专利名称：太阳能无线门铃的制作方法
技术领域：
本发明涉及到门铃，更进一步，涉及到一种利用太阳能供电的无线门铃。
背景技术：
基于习惯，人们所说的太阳能，实际上是包含了日常所有光线发出的能量，而并非仅是指直射太阳光的能量。因此，本文中所说太阳能，泛指一切日常生活中的光线能量。门铃包括放在门外的按钮器，和放在室内的响铃器。目前，公知的门铃，按钮器和响铃器采用线连接，或者采用无线电连接。显然无线门铃更加方便。基于方便和安全，现在绝大部分的门铃，按钮器和响铃器都采用无线电连接。采用无线 电连接的门铃的按钮器包括有:编码器、按键、发射机、电池。响铃器包括有:解码器、音响、接收机、电池。按钮和响铃器基本上都采用传统的电池作为能源。普通电池，使用一段时间后，电池容量会下降，并将一直缓慢降到工作电压以下，导致按钮被按下时，不能正常工作。门外的人完全不能通过按键，使屋内的响铃器发出响声，通知到屋内的人，这对屋内的人来说是个尴尬的事情。电池的容量的下降是缓慢的，人们不可能经常去检查电池的容量发现其下降而更换电池，因此这种门铃电池容量下降而失效导致的尴尬时不时发生。甚至，更换电池，经常都是以这种尴尬的方式通知的。总之，过一段时间就得更换新电池，这不仅麻烦，而且换下来的电池污染环境。现在太阳能转换技术不断发展，太阳能转换器能够将光线转换为电能，作为提供给设备工作的部分或全部的能源。太阳能门铃的挑战在于，用户对美观的要求和太阳能电池的输出能量。目前，最先进的太阳能电池的输出功率是0.02w/CM2，太阳能电池输出的能量与收到照射的光强度成正比，与照射面积成正比例。一定面积的太阳能电池的标称输出功率，是指380001ux的光强下的输出功率,这个光强,与正午12点时直射阳光下的光强接近。一般白天，室内随意放置，非阳光直射条件下的光强下，太阳能电池的功率输出将下降到标称输出功率的1/3000以下，傍晚以后，下降到标称输出功率的1/1000000以下，直至为O。太阳能电池白天具有相对较大的输出电流时间最多只有6小时。在输出电压为3.5v下，室内非阳光直射条件下的电流是2uA/cm2，每天获得的电流12uA.h/cm2，假定每4天有一天是阴天，那么获得的平均电流是9uA/cm2。门铃的响铃器，是具有I个无线电接收机的，这个接收机，为了能够任何时候都能及时响应按钮器，它必须一直都处于工作状态，消耗电流。目前，即使目前最省电的无线电接收机，在3.5v电压下，工作电流都在300uA以上，每天耗费的总电流是300*24=7200uA.h。为获得这些能源，需要的太阳能电池面积为7200/9=800cm2，基于美观的原因,用户容忍的太阳能电池的面积不会超过5cm*8cm=40cm2，所需要的和所容忍的产生了巨大的差异，太阳能电池产生的能量小于响铃器消耗的能量，这导致了一个挑战。这里为了简略，还没有算上响铃器收到信号要发出的提示声音所消耗的能量，如果算上，还需要更大的太阳能电池面积。就目前来说，除非用户将响铃器放在室内特别光亮的位置，例如有阳光照射到的位置或者紧挨窗边的位置，否则完全由太阳能电池提供的能量不足以让响铃器一直正常工作。即使那样，若干天阴天后，工作条件也得不到满足。响铃器除了指定放置在室内特定位置，还必须备有一个外部充电插座，用以向因为光线不足导致电源不够而不能工作的响铃器充电。那么，出现了与采用传统电池一样的弊端，甚至出现得更为频繁。对于按钮器，也有类似的情况。但是，响铃器无论白天黑夜始终处于工作状态，等待按钮器的信号，而按钮器，仅是按键被触发时，短时间发送，并且，每天被触发的次数屈指可数。所以，按钮器消耗的能量比响铃器少得多。这样，就只需要考虑响铃器的情况。同样，因为响铃器每天发出声音的次数也很少，因此而消耗的能量，与响铃器一直处于等待接收按钮器信号的工作状态所消耗的能量相比，也是很少，所以基本上可以只是考虑响铃器一直处于等待接收按钮器信号的工作状态所消耗的能量的情况。以上列举这么多的数据表明，传统的门铃，无法使用太阳能电池作为唯一的电源。本发明彻底解决了这个问题，太阳能电池产生的能量远远大于响铃器消耗的能量，令门铃以后永远都不再需更换电池，也不需要外接任何电源。
