摘   要：  設計了一種基于遠程計算機網絡監控電器開關的電子標簽控制和識別電路，可以用于控制電器開關的通斷，同時檢測電器開關的真實狀態，并將相關信息返饋給用戶。設計實現了現場手動開關和遠程遙控開關的相互獨立，且充分考慮了低功耗、小體積和良好的通信性能，符合物聯網的發展趨勢。
關鍵詞： 電器開關； 無線監控； 電子標簽

    近年來社會上涌現出各種類型的遙控開關，都能實現對電器開關的控制，但是往往忽略了對開關的監視，即遠程網絡觸發控制開關后，人不在現場，對遙控連接的開關是否真正動作不得而知。可見對網絡遙控的電器開關不但需要控制，還需要識別和監視，做到真正意義上的監控，以增加實用性。關于通信方式，藍牙、ZigBee 技術控制電路復雜且昂貴，而315 MHz或433 MHz無線遙控技術容易受到干擾[1]。
    本設計以特高頻2.4 GHz無線電技術為通信方式，附加分時、跳頻和數據重發等技術，大大改進系統通信性能，并且加入交流開關檢測電路、雙控開關電路等，旨在解決現有電器開關的狀態不能實現遠程識別和監視的問題。本設計只需將一個標簽電路加載在現有的開關插座中，即可實現對多個電器開關的現場手動開關監控、本地觸摸屏無線監控、遠程終端Web監控等3種監控方式，可應用于各種需要監控電器開關的場合。
1 系統組成及工作原理
    無線電器開關監控系統如圖1所示。系統采用了主設備、從設備、遠程終端的框架結構，主設備是一個以ARM嵌入式為核心的讀寫器，通過WiFi或者網口接入以太網作為服務器；從設備是電器開關節點，加入本設計的電子標簽電路，負責控制并檢測電器開關的狀態。

    有源電子標簽具有唯一的身份識別碼(即ID號)，與開關控制模塊和狀態確認模塊相連接，控制電器開關的通斷，同時檢測電器開關的真實狀態。在讀寫器的有效工作范圍內，讀寫器可與多個電子標簽進行信息交互，獲取每個開關的狀態確認信號，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進無線監控，也可以在網絡控制界面通過“刷新”命令實時采集各電子標簽的狀態，以及有針對性地對特定電子標簽進行控制。
2 硬件設計
2.1 有源電子標簽系統框圖
    本設計的有源電子標簽系統框圖如圖2所示。其中，超低功耗單片機PIC24F16KA102、555可重復觸發單穩態電路、無線收發模塊nRF24L01、3.3 V電源穩壓模塊構成了有源電子標簽，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，用于檢測電器開關的真實狀態，輸出接口是雙控開關電路，用于控制電器開關的通斷，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output輸出高電平時，三極管9013導通，從而驅動繼電器閉合；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；同時，無論繼電器開關處于何種狀態，只要現場撥動“手動開關”，就能改變電器的狀態。該雙控開關具有明顯的優點，當繼電器控制電路出現故障時并不影響手動開關的功能，具有較強的實用性，即遙控開關和手動開關相互獨立。
2.2.2 電器開關狀態檢測電路
    一般的遙控開關都不能檢測開關的實際狀態，而本電路設計了用于檢測電器開關的實際狀態的電路，如圖4所示，包括交流檢測電路和555可重復觸發單穩態電路兩部分。

    電路采用了一個交流光偶(PC814)直接連接在電器兩端。當雙控開關連通時，電器兩端將有50 Hz的交流電壓，經過交流光偶后，在光偶的4腳上就會產生一個100 Hz的矩形波脈沖信號；當雙控開關斷開時,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“可重復觸發單穩態電路”，本設計采用了以555時基電路組成的單穩態電路。可重復觸發單穩態電路在暫穩態期間響應接收到的新觸發信號，電路重新被觸發，使暫穩態延續。當兩個相連觸發脈沖的間隔時間小于暫穩態持續時間t=1.1×R5×C4，暫穩態將被延續，即合理設置R5、C4可以使輸出端持續輸出高電平；當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。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，因此可以準確地知道電器的真實狀態，減少誤判。同時，即使單片機損壞或繼電器驅動回路損壞，手動開關依然可以控制電器，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，還具有內部EEPROM，完全可以滿足有源標簽的設計需求。
    本電路采用內部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模塊；input引腳用于檢測電器的實時狀態；output引腳用于驅動繼電器。

