本实用新型属于智能开关领域，尤其是涉及一种基于超级电容和充电电池的无线智能墙壁开关。
背景技术：
目前在市场上具有嵌入式系统的智能开关所面临的问题主要有:1、目前的智能开关控制多采用单向通讯——遥控器单方向向开关发出指令，由于无法实现双向通讯，开关的状态信息、自检情况等无法传送出去，同时也限制了更灵活的应用。2、为适应标准的配线方式需要通过单火线取电，采用单火取电方案时，当关灯时，需要窃取一定的电流，而现在普遍使用节能灯具——节能灯、led灯等，由于原理性的原因，窃取的电流如果过大会造成灯具产生鬼火(闪烁)现象；而对于无线网络中的一个智能节点，设备需要以一定的功率进行接收、发送相关信息，这需要较大的瞬时电流，会加大鬼火现象。综上所述，本开关为适应这些情况和克服相应问题而设计。
技术实现要素：
有鉴于此，本实用新型旨在提出一种基于超级电容和充电电池的无线智能墙壁开关，以解决双向通讯，及当关灯时灯具闪烁的问题。
为达到上述目的，本实用新型的技术方案是这样实现的：
一种基于超级电容和充电电池的无线智能墙壁开关，包括：
无线模块单元，包括无线模块和继电器模块，所述无线模块用于接收用户发出的开关控制指令后控制所述继电器模块闭合或断开从而控制灯具亮灭；
系统供电及电池电容充电单元，包括超级电容、充电管理电路、充电电池和降压电路，所述超级电容与单火取电单元连接，通过单火取电单元充电；所述充电电池通过降压电路为系统供电；当所述超级电容的电量达到设定值后，超级电容通过充电管理电路对所述充电电池充电，同时超级电容也经由降压电路为系统供电；
单火取电单元，包括mos管开关单元、运放单元和电压转换单元，所述mos管开关单元的输入端连接火线，输出端连接所述继电器模块构成灯具供电回路；所述运放单元连接所述mos管开关单元对灯具供电回路进行斩波处理，并从mos管开关单元取得部分电流送入到所述电压转换单元，所述电压转换单元供电给所述系统供电及电池电容充电单元。
进一步的，所述无线模块单元还包括双刀双掷按键开关，其中一路单刀单掷开关一端连接无线模块，另一端接地；另一路单刀单掷开关的一端连接所述mos管开关单元的输出端，另一端控制连接灯具。
进一步的，所述无线模块为zigbee模块、blemesh模块中的至少一种，继电器模块为磁保持继电器。
相对于现有技术，本实用新型具有以下优势：
(1)本实用新型采用无线模块同用户app通信，达到了双向通讯并实时控制灯具开关及更新灯具状态的效果。
(2)本实用新型在灯具关闭时系统供电由充电电池提供，并不会从火线上窃取电流，从而有效消除了鬼火现象的产生。
(3)本实用新型在传统的单火取电方案的基础上增加了超级电容和充电电池，采用先对超级电容充电后由超级电容对充电电池充电，从而解决了单火取电的电流太小而无法对充电电池充电的问题。
(4)本实用新型采用储能元件超级电容，在用户平均每天开灯一段时间情况下会大大提高电池的续航时间，如果开灯时间达到一定时长，理论上可以无限续航。
(5)本实用新型在电池没电时或者用户按动开关时可有效控制灯具的开关，并可同步更新灯具的状态。
(6)本实用新型优选采用镍氢电池，超级电容和镍氢电池的安全性较高，不会存在过充过放导致的爆炸风险。
附图说明
构成本实用新型的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：
图1为本实用新型实施例基于超级电容和充电电池的无线智能墙壁开关结构总框图；
图2为本实用新型实施例无线模块单元的结构框图；
图3为本实用新型实施例系统供电及电池电容充电单元的结构框图；
图4为本实用新型实施例单火取电单元的结构框图；
图5为本实用新型实施例单火取电单元的电路图；
图6为本实用新型实施例无线模块的引脚图；
图7为本实用新型实施例系统供电及电池电容充电单元的电路图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。
本实用新型的基于超级电容和充电电池的无线智能墙壁开关，主要是要实现双向通讯，并实时控制灯具开关及更新灯具状态的效果；同时在灯具关闭时，并不会从火线上窃取电流，有效消除了鬼火现象的产生。基于超级电容和充电电池的无线智能墙壁开关，如图1所示，包括：
无线模块单元1，包括无线模块4和继电器模块，所述无线模块4用于同用户app通讯，获取app开关控制指令后控制所述继电器模块闭合或断开从而控制灯具亮灭；
系统供电及电池电容充电单元2，包括超级电容7、充电管理电路8、充电电池9和降压电路10，所述超级电容7与单火取电单元连接，通过单火取电单元充电；所述充电电池9通过降压电路10为系统供电；当所述超级电容7的电量达到设定值后，超级电容7通过充电管理电路8对所述充电电池9充电，同时超级电容7也经由降压电路10连接无线模块单元1，为系统供电；