发明内容为了克服现有门铃时不时发生尴尬需要更换电池的麻烦和废旧电池对环境的污染等多方面不足，本发明提供一种无线门铃，该门铃完全使用太阳能清洁能源，始终保持充足的能量，不再需要更换电池，不会出现门铃能量不足不能正常工作的尴尬，彻底克服用户对美观的要求和太阳能电池的 输出能量之间的矛盾。为解决上述技术问题，根据本发明，提供一种无线太阳能门铃，具有发送信号的按钮器和接收信号的响铃器，仅使用太阳能电池为能量来源，当环境光线充足时，太阳能电池给门铃提供工作电流并向可充电电池充电，当环境光线不足甚至没有时，可充电电池向门铃提供工作电流。所述响铃器含有定时器202，音响电路，接收机，所述响铃器被所述定时器202控制，工作在连续的“开启/关闭”模式。当定时器的开启定时时间到达时，所述响铃器被开启，等待接收所述按钮器发送的信号。经历一段开启时间后，所述响铃器被关闭，接收功能被停止，定时器202开始计时，直到经历一个关闭时间后，又开始一个“开启/关闭”周期。所述音响电路依据在开启时间内，所述响铃器是否收到所述按钮器发送的信号，而启动发出声音或者保持关闭。所述按钮器含有定时器(102 )，所述按钮器被所述定时器(102 )控制，发送信号的时间大于所述响铃器的关闭时间。所述响铃器被所述定时器(202)控制开启时首先检测信道上是否有信号；如果没有，立刻进入关闭状态，等待所述定时器(202)的下一次开启；如果有，继续保持开启，以接收按钮器发送的完整数据。所述接收机是超再生接收机。所述响铃器的接收机是没有低通滤波器的超再生接收机。[0025]所述超再生接收机含有定时器、包络检波器、计数器、比较器、存储器、平均值电路。所述定时器、包络检波器、计数器、比较器、存储器、平均值电路被嵌入到微处理器MCU 中。所述的按钮器有一个人机接口，当用户按键时，发出显示或者声音指示，以转移用户的感觉。所述响铃器具有人机接口，当用户将响铃器安装在过于黑暗的环境，或者获得的太阳能电池能量太低时，能够发出显示或声音，提醒用户，避免出现响铃器完全不能采光这种情况出现。为清楚简单地表达，“关闭”一词，在本发明中意味着切断其电源或使其进入休眠状态，“开启” 一词意味着对其供电或激活其从休眠进入工作状态。本发明的这些方面，使得响铃器消耗的能量比现有响铃器消耗的能量极大地降低，太阳能电池产生的能量远远大于响铃器消耗的能量，使得用户可以只使用美观小巧的太阳能电池就能 让门铃获得所需要的全部的能量，因此可以让门铃永远不需要再更换任何电池，外部也不需要接入任何能量就能永久工作。
图1是按钮器的结构图。图2是响铃器的结构图图3是按钮器和响铃器信号之间的关系图a控制响铃器的信号b按钮器发射的信号c按钮器发射的信号图4是按钮器发射的信号的格式图a发送信号的内容c接收机收到信号d接收机收不到信号图5是调谐放大接收机结构图图6是超再生接收机结构图图7是超再生接收机信号图a RF输入601的信号波形b熄灭控制信号603输出的信号波形c振荡器602输出的信号波形d包络检波器604输出的信号波形e低通滤波器608输出的信号波形图8是改进的超再生接收机结构图图9是改进的超再生接收机接收流程图[0051 ]图10是响铃器人机接口图具体实施方式
