摘   要：  設(shè)計了一種基于遠程計算機網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控電器開關(guān)的電子標簽控制和識別電路，可以用于控制電器開關(guān)的通斷，同時檢測電器開關(guān)的真實狀態(tài)，并將相關(guān)信息返饋給用戶。設(shè)計實現(xiàn)了現(xiàn)場手動開關(guān)和遠程遙控開關(guān)的相互獨立，且充分考慮了低功耗、小體積和良好的通信性能，符合物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢。
關(guān)鍵詞： 電器開關(guān)； 無線監(jiān)控； 電子標簽

    近年來社會上涌現(xiàn)出各種類型的遙控開關(guān)，都能實現(xiàn)對電器開關(guān)的控制，但是往往忽略了對開關(guān)的監(jiān)視，即遠程網(wǎng)絡(luò)觸發(fā)控制開關(guān)后，人不在現(xiàn)場，對遙控連接的開關(guān)是否真正動作不得而知。可見對網(wǎng)絡(luò)遙控的電器開關(guān)不但需要控制，還需要識別和監(jiān)視，做到真正意義上的監(jiān)控，以增加實用性。關(guān)于通信方式，藍牙、ZigBee 技術(shù)控制電路復(fù)雜且昂貴，而315 MHz或433 MHz無線遙控技術(shù)容易受到干擾[1]。
    本設(shè)計以特高頻2.4 GHz無線電技術(shù)為通信方式，附加分時、跳頻和數(shù)據(jù)重發(fā)等技術(shù)，大大改進系統(tǒng)通信性能，并且加入交流開關(guān)檢測電路、雙控開關(guān)電路等，旨在解決現(xiàn)有電器開關(guān)的狀態(tài)不能實現(xiàn)遠程識別和監(jiān)視的問題。本設(shè)計只需將一個標簽電路加載在現(xiàn)有的開關(guān)插座中，即可實現(xiàn)對多個電器開關(guān)的現(xiàn)場手動開關(guān)監(jiān)控、本地觸摸屏無線監(jiān)控、遠程終端Web監(jiān)控等3種監(jiān)控方式，可應(yīng)用于各種需要監(jiān)控電器開關(guān)的場合。
1 系統(tǒng)組成及工作原理
    無線電器開關(guān)監(jiān)控系統(tǒng)如圖1所示。系統(tǒng)采用了主設(shè)備、從設(shè)備、遠程終端的框架結(jié)構(gòu)，主設(shè)備是一個以ARM嵌入式為核心的讀寫器，通過WiFi或者網(wǎng)口接入以太網(wǎng)作為服務(wù)器；從設(shè)備是電器開關(guān)節(jié)點，加入本設(shè)計的電子標簽電路，負責(zé)控制并檢測電器開關(guān)的狀態(tài)。

    有源電子標簽具有唯一的身份識別碼(即ID號)，與開關(guān)控制模塊和狀態(tài)確認模塊相連接，控制電器開關(guān)的通斷，同時檢測電器開關(guān)的真實狀態(tài)。在讀寫器的有效工作范圍內(nèi)，讀寫器可與多個電子標簽進行信息交互，獲取每個開關(guān)的狀態(tài)確認信號，以供用戶訪問。用戶可以直接通過讀寫器上的QT人機交互界面對電器開關(guān)進無線監(jiān)控，也可以在網(wǎng)絡(luò)控制界面通過“刷新”命令實時采集各電子標簽的狀態(tài)，以及有針對性地對特定電子標簽進行控制。
2 硬件設(shè)計
2.1 有源電子標簽系統(tǒng)框圖
    本設(shè)計的有源電子標簽系統(tǒng)框圖如圖2所示。其中，超低功耗單片機PIC24F16KA102、555可重復(fù)觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)電路、無線收發(fā)模塊nRF24L01、3.3 V電源穩(wěn)壓模塊構(gòu)成了有源電子標簽，易于安裝拆卸；有源電子標簽有兩個接口，輸入接口是交流檢測電路，用于檢測電器開關(guān)的真實狀態(tài)，輸出接口是雙控開關(guān)電路，用于控制電器開關(guān)的通斷，因為這兩部分體積較大且直接與市電連接，故共同封裝。

    圖3中,output連接電子標簽的輸出控制接口。當(dāng)output輸出高電平時，三極管9013導(dǎo)通，從而驅(qū)動繼電器閉合；否則繼電器斷開。由此，遠程遙控可以通過改變output的電平來改變電器的狀態(tài)；同時，無論繼電器開關(guān)處于何種狀態(tài)，只要現(xiàn)場撥動“手動開關(guān)”，就能改變電器的狀態(tài)。該雙控開關(guān)具有明顯的優(yōu)點，當(dāng)繼電器控制電路出現(xiàn)故障時并不影響手動開關(guān)的功能，具有較強的實用性，即遙控開關(guān)和手動開關(guān)相互獨立。
2.2.2 電器開關(guān)狀態(tài)檢測電路
    一般的遙控開關(guān)都不能檢測開關(guān)的實際狀態(tài)，而本電路設(shè)計了用于檢測電器開關(guān)的實際狀態(tài)的電路，如圖4所示，包括交流檢測電路和555可重復(fù)觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)電路兩部分。