单火取电单元3，包括灯亮时的闭态取电电路，用于对超级电容7充电；所述闭态取电电路包括mos管开关单元、运放单元和电压转换单元，所述mos管开关单元的输入端连接火线，输出端连接所述继电器模块构成灯具供电回路；所述运放单元连接所述mos管开关单元对灯具供电回路进行斩波处理，并从mos管开关单元取得部分电流经整流滤波后送入到所述电压转换单元，所述电压转换单元供电给所述系统供电及电池电容充电单元2。其中，所述电压转换单元用于将输入电压转换为3.3v电压，电压转换单元为ldo芯片13或者dc/dc模块。
所述无线模块4为zigbee模块、blemesh模块中是至少一种，本实施例采用zigbee模块同用户app通信，达到了双向通讯并实时控制灯具开关及更新灯具状态的效果。具体的，本实施例采用小米低功耗zigbee模块mhcz01p，模块引脚定义如图6所示。本实施例的继电器模块为磁保持继电器5。
如图2所示，所述无线模块单元还包括双刀双掷按键开关6，所述双刀双掷按键开关6由2路联动的单刀单掷开关组成，其中，第一路单刀单掷开关一端连接无线模块，另一端接地；第二路单刀单掷开关的一端连接所述mos管开关单元的输出端，另一端控制连接灯具，用于用户按动该按键时控制灯具的亮灭。
用户也可以通过按动双刀双掷按键开关6来接通或断开其中第二路单刀单掷从而实现灯具的亮灭，并且双刀双掷按键开关6的第一路单刀单掷一端接地，另外一端接到无线模块4的i/o上，当用户按下开关时在打开或关闭灯具的同时也会发送相应信号到所述无线模块4，从而实现灯具状态的更新。
所述单火取电单元3的结构框图如图4所示，本实施例mos管开关单元为nmos芯片11，所述单火取电单元3包括nmos芯片11、运放芯片12、ldo芯片13以及其他阻容、二极管等形成的外围电路。所述单火取电单元3工作在磁保持继电器5闭合后，火线电流从l_in流入，经过nmos芯片11(开关)的ds端后流入到磁保持继电器5中，然后因为所述磁保持继电器5闭合从l_out端流出驱动灯具工作，形成灯具供电回路。
因市电为交流信号，当为负周期时电流方向相反。因此，取电时通过运放芯片控制nmos芯片11对灯具供电回路进行斩波，并从灯具供电回路中取得部分电流经整流滤波后送入到ldo芯片13，转换为3.3v供给所述系统供电及电池电容充电单元2的超级电容7。
所述单火取电单元3的一个具体实现电路如图5所示，本实施例nmos芯片为nmos管，单火取电单元3包括nmos管q41、运放芯片u17和ldo芯片u18，所述nmos管q41的d极接入火线电流，s极为输出端l_out，s极同时依次通过肖特基二极管d37、肖特基二极管d38连接ldo芯片u18的输入端，ldo芯片u18的输出端通过分压电阻r62连接运放芯片u17的负向端，同时运放芯片u17的正向端通过稳压管d35连接肖特基二极管d37的负极；所述运放芯片u17的输出端通过限流电阻r61连接nmos管q41的g极、通过下拉电阻r60接地、同时通过限流电阻r63连接三极管q40的基极，三极管q40的集电极通过电阻r64连接运放芯片u17的负向端，三极管q40的发射极接地。
其电路工作原理为：火线电流从l_in流入，经过nmos管q41(型号为csd17308q3)的ds端后从l_out流出，在nmos管q41的ds端并联有型号为b340lb-13-f二极管d36用于火线大电流的通路。型号为sm4007pl-tp的肖特基二极管d37用于从火线上形成取电回路，取电回路的电流流经二极管d37后经由稳压管d35(型号mmsz5242b-7-f)形成5v输出电压，后经由电容c10滤波后通过肖特基二极管d38(型号sm4003pl-tp)产生5v直流电压(相对于大地l_in)，然后经由滤波电容c24和c25后流入ldo芯片u18(ldo型号为ld2981abu33tr)产生3.3v直流电压，后经滤波电容c27后经过限流电阻r62和r64分压后进入运放芯片u17(型号为lm321mf)的负向端。同时运放芯片u17的正向端连接由电阻r59和电容c9组成的延时电路，配合稳压管d35从而控制运放芯片u17的输出端，其输出端通过下拉电阻r60和限流电阻r63后控制三极管q40(型号为mmbt3904)的集电极和发射极，从而控制运放芯片u17的负向端的电压。同时运放芯片u17的输出端经由限流电阻r61后连接到nmos管q41的栅极，从而控制nmos管q41的取电时间。