如图1示，采用无线电连接的太阳能门铃的按钮器100包括有:编码器101、定时器102、按键103、太阳能电池104、充电控制电路105、可充电电池107、发射机106、人机接Π 109。如图2示，响铃器200包括有:解码器208、定时器202、音响电路205、太阳能电池203、充电控制电路207、可充电电池206、接收机201、人机接口 209、微处理器MCU204。有光线的时候，太阳能电池产生电流，供其他部分使用，并对可充电电池充电。光线很弱或没有的时候，充电电池流出电流，供其他部分使用。响铃器200 —直等待接收按钮器100的信号，因此响铃器必须一直工作，响铃器的接收机201耗费了绝大部分响铃器的能量。为了降低响铃器能量消耗，首先会考虑降低接收机201本身工作的电流。所有的种类的接收机几乎都有高频放大这个环节，而为了对高频信号具有一定的低噪声放大能力，例如具有12db以上的增益，高频放大器本身必须具有一定的偏置电流，目前无论何种半导体工艺构成的放大器本身的偏置电流，已经很难再进一步下降，本发明将极大幅度降低响铃器的能耗。第一个方面，通过定时器202，控制接收机201以及响铃器200 —直工作在连续的“开启/关闭”模式下，定时器202在一段时间内，关闭响铃器的其他所有部分，以及非对称转移能耗，降低响铃器的平均能耗。定时器202输出的高电平开启接收机201以及响铃器200的电源，定时器202输出的低电平关闭接收机201以及响铃器200中除定时器之外的其他部分。响铃器200被开启时间=TR_0N，被关闭时间=TR_0FF。如图3 (a)所示。关闭时，除定时器202之外，切断其他所有部分的能量供应。因此，关闭时，响铃器200只消耗极微少能量，开启时消耗了绝大部分能量。“开启/关闭”模式下，响铃器的平均消耗降低为一直开启模式方式的:TR_0N/(TR_0N+TR_0FF) ^ TR_0N/TR_0FF。( I)。Τ_0Ν越小，TR_0FF越大，都能够减少响铃器的平均能耗。按钮器100的按键103如果被按下后，它的发射机106将开启，发射信号，如图3
(b)所示。发射时间=ΤΤ_0Ν。通常，因为按钮器100所发送的内容很少，故ΤΤ_0Ν很小，如果按钮器100恰好在响铃器200的关闭时间内发送，响铃器200将无法收到，如图3 (b)所示。所以按钮器100必须将发射时间ΤΤ_0Ν延长，直到ΤΤ_0Ν 彡 TR_0FF, (2)才能保证能够被响铃器200收到。所以按钮器100的按键103被按后，发射机106将所需要发射的内容不间断重复发射，直到发射时间大于响铃器200的关闭时间TR_0FF。如图3 (c )示。那么，将响铃器200关闭时间延长，却需要按钮器100发送时增加发射时间，能耗从响铃器200被转移到了按钮器100，并且按钮器100发射电流是响铃器200接收电流的10倍以上，似乎在响铃器200节省的能耗，更多地在按钮器100上需要消耗，在门铃这个系统内部，能耗转移似乎得不偿失。因为要随时检测到响 铃器的信号，响铃器200是持续一直工作的，而按钮器100仅是被按键这个事件所触发开启而发射一次，按键触发这个事件每天出现的次数一般情况下不会大于10次，而响铃器200如果假定一个开启/关闭周期为200ms，每天需要开启/关闭的次数=60*60*24*1000/200=432000次(3)就是说延长响铃器200关闭时间，导致能耗从响铃器向按钮器100转移，而这种能耗转移是非对称的，按钮器100增加了一点点能耗，响铃器200节省了巨大的能量。因此，应该尽量延长响铃器200的关闭时间TR_0FF。但是，实际上，响铃器200 —直工作在连续的“开启/关闭”的模式在实际使用中效果欠佳，因为关闭响铃器一段时间TR_0FF，会导致接响铃器200反应时间变长。如图3