    電路采用了一個交流光偶(PC814)直接連接在電器兩端。當(dāng)雙控開關(guān)連通時，電器兩端將有50 Hz的交流電壓，經(jīng)過交流光偶后，在光偶的4腳上就會產(chǎn)生一個100 Hz的矩形波脈沖信號；當(dāng)雙控開關(guān)斷開時,光偶的4腳上輸出為高電平。
    為了利用電子標簽中單片機的中斷功能，還需加入一個“可重復(fù)觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)電路”，本設(shè)計采用了以555時基電路組成的單穩(wěn)態(tài)電路。可重復(fù)觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)電路在暫穩(wěn)態(tài)期間響應(yīng)接收到的新觸發(fā)信號，電路重新被觸發(fā)，使暫穩(wěn)態(tài)延續(xù)。當(dāng)兩個相連觸發(fā)脈沖的間隔時間小于暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)時間t=1.1×R5×C4，暫穩(wěn)態(tài)將被延續(xù)，即合理設(shè)置R5、C4可以使輸出端持續(xù)輸出高電平；當(dāng)輸入端輸入高電平時，輸出端為低電平。
     由此，可以利用電子標簽input引腳的“電平變化中斷”來判斷電器的狀態(tài)。本電路直接利用交流光耦和555電路檢測電器的兩端是否有交流電，而不是通過軟件處理得到電器的狀態(tài)，因此可以準確地知道電器的真實狀態(tài)，減少誤判。同時，即使單片機損壞或繼電器驅(qū)動回路損壞，手動開關(guān)依然可以控制電器，不受其影響。
2.2.3 主控模塊
   主控模塊采用PIC24F08KA102超低功耗單片機，其典型休眠電流理論上可以低至20 nA。該單片機具有SPI、3個外部中斷、16個端口變化中斷等接口，還具有內(nèi)部EEPROM，完全可以滿足有源標簽的設(shè)計需求。
    本電路采用內(nèi)部EEPROM儲存標簽的身份識別碼(ID)，以避免外接EEPROM帶來的功耗，節(jié)省了器件。主控單片機的電路圖如圖5所示，其中共使用8個引腳，CE、CSN、SCK、MISO、MOSI、IRQ等6個引腳用于控制無線收發(fā)模塊；input引腳用于檢測電器的實時狀態(tài)；output引腳用于驅(qū)動繼電器。

2.2.4 無線收發(fā)模塊
    無線收發(fā)模塊選用挪威公司的nRF24L01射頻收發(fā)芯片，采用SPI接口與主控單片機通信。nRF24L01是一款工作在2.4 GHz~2.5 GHz世界通用頻段的單片無線收發(fā)器芯片，內(nèi)置調(diào)制器/解調(diào)器、功率放大器、晶體振蕩器等電路。它有以下特點：具有125個可選頻道，可用于跳頻通信，降低周圍環(huán)境的干擾；具有自動重發(fā)和應(yīng)答功能，數(shù)據(jù)傳輸可靠性較高；體積小，采用QFN封裝，芯片面積僅4 mm×4 mm；功耗低，在以0 dBm的功率發(fā)射時,工作電流只有12.3 mA，接收時工作電流只有11.3 mA，在空閑模式下電流消耗更低[2]。因此，此款無線模塊非常適用于電子標簽。
2.2.5 電源模塊
    本電路電子標簽充分考慮了低功耗設(shè)計，但考慮到驅(qū)動繼電器需要較大的電流，因此使用電池就顯得不足。由于開關(guān)暗盒里有火線和零線，因此本電路采取開關(guān)電源模塊將220 V交流轉(zhuǎn)成直流5 V供繼電器使用，再通過3.3 V穩(wěn)壓芯片AM1117將5 V轉(zhuǎn)成3.3 V供單片機和射頻模塊nRF24L01使用。電路如圖6所示。

3 軟件設(shè)計
3.1    系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)包格式
　為了能夠識別大量不同的電子標簽信息，設(shè)置nRF24L01的數(shù)據(jù)包形式如圖7所示。

    其中前導(dǎo)碼和CRC校驗碼分別用來同步數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)校驗，由nRF24L01自動添加。發(fā)送地址是接收方的地址。將有效數(shù)據(jù)拆分成兩個部分，一部分包括27 B以內(nèi)的數(shù)據(jù)，這里包含電器開關(guān)的狀態(tài)數(shù)據(jù)；另一部分則是電子標簽的ID號，占用5 B(40 bit)，符合電子標簽的設(shè)計要求。當(dāng)標簽讀寫設(shè)備接收到一個數(shù)據(jù)包，首先判斷識別碼(ID號)，再去處理相關(guān)數(shù)據(jù)，從而能夠區(qū)分不同標簽的數(shù)據(jù)。
3.2 電子標簽工作流程
    為達到超低功耗目的，主控單片機有兩種工作流程，都采用中斷的方式工作。控制流程如圖8所示。其中，無線收發(fā)模塊接外部INT0中斷;開關(guān)檢測輸入接RB4電平變化中斷。

