创新实践课程

万能电灯遥控开关1背景随着生活水平的提高，“楼上楼下，电灯电话”的构想早已实现，且远远超越了毛主席当年的设想。家家户户对于灯具的应用可谓“炉火纯青”，嵌顶灯、吸顶灯、吊灯、壁灯、活动灯等各式各样的灯具早已深入人心。然而随着社会的发展，环境、能源问题与日俱增，电灯作为日常电力消耗品引起了广泛的关注。政府对节能灯管的提倡、太阳能路灯的普及以及“地球1小时”等活动的展开，充分说明了电灯与能源的关系。目前，电灯的控制结构基本采用机械式按钮开关，虽然延时开关、声控开关、光感开关等智能开关有所应用，但范围比较局限，一般应用于特定的场合，如楼道、门口等，对于家用电灯，还是以机械式为主，一个电灯由一个或多个固定的机械式按钮开关控制，需要到固定的地方进行开关操作，且每个房间拥有独立的控制开关。在应用过程中，特别是在寒冷的冬季，往往会出现这种情况：回到房间，发现卫生间或者厨房或者阳台的灯没关，房间外寒冷和房间内温暖的对比往往使人产生懒惰心理，任凭电灯肆虐地亮着，能源的浪费由此产生！此时，如果能有一个开关控制任何一个房间的电灯那该多好啊！基于此，本方案提出了一个万能电灯遥控器的设想，即在房子的任何地方都可以控制任何一盏电灯的开或关。利用TRIZ理论完成了该万能电灯遥控器的设计，并给出了设计原理图、程序面板图、仿真视频以及关键部件选型要点。2创新原理根据TRIS创新理论和方法，要解决上述问题，首先需要确定其物理矛盾，应用4个分离原理加以解决，然后将解决过程中出现的技术矛盾应用40个创新原理、结合矛盾矩阵加以解决。2.1物理矛盾与分离原理对于上述问题的物理矛盾，体现为：电灯开关的固定性和人所处位置的流动性之间的矛盾。对此，根据空间分离原理，将矛盾双方在不同的空间隔离，即改变电灯开关的固定性，使其可以随着人所环境位置的流动而流动，即可移动的开关。此时，又出现了新的物理矛盾，体现为：电灯开关的流动性和电灯的固定性之间的矛盾。对此，根据整体与部分分离原理，将矛盾双方在不同层次上分离，即将电灯与电灯开关分离，即远程控制的开关。2.2技术矛盾与创新原理根据TRIZ理论，对于空间分离原理，一般可应用分割、抽取、局部质量等10个创新原理。结合实际情况，对于上述问题，可采用借助中介物原理（使用中介物传送某一物体或某一种中间物体）解决，即将原本使用人与开关按钮接触的力量来控制电灯开关的情况转换为利用电磁波将这种力量传递至开关按钮，借助无线发射器、无线接收器以及继电器完成。对于部分与整体分离原理，一般可应用等势、多孔材料、改变颜色等9个创新原理。结合实际情况，对于上述问题，可采用机械系统替代原理（电场、磁场及电磁场完成物体间的相互作用）解决，即用继电器点触式开关代替原来的机械0p按钮开关。3设计思路及整体构想根据上述分析，本方案所设计的“万能开关遥控器”是在原有机械式按钮开关的基础上加以改造实现的，其原理图如图1所示。图1万能电灯遥控器电路原理图在原有开关的基础上加装电磁继电器，继电器由无线接收模块控制，无线接收模块接收无线发射模块即遥控器发出的信号，实现开关控制。其中，对于不同电灯，可对其无线接收模块进行频段设置，对应遥控器的不同按钮，从而实现差异化控制。4设计方案根据原理图所示，本方案运用LabView虚拟仪器软件进行了该原理模型的仿真验证，给出了仿真原理图、仿真面板图、仿真视频，并结合功能需求对关键模块进行了相应的实物描述。4.1仿真程序面板图根据实际情况描绘了如图2所示的面板图：厨房、客厅、卫生间、阳台各有一盏灯具，并分别由各自独立的双控开关系统控制，其中手动开关即传统的机械式按钮开关，遥控开关则是在手动开关的基础上加装了本方案所设计的继电器和无线接收模块，结合遥控面板的无线发射模块，实现遥控控制；遥控面板的各按钮可控制发射不同频段的电磁波，完成对不同房间的开关控制。图2仿真程序面板图4.2仿真程序原理图图3所示为仿真程序的原理图，描绘了其工作原理。图3仿真程序原理图4.2仿真效果视频利用LabView实现的效果仿真结果见《附件2：“万能电灯遥控器”仿真视频文件（110010032周琳）》。4.3关键部件选型要点本方案所设计的“万能电灯遥控器”的关键部件主要有两方面，一是替代机械按钮开关的继电器开关，二是实现信号传递的无线收发模块，根据功能需求，其选型要点具体如下：继电器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。根据作用原理的不同，一般可分为电磁继电器、固态继电器、时间继电器、温度继电器、风速继电器、加速度继电器、光继电器等。根据功能需求，本方案应采用电磁继电器，即在输入电路内电流的作用下，由机械部件的相对运动产生预定响应的一种继电器。电磁继电器又包括直流电磁继电器、交流电磁继电器、磁保持继电器、极化继电器、舌簧继电器和节能功率继电器。由于本方案设计的继电器需要完成开关的功能，因此应选用磁保持继电器，该继电器将磁钢引入磁回路，继电器线圈断电后，继电器的衔铁仍能保持在线圈通电时的状态，具有两个稳定状态。如图4所示为市场上的磁保持继电器示例。图4磁保持继电器无线收发模块随着无线技术的日益发展，无线传输技术应用越来越被各行各业所接受。其常用的传输模式有蓝牙、ZigBee、射频等，且各有特点。蓝牙是一种支持设备短距离通信（一般10m内）的无线电技术，能在包括移动电话、PDA、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间进行无线信息交换，能够有效地简化移动通信终端设备之间的通信，也能够成功地简化设备与因特网Internet之间的通信，从而数据传输变得更加迅速高效，为无线通信拓宽道路。ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议，是一种短距离、低功耗的无线通信技术，其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本，主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。无线射频译（RFID）是20世纪90年代兴起的一种非接触式的自动识别技术，相对于传统的磁卡及IC卡技术具有非接触、阅读速度快、无磨损等特点，能在阅读器和射频卡之间进行非接触双向数据传输，以达到目标识别和数据交换的目的，与传统的条型码、磁卡及IC卡相比，射频卡具有非接触、阅读速度快、无磨损、不受环境影响、寿命长、便于使用的特点和具有防冲突功能，能同时处理多张卡片。通过比较分析，由于本方案设计的模块不需要大量无线数据收发，只需要实现信号控制，因此采用无线射频传输模式比较适合。如图5所示为无线射频收发模块产品图。图5无线射频收发模块5