(c)示，用户在A点按键后，最不利的情况下，图3(a)的响铃器会在延时差不多TR_0FF后，才能在图3 (a)的B点收到而响铃，所以按键后的最大反应延时时间=TR_0FF。为了节省功耗，需要尽量延长TR_0FF，但当TR_0FF延长到300ms以上时，即按键后的声音反应延时时间超过300ms时，这个反应的滞后能够 被人体的感官感受到，假定这个时间称为T_FEEL。当T_FEEL>300ms后，用户会感觉到按键后的反应时间变长，会产生诸如“按钮器的按键的手感不好、灵敏度不够、有点失灵”的不良印象。即响铃器“开启/关闭”这种工作模式，会受到人的主观感觉的限制，运用本发明，可以超过原有的这种限制。所采用的是人体“感觉转移”的方法。对于普通的现有的门铃，用户按键后，获得门铃正常工作的信息的唯一界面是响铃器发出的声音。这里增加另一个供用户获得门铃正常工作的信息的界面，用户按键后，这个界面立刻产生反应，用户就产生了门铃已经正常工作的感觉，即使响铃器的声音滞后一点传来，例如1500ms，甚至在晚上，进一步将这个声音的时间滞后到2500ms以上，用户都已经不会产生上述门铃不灵敏的不良印象。即用户的感觉，从响铃器的声音被转移到按钮器的新的人机界面上来，因此响铃器的声音不再是用户唯一的感觉界面，于是T_FEEL将被大大延长，声音的发出时间可以大大滞后，这意味TR_0FF可以大幅增加，例如从250ms增加到1500ms，相应地，根据方程(1)，现在消耗的平均能量降低为没有采用“感觉转移”的250/1500 = 1/6，使得响铃器的“开启/关闭”工作模式，有实际的使用价值。这个新增加的人机界面可以是LED指示灯的发光，也可以是发出“滴滴”的声音等等其他能为人的感觉器官感受的动作。为了用具体的数据说明本发明的技术方案，假定将响铃器的关闭时间确定为:TR_0FF= 1500ms (4).[0073]显然这个数据只是为了便于举例说明，而并非一个本发明的技术上的定量特征。
根据方程(2)、(4)按钮器100的持续重复发射时间:ΤΤ_0Ν > 1500ms(5)一般的门铃，为了防止附近有2个以上相同厂家生产的门铃存在，响铃器收到邻居的按钮信号而误响应，按钮器发送的内容至少含有门铃的编码信息。每一对门铃，具有不同的编码，每一对门铃的按钮器和响铃器，具有相同的编码。编码至少有几个bit的内容，以使附近每一对门铃的编码都不相同，响铃器只有收到和自己相同的编码信息，才作反应，控制音响，发出音乐。至少含有编码信息的全部发送信号命名为“Y”信号，这是一个数据包，发送所需时间=TTY，至少具有几个bit的发送时间，那么按照普通的方法，采用上述“开启/关闭”方法，按钮器100被按键发射时，就必须在ΤΤ_0Ν的时间内，连续地反复地发送“Y”信号，如图4 (a)。响铃器200的开启时间，TR_0N，必须大于两次“Y”信号的发送时间TTY，才能保证到响铃器接收到完整的一个“Y”信号。即:TR_0N 彡 2*TTY(6)因为最不利的情况，是按钮器100刚开始发送“Y”信号，响铃器200才开启，所以响铃器200必须等这个“Y”信号发完，才能接收到下一个完整“Y”信号，因此TR_0N ^ 2*TTY，而不是 TR_0N ^ TTYo如果假定“Y”信号含有N个bit的信息，信号发送的波特率=1/T，则发送“Y”信号所需时间ΤΤΥ=Ν*Τ，根据方程(6)响铃器每次开启时间 TR_0N彡2* N * T (7)作为一个合理的假设，假定TR_0N=30ms，根据(I)和(4)，能耗降低为30/1500=1/50根据上面的措施，响铃器的消耗的能量，已经大大下降。第二个方面，改进接收的策略，减少TR_0N:对于响铃器200，现在每次开启，不再是接收搜索“Y”信号，而是首先接收搜索一次信道上是否有信号，而忽略信号的其他所有特性。也就是说，这时只关心信号幅度，忽略信号的相位、频偏等特性，更不会理会编码格式，这时接收机的行为如同一个AM接收机。结果将会出现以下两种情况:( i ) 如图4(c)B点所示，收到信号。那么响铃器200再继续打开ΤΤ_0Ν时间，此时就按照按钮器所发送信号的格式，包括调制方式，编码格式，接收搜索“Y”信号，之后关闭，重新开始下一个“开启/关闭”周期。