本实用新型实施例系统供电及电池电容充电单元2的结构框图如图3所示，包括超级电容7、充电管理电路8、充电电池9以及降压电路10，其中，超级电容7优选为2个串联的10f超级电容，所述充电电池9可以为镍氢电池、锂电池，优选为镍氢电池；系统在灯亮的时候通过单火取电单元3取电后经由ldo芯片13给超级电容7充电，此时充电电池9经由降压电路10对系统供电。其中，所述降压电路10的实现为现有技术，在此不再详述，本实施例的降压电路10由型号为sy8032的同步降压芯片及阻容、二极管等形成的外围电路组成。当超级电容7的电压达到由充电管理电路8设定的电压值后，超级电容7经由充电管理电路7对充电电池9进行充电，此时超级电容7同时经由降压电路10对系统供电。
所述系统供电及电池电容充电单元2的超级电容7、充电管理电路8、充电电池9部分的一个具体实现电路如图7所示，包括超级电容充电芯片u1(型号为ltc3225),电源路径管理芯片u2(型号为ltc4412)、镍氢电池充电管理芯片u3(型号为cn3085)和镍氢电池以及外围阻容、mos和二极管等组成。所述ldo芯片13的输出信号ldo_out连接超级电容充电芯片u1的vin脚和shdn脚、mos管q6的漏极，超级电容充电芯片u1的cout脚同时连接mos管q5的漏极、电源路径管理芯片u2的vin脚；电源路径管理芯片u2的stat脚连接mos管q6的栅极，电源路径管理芯片u2的gate脚连接mos管q5的栅极；mos管q6的源极同时连接mos管q5的源极、电源路径管理芯片u2的sense脚、电阻r2的一端、电阻r5的一端、电阻r4的一端、镍氢电池充电管理芯片u3的vin脚、电阻r9的一端；电阻r2的另一端连接u2的stat脚，电阻r5的另一端连接镍氢电池充电管理芯片u3的rc脚，电阻r4的另一端通过发光二极管d1连接镍氢电池充电管理芯片u3的chrg脚，电阻r9的另一端连接u3的temp脚，u3的temp脚通过电阻r7接地；u3的bat脚通过串联的二极管d2和电阻r11给镍氢电池充电。本实施例由电源路径管理芯片u2、镍氢电池充电管理芯片u3及阻容、二极管等形成的外围电路构成充电管理电路8。
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、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
1.一种基于超级电容和充电电池的无线智能墙壁开关，其特征在于包括：
无线模块单元，包括无线模块和继电器模块，所述无线模块用于接收用户发出的开关控制指令后控制所述继电器模块闭合或断开从而控制灯具亮灭；
系统供电及电池电容充电单元，包括超级电容、充电管理电路、充电电池和降压电路，所述超级电容与单火取电单元连接，通过单火取电单元充电；所述充电电池通过降压电路为系统供电；当所述超级电容的电量达到设定值后，超级电容通过充电管理电路对所述充电电池充电，同时超级电容也经由降压电路为无线模块单元供电；
单火取电单元，包括mos管开关单元、运放单元和电压转换单元，所述mos管开关单元的输入端连接火线，输出端连接所述继电器模块构成灯具供电回路；所述运放单元连接所述mos管开关单元对灯具供电回路进行斩波处理，并从mos管开关单元取得部分电流送入到所述电压转换单元，所述电压转换单元供电给所述系统供电及电池电容充电单元。
2.根据权利要求1所述的一种基于超级电容和充电电池的无线智能墙壁开关，其特征在于：所述无线模块单元还包括双刀双掷按键开关，其中一路单刀单掷开关一端连接无线模块，另一端接地；另一路单刀单掷开关的一端连接所述mos管开关单元的输出端，另一端控制连接灯具。
3.根据权利要求1所述的一种基于超级电容和充电电池的无线智能墙壁开关，其特征在于：所述无线模块为zigbee模块、blemesh模块中的至少一种，继电器模块为磁保持继电器。
4.根据权利要求1所述的一种基于超级电容和充电电池的无线智能墙壁开关，其特征在于：所述单火取电单元包括nmos管q41、运放芯片u17和ldo芯片u18，所述nmos管q41的d极接入火线电流，s极为输出端l_out，s极同时依次通过肖特基二极管d37、肖特基二极管d38连接ldo芯片u18的输入端，ldo芯片u18的输出端通过分压电阻r62连接运放芯片u17的负向端，同时运放芯片u17的正向端通过稳压管d35连接肖特基二极管d37的负极；所述运放芯片u17的输出端通过限流电阻r61连接nmos管q41的g极、通过下拉电阻r60接地、同时通过限流电阻r63连接三极管q40的基极，三极管q40的集电极通过电阻r64连接运放芯片u17的负向端，三极管q40的发射极接地。
技术总结