2.2.4 無線收發模塊
    無線收發模塊選用挪威公司的nRF24L01射頻收發芯片，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器芯片，內置調制器/解調器、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，降低周圍環境的干擾；具有自動重發和應答功能，數據傳輸可靠性較高；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計，但考慮到驅動繼電器需要較大的電流，因此使用電池就顯得不足。由于開關暗盒里有火線和零線，因此本電路采取開關電源模塊將220 V交流轉成直流5 V供繼電器使用，再通過3.3 V穩壓芯片AM1117將5 V轉成3.3 V供單片機和射頻模塊nRF24L01使用。電路如圖6所示。

3 軟件設計
3.1    系統發送數據包格式
　為了能夠識別大量不同的電子標簽信息，設置nRF24L01的數據包形式如圖7所示。

    其中前導碼和CRC校驗碼分別用來同步數據和數據校驗，由nRF24L01自動添加。發送地址是接收方的地址。將有效數據拆分成兩個部分，一部分包括27 B以內的數據，這里包含電器開關的狀態數據；另一部分則是電子標簽的ID號，占用5 B(40 bit)，符合電子標簽的設計要求。當標簽讀寫設備接收到一個數據包，首先判斷識別碼(ID號)，再去處理相關數據，從而能夠區分不同標簽的數據。
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，無線收發模塊接外部INT0中斷;開關檢測輸入接RB4電平變化中斷。

    當主控單片機上電后，經過一系列初始化便進入了休眠模式，功耗極低。當手動開關變化引起電器開關狀態變化時，產生RB4中斷“喚醒”單片機，進入開關狀態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狀態顯示；當在控制界面發出“改變狀態”或者“刷新”電器開關的命令時，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”命令，則將繼電器標志位RL_CMD取反，通過output引腳控制電器開關變化，同時通過RB4中斷檢測電器開關的實際動作情況,并向讀寫器反饋開關的狀態信息，這對遠程網絡控制非常必要；如果是“刷新”命令，直接進入開關狀態采集發送工作流程，獲得開關的真實狀態，這對于網絡控制界面新啟動或者重啟時非常必要。
    一般來說，對電器開關的控制次數較少，電子標簽大部分時間都處于休眠模式；對開關的狀態控制變化時，都是通過中斷技術進行處理，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的無線設備比較多，本設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個頻點內快速跳頻以尋找可以握手的設備，頻道利用不穩定。本系統采用了以跳頻算法為核心的錯誤重傳機制，在錯發較多或者無應答時將切換頻道重發，可以大大防止藍牙的干擾[3]。
4 系統性能測試
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送端進行通信距離的測試。在測試中將電子標簽的發射功率設置為+22 dBm，工作頻率為2 400 MHz，每次傳送32  B的數據，開啟CRC校驗。距離200 m時數據傳輸穩定，應答靈敏。
　對標簽采用相同的設置，在有多間教室的實驗樓環境下進行另外一組測試。在70 m范圍內應答迅速，沒有出現紊亂無應答情況,可見足以應用于各辦公環境場地。
4.2    標簽功耗估算
　表1為標簽功耗數據，nRF24L01發射功率可調，本設計采用DC=3.3 V,發射功率為-5 dBm。利用器件的睡眠狀態能極大降低標簽的功耗，從而大大提高了系統的實用性。

    本文設計了一種電子標簽識別和控制電路，只需加載在現有的開關插座上，即可用于控制電器開關的通斷，同時檢測電器開關的真實狀態，且遠程遙控開關和現場手動開關是相互獨立的。本產品功耗低，體積小，加裝方便，借用了有源RFID技術，在能夠識別大量電子標簽的技術上，利用分時、跳頻和重發機制使通信性能更加穩定，可應用于各種需要網絡監控電器開關的場合。系統中還利用ARM嵌入式計算機的上網技術,作為服務器供遠程計算機網絡對電器開關進行監控，符合物聯網的發展趨勢。系統的設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.電器開關無線監控系統設計[J].微型機與應用, 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計[J]. 電子技術應用,2013，39(8):44-46.
[3] 何哲.基于nRF24L01和STM32的無線文件收發系統[J].可編程控制器與工廠自動化,2011(4):91-93.