·[0085]( )如图4 (d)所示，没有收到信号。那么立刻直接关闭响铃器200除定时器202之外的所有部分，重新开始下一个“开启/关闭”周期。( i )的情况，是按钮器100被按键才出现的。每天，按键103被按下，发出信号的机会极少，几乎所有的都是(ii)的情况，根据方程(3)，(ii)出现的次数极大。所以，为更简单明了地说明本发明，忽略(i)情况下的能量消耗，只考虑(ii)的情况。那么响铃器200的开启时间TR_0N就是搜索接收一次信道上是否有信号的时间，根据前面提到的接收机在检测信道上是否有信号时的行为，接收机开启接收信号的时间可以少于I个bit的时间。现在方程(7)演变为TR_0N = T0与第一步相比，TR_0N降低2N倍，根据方程(I)平均功耗降低了 2N倍。通过上述两步，平均能耗已大幅降低。如图5示是本发明提供的接收机的一个实施例，这是一个调谐放大接收机。天线501进来的信号，经过高频低噪声放大502，高频带通滤波503后，再经过非线性的包络检波器504，低频放大505，就到达输出506。当天线501接收到载波信号时，输出产生较高的电压506 ；当天线没有收到载波信号时，输出将会是较低的电压506。本电路可以作为响铃器200的接收机201，被响铃器200的定时器202开启/关闭。如图6所示是本发明提供的接收机的另一个实施例，它是传统的超再生电路，它的振荡器602是一个简单的LC振荡器，当LC振荡回路的频率，与天线601接收到的信号的频率一致的时候，LC振荡回路起振所需要的时间更加快。因为没有外来的同频率信号时，振荡器是靠热噪声激发起振，如图7 (c)的A点；有外来同频率信号时，则是受这个外来信号激发起振，因而起振的时间更短，如图7 (C)的B点。熄灭(quench)控制电路603产生一个开关信号，使振荡器602不断处于关闭、起振的状态中，包络检波604将高频RF信号去除之后就产生了如图7 Cd)的频率等于熄灭控制信号频率的脉宽调制(pwm)信号，再经过低频低通滤波605的环节，将按钮器所调制的低频信号检出，如图7 (e)示。本电路可以作为响铃器200的接收机201，响铃器200的定时器202的输出信号，用作熄灭控制信号，开启/关闭振荡器602。如图8所示，本发明的又一个实施例，它是采用改进的超再生接收机电路，省去了传统的超再生接收机电路的低频低通滤波605的环节。 电路工作流程如图9示。存储器805将计数器804的输出储存，之前N次计数(例如8次)的输出，都被储存在存储器805，平均值电路806，算出此N个计数值的平均值，取其平均值之下的某个值作为比较器807的阈值，放置在比较器807的一个输入端809。根据超再生接收机的原理，振荡器802的起振时间取决于天线801是否有外来的同频率载波信号，如果有，则起振时间变快。图8的电路，就是直接测量振荡器802的起振时间，以此判断当前是否有与振荡频率相同的载波信号从天线801输入。现在，定时器810输出高电平作为熄灭控制电路803的信号启动振荡器802，同时也启动计数器804开始计数，当振荡器802的振荡建立后，振荡的幅度足够大时，将触发计数器804停止计数，并触发关闭振荡器802。定时器810也可以由定时器202来担任。此时计数器804的值，就对应本次振荡器802的起振时间。将计数器804的值，送到比较器807的另外一端808，与阈值809比较。当前计数值808小于阈值809的，就判决为信道有载波信号输入，输入数据为逻辑I，否则判决为信道没有载频信号，输入数据位逻辑O。
