进行了修改，如图9所示。所述射频收发芯片中数据包的存储形式为前导码、发送地址、有效数据和CRC校验。其中前导码和CRC校验码分别用来同步和数据校验，由nRF24L01自动添加。发送地址可以选择发送通道的任意一个地址。将有效数据拆分成两个部分，一个部分包括27个字节以内的数据，这时是开关的状态数据；另一个部分则是有源电子标签的ID号，占用5个字节（40位），符合电子标签的设计要求。当标签读写设备接收到一个数据包，首先判断识别码（ID号），再去处理相关数据，从而能够区分不同标签的数据。

与上述各实施例相结合，如图10所示，所述电源模块206包含开关电源单元1001和稳压芯片1002；所述开关电源单元1001将交流电转化为直流5伏电，所述稳压芯片1002的第一引脚与开关电源单元相连且通过电容C01接地，第二引脚直接接地，第三引脚通过电容C02接地且为电压输出端，将5伏电压转为3.3伏稳定电压。

本电路有源电子标签部分（包括主控单片机和射频收发模块）都充分考虑了低功耗设计，因此完全可以用电池供电。但是当用于开关的控制时，因为要驱动继电器的通断，需要较大的电流，因此使用电池就显得不足。然而开关暗盒里本来就有火线和零线，因此本电路采取开关电源模块将220V交流转成直流5V供继电器和开关检测电路使用，再通过3.3V稳压芯片AM1117将5V转成3.3V供单片机和射频模块nrf24l01使用。

本实用新型还提供了基于有源RFID技术的电器开关识别和控制系统，包括：如上任一项所述的电器开关识别和控制电路，用于识别和控制电器开关；RFID读写器，通过无线通讯网络与所述电器开关识别和控制电路相连，用于读出或写入电器开关的状态信息；以及计算机，与所述RFID读写器相连，通过计算机的网络控制界面采集电器开关ID号和状态信息并通过网络对电器开关进行控制。

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之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.基于有源RFID技术的电器开关识别和控制电路，其特征在于，包括开关控制模块、状态确认模块和有源电子标签；

开关控制模块，用于手动或自动控制电器开关的打开和关断；

状态确认模块，与所述有源电子标签相连，用于识别电器开关的实际状态并把识别到的状态反馈给所述有源电子标签；

有源电子标签，与所述开关控制模块相连，具有唯一的身份识别码ID号，用于控制所述开关控制模块的动作并把电器开关的ID号和所述状态确认模块识别到的状态通过无线通讯网络反馈给外部RFID读写器。

2.根据权利要求1所述的电器开关识别和控制电路，其特征在于，所述开关控制模块包括手动开关、自动开关、继电器、三极管T1和限流电阻R1；

所述手动开关与电器相连，用于手动控制电器的打开和关断；

所述继电器的一端为电源输入端，另一端接三极管T1的集电极，所述继电器的触动点用于吸合或断开所述自动开关；

所述三极管T1的发射极接地，基极接限流电阻R1的一端，所述限流电阻R1的另一端接有源电子标签的输出接口；通过来自所述有源电子标签的输出接口的电平变换来控制所述继电器的吸合与断开从而实现远程控制电器的自动打开和关断。

3.根据权利要求1所述的电器开关识别和控制电路，其特征在于，所述状态确认模块包括交流光耦、可重复触发单稳态电路、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电容C3、电容C4和三极管T2；

所述交流光耦的第一引脚通过电阻R2与接入电器的零线端相连，第二引脚通过电阻R3与接入电器的火线端相连，第三引脚接地，第四引脚通过电阻R4接电源输入端；

所述可重复触发单稳态电路的第一引脚接地，第二引脚和交流光耦的第四引脚同时接三极管T2的基极，第三引脚通过电阻R6、电阻R7后接地，第四引脚与第八引脚相连且接电源输入端，第五引脚通过电容C3接地，第六引脚与第七引脚相连后通过电容C4接地，第八引脚通过电阻R5、电容C4后接地；

所述三极管T2的发射极接地，集电极与电阻R5和电容C4之间的节点相连，电阻R6、电阻R7的节点接有源电子标签的输入接口。

4.根据权利要求1所述的电器开关识别和控制电路，其特征在于，所述有源电子标签包括主控模块、无线收发模块和电源模块；所述主控模块与所述无线收发模块相连，所述电源模块与所述主控模块相连，用于供电。

5.根据权利要求4所述的电器开关识别和控制电路，其特征在于，所述主控模块为低功耗单片机；所述低功耗单片机的CE、CSN、SCK、MISO、MOSI和IRQ引脚用于控制无线收发模块，有源电子标签的输入接口input引脚用于检测电器开关的实时状态；有源电子标签的输出接口output引脚用于驱动继电器。

6.根据权利要求5所述的电器开关识别和控制电路，其特征在于，所述低功耗单片机内部具有EEPROM，所述EEPROM用于储存电器开关的ID号和开关的状态信息。

7.根据权利要求4所述的电器开关识别和控制电路，其特征在于，所述电源模块包括开关电源单元和稳压芯片；所述开关电源单元将交流电转化为直流5伏电压，所述稳压芯片的第一引脚与开关电源单元相连且通过电容C01接地，第二引脚直接接地，第三引脚通过电容C02接地且为电压输出端，将5伏电压转为3.3伏稳定电压。

8.基于有源RFID技术的电器开关监控系统，其特征在于，包括：

权利要求1至7任一项所述的电器开关识别和控制电路，用于识别和控制电器开关；

RFID读写器，通过无线通讯网络与所述电器开关识别和控制电路相连，用于读出或写入电器开关的状态信息；以及

计算机，与所述RFID读写器相连，通过计算机的网络控制界面采集电器开关ID号和状态信息并通过网络对电器开关进行控制。

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