    當(dāng)主控單片機上電后，經(jīng)過一系列初始化便進入了休眠模式，功耗極低。當(dāng)手動開關(guān)變化引起電器開關(guān)狀態(tài)變化時，產(chǎn)生RB4中斷“喚醒”單片機，進入開關(guān)狀態(tài)采集并通過無線告知電子標簽讀寫器，從而使用戶獲得準確的電器開關(guān)狀態(tài)顯示；當(dāng)在控制界面發(fā)出“改變狀態(tài)”或者“刷新”電器開關(guān)的命令時，信號會通過電子標簽的讀寫器告知電子標簽，引起單片機的INT0中斷。中斷喚醒單片機首先進行命令判斷，如果是“改變狀態(tài)”命令，則將繼電器標志位RL_CMD取反，通過output引腳控制電器開關(guān)變化，同時通過RB4中斷檢測電器開關(guān)的實際動作情況,并向讀寫器反饋開關(guān)的狀態(tài)信息，這對遠程網(wǎng)絡(luò)控制非常必要；如果是“刷新”命令，直接進入開關(guān)狀態(tài)采集發(fā)送工作流程，獲得開關(guān)的真實狀態(tài)，這對于網(wǎng)絡(luò)控制界面新啟動或者重啟時非常必要。
    一般來說，對電器開關(guān)的控制次數(shù)較少，電子標簽大部分時間都處于休眠模式；對開關(guān)的狀態(tài)控制變化時，都是通過中斷技術(shù)進行處理，處理完畢后又進入休眠模式。因此總體上控制單片機功耗極低。
3.3    同頻干擾對策
    由于2.4 GHz的無線設(shè)備比較多，本設(shè)計也不可避免地會受到同頻干擾的影響,主要是WiFi和藍牙的影響。
    其中WiFi頻段相對固定，包括13個信道，每兩個信道相隔5 MHz,頻段從2 412 MHz~2 472 MHz，而本無線收發(fā)模塊nRF24L01的頻段在2 400 MHz~2 524 MHz，共125個頻道可任意選擇。因此選擇避開WiFi的頻道，就大大地防止了WiFi信號的干擾。
    由于藍牙是在75個頻點內(nèi)快速跳頻以尋找可以握手的設(shè)備，頻道利用不穩(wěn)定。本系統(tǒng)采用了以跳頻算法為核心的錯誤重傳機制，在錯發(fā)較多或者無應(yīng)答時將切換頻道重發(fā)，可以大大防止藍牙的干擾[3]。
4 系統(tǒng)性能測試
4.1通信距離測試
　測試的場地首先選擇廣闊的田徑場，將閱讀器與電子標簽分別作為接收端與發(fā)送端進行通信距離的測試。在測試中將電子標簽的發(fā)射功率設(shè)置為+22 dBm，工作頻率為2 400 MHz，每次傳送32  B的數(shù)據(jù)，開啟CRC校驗。距離200 m時數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，應(yīng)答靈敏。
　對標簽采用相同的設(shè)置，在有多間教室的實驗樓環(huán)境下進行另外一組測試。在70 m范圍內(nèi)應(yīng)答迅速，沒有出現(xiàn)紊亂無應(yīng)答情況,可見足以應(yīng)用于各辦公環(huán)境場地。
4.2    標簽功耗估算
　表1為標簽功耗數(shù)據(jù)，nRF24L01發(fā)射功率可調(diào)，本設(shè)計采用DC=3.3 V,發(fā)射功率為-5 dBm。利用器件的睡眠狀態(tài)能極大降低標簽的功耗，從而大大提高了系統(tǒng)的實用性。

    本文設(shè)計了一種電子標簽識別和控制電路，只需加載在現(xiàn)有的開關(guān)插座上，即可用于控制電器開關(guān)的通斷，同時檢測電器開關(guān)的真實狀態(tài)，且遠程遙控開關(guān)和現(xiàn)場手動開關(guān)是相互獨立的。本產(chǎn)品功耗低，體積小，加裝方便，借用了有源RFID技術(shù)，在能夠識別大量電子標簽的技術(shù)上，利用分時、跳頻和重發(fā)機制使通信性能更加穩(wěn)定，可應(yīng)用于各種需要網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控電器開關(guān)的場合。系統(tǒng)中還利用ARM嵌入式計算機的上網(wǎng)技術(shù),作為服務(wù)器供遠程計算機網(wǎng)絡(luò)對電器開關(guān)進行監(jiān)控，符合物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢。系統(tǒng)的設(shè)計及功能均得到了最終的實物驗證。
參考文獻
[1] 程作霖,鄭天津,梁振杰,等.電器開關(guān)無線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].微型機與應(yīng)用, 2012，31(23):81-84.
[2] 嚴林祥,張紅雨.基于nRF24L01的防拆卸有源電子標簽設(shè)計[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用,2013，39(8):44-46.
[3] 何哲.基于nRF24L01和STM32的無線文件收發(fā)系統(tǒng)[J].可編程控制器與工廠自動化,2011(4):91-93.