`[0098]接着计数器804当前值送入存储器805,并被清零。如果振荡器802的频率太高，(例如30M以上)，计数器804来不及反应，可以在振荡器802后面加上二极管和电阻电容构成的包络检波器环节，用振幅的包络来触发计数器804和关闭振汤器802。通过上述措施，平均能耗已经大幅降低，这样就完全可以只是用太阳能电池来提
供能量。响铃器还有一个人机接口，防止用户在响铃器首次安装使用时，将响铃器安装于过于黑暗的环境，例如墙角、门背后。它能够提醒用户，避免出现响铃器完全不能采光这种情况出现。如图10示，当用户将响铃器的电源按钮推向“开启”位置时，通过A/D变换器1002读入太阳能电池1001的电压值，在比较器1003比较，当电压值太低时，判断为安装位置过于黑暗，控制LED闪烁，提示用户:所安装的位置，光线太暗了。按钮器和响铃器的内部，都可以有一个升压的充电电路，因为在一天当中，光强的变化幅度非常大，当光线不强时，太阳能电池的电压会下降，可以采用升压电路，对太阳能电池的输出电压进行升压，使得太阳能电池能对充电电池继续充电。
权利要求1.一种太阳能无线门铃，具有发送信号的按钮器和接收信号的响铃器，其特征在于: 所述门铃仅使用太阳能电池为能量来源，当环境光线充足时，太阳能电池给门铃提供工作电流并向可充电电池充电，当环境光线不足甚至没有时，可充电电池向门铃提供工作电流； 所述响铃器含有定时器(202)，音响电路，接收机，所述响铃器被所述定时器(202)控制，工作在连续的“开启/关闭”模式:当定时器的开启定时时间到达时，所述响铃器被开启，等待接收所述按钮器发送的信号；经历一段开启时间后，所述响铃器被关闭，接收功能被停止，定时器(202)开始计时，直到经历一个关闭时间后，又开始一个“开启/关闭”周期； 所述音响电路依据在开启时间内，所述响铃器是否收到所述按钮器发送的信号，而启动发出声音或者保持关闭。
2.根据权利要求1所述的太阳能无线门铃，其特征在于:所述按钮器含有定时器(102)，所述按钮器被所述定时器(102)控制，发送信号的时间大于所述响铃器的关闭时间。
3.根据权利要求1所述的太阳能无线门铃，其特征在于:所述接收机是超再生接收机。
4.根据权利要求1所述的太阳能无线门铃，其特征在于:所述响铃器的接收机是没有低通滤波器的超再生接收机。
5.根据权利要求4所述的太阳能无线门铃，其特征在于:所述超再生接收机含有定时器、包络检波器、计数器、比较器、存储器、平均值电路。
6.根据权利要求5所述的太阳能无线门铃，其特征在于:所述定时器、包络检波器、计数器、比较器、存储器、平均 值电路被嵌入到微处理器MCU中。
7.根据权利要求1所述的太阳能无线门铃，其特征在于:所述的响铃器有一个人机接口，当响铃器安装在过于黑暗的环境，或者获得的太阳能电池的能量太低时，能够发出显示或声音，提醒用户。
8.根据权利要求1所述的太阳能无线门铃，其特征在于:所述的按钮器有一个人机接口，当用户按键时，发出显示或者声音指示。
专利摘要一种以太阳能为完全动力的太阳能无线门铃。响铃器含有定时器，定时器控制响铃器工作在连续的“开启/关闭”模式。按钮器也含有定时器，定时器控制按钮器发送的信号首先是一个持续时间大于响铃器的关闭时间的连续的RF载波信号。响铃器具有人机接口界面，首次上电安装时，如果太阳能电池获得的能量太低时，发出显示或者声音提示。门铃的功耗极低，小巧美观，除太阳能之外，不需要使用其他能源。
文档编号G08C17/02GK203149741SQ20122060261
公开日2013年8月21日 申请日期2012年11月14日 优先权日2012年11月14日
发明者杜若平, 肖琦伟 申请人:杜若平