在工业物联网设施中利用无线能量收集开关来节省时间和成本

得益于改进的基于传感器的监测功能，工业物联网 (IIoT) 的进步已转化为工厂和制造效率的提升。此外，人机界面设备（如触摸屏和膜片开关）的改进也有所帮助。尽管如此，机械开关凭借耐用性和易用性，在某些情况下仍是控制系统所必需的。然而，当必须在与受控制设备保持一定距离的位置操作开关时，有时可能会出现问题。

例如，当叉车驾驶员必须控制入口通道时，或当受控制设备在正常情况下难以接近或处在环境受保护的位置时。在这种情况下，若布线既不可行且成本高昂，无线开关就是更好的选择。即便如此，无线开关的操作仍会受制于电池寿命，因而需要进行维护，以便定期充电或更换电池。

本文将说明 ZF Electronics（前身为 Cherry Industrial Solutions）的无电池能量收集开关如何解决以上问题。

工业物联网和能量收集开关应用

当迁移到工业物联网框架时，往往可以使用现有的设备，尤其在使用传统的壁装设备和电灯开关，并且这些位置的电源随时可以取用时。然而，许多制造设施的构造可以轻松配置，以便能够快速拆卸和重新配置当前装配线，来制造不同的产品。重新配置可能在停机时间方面造成昂贵的代价，因此，任何可缩短重新配置时间的技术或解决方案都值得设计人员和工厂技术人员重新审视。能量收集开关便是其中一种可节省时间的解决方案。

大多数工厂机器都已联网到主控制中枢，并且可以从该中央位置进行配置。但在某些情况下，为了控制设备位置的系统，必须在工厂车间内不合实际或不方便或两者兼而有之的位置操作设备。这类情况包括远程开启和关闭门，打开和关闭高电压设备，操作设备升降机，打开和关闭阀门，控制环保或敏感的设备或装置，以及配置通风系统等。有时，操作开关不能安装在一个地方，而必须是可移动的，或者可用的安装区域是玻璃或混凝土，因而无法固定安装支架。

尽管这些应用五花八门，但它们都有一个共同点 — 它们是非标准的开关应用。在这些应用中，常规安装、有线连接和维护程序均不适用。针对这些不寻常的应用，ZF Electronics 开发了无线、无电池开关，例如 AFIS-5003 能量收集跷板开关（图 1）。该开关是自足式免维护开关，不需要任何其他元器件便可正常运行。

图 1：ZF Electronics 的 AFIS-5003 不使用外部电源或电池。相反，它通过收集按下开关时产生的能量来产生用于传输无线信号的电力。（图片来源：ZF Electronics）

AFIS-5003 看起来像个标准的跷板开关，可以安装在标准的 27 x 12 毫米 (mm) 的安装孔中。但其背面没有两个触点安装凸片，而是从开关垂直延伸出一条 70 mm 的导线。该导线是用于将开关动作传输到兼容接收器的天线。开关通过转换按压开关时产生的能量来获取电力。按下开关的一侧需要 1.12 磅 (lb) 的作用力，该作用力由内置的小型发生器收集。

发生器输出的电压足以短时传输一系列 330 微瓦 (µW) 的 48 位数据包（称为电报），将开关状态发送到兼容的接收器。AFIS-5003 的传输频段为 915 兆赫兹 (MHz)，电报将被传输 3 次，但此开关也可配置为最多传输 7 次电报，以提高可靠性。每个传输的电报之间的延迟是伪随机间隔的，这有助于克服任何周期性的射频干扰，包括可能在同一时间激活的其他 AFIS-5003 开关。每个电报都包含开关的唯一 ID 号、开关状态以及为该开关致动而发送的电报总数。

AFIS-5003 开关的额定致动次数为 100,000 次，因而足够坚固，可以经常使用。工作温度为 -40°C 至 +85°C，因此适用于大多数工业环境。开关的防护等级为 IP40，虽然不防潮，但可以防尘。在工业环境下，建议将开关安装在小型外壳中。外壳应该是塑料的，因为金属会干扰无线信号的传输。

由于开关无需电源，因此不需要为电池充电或更换电池，省去了昂贵的日常维护。若在接收电报时遇到问题，这也有助于进行故障排除，因为不需要诊断电池寿命的问题。此外，无需为开关提供外部电源，因而简化了工厂布局。如有必要，可以在几秒钟内轻松地将开关移到另一个位置，而无需安排维护人员重新安置开关和电源。

电梯操作

开关有两个天线：内置的印刷电路板天线范围有限，具体取决于外壳和环境。对于更远的距离，开关背面的一根 2.756 英寸有线天线可将电报传输到远至 100 英尺的范围。不过，ZF Electronics 自己的测试表明，在视距开阔和干扰极小的情况下，这些能量收集开关可传输远至 980 英尺的距离。

与所有射频 (RF) 发射器一样，天线的正确放置对于开关效能的最大化至关重要。有线天线不能扭曲，而且不得与任何金属表面接触，这两种情况都有可能限制天线的范围。

AFIS-5003 开关的一项实际应用是叉车电梯。叉车操作员驶入电梯，然后需要在楼层之间移动电梯。叉车操作员可携带 ZF Electronics 的 AFIS-5003 开关以启用电梯，而不必浪费时间离开叉车操作墙壁开关。当工厂位置可能有来自其他设施的叉车临时工作时，或当其他叉车可能被重新分配到其他设施时，这一点尤其有用。AFIS-5003 开关随附一个塑料盒，可临时安装到叉车上，以方便操作员够到开关。由于开关只需在电梯内部传输信号，其中仅用到开关的内置印刷电路板天线，该应用将会因此而受益。这将限制传输范围，使其不太可能干扰其他开关或附近的装置。

能量收集开关接收器

开关将信号传输到兼容的 ZF Electronics 接收器，例如 AFZE-5003 接收器模块（图 2）。通过按下接收器上的配对按钮，然后激活能量收集开关，可以将开关发射器与接收器配对。接收器上的指示灯闪烁，即表明配对成功。该接收器可以接收多达 32 个 ZF Electronics 能量收集 915 MHz 发射器的信号，在制造商的协助下还可以将其增至 256 个发射器。一个能量收集开关可以与无限数量的接收器配对。在需要冗余或由于需要从多个远程位置控制同一系统而必须扩大开关范围的关键应用中，将一个开关与两个或多个接收器配对可能非常有用。

图 2：ZF Electronics 的 AFZE-5003 915 MHz 接收器模块（右图）可以从多达 32 个能量收集发射器接收信号，并且还可扩展至多达 256 个发射器。另外也可提供不带外壳的版本，如左图所示。（图片来源：ZF Electronics）

AFZE-5003 可以连接到任何微控制器、可编程逻辑控制器 (PLC) 或具有 UART 接口的计算机，该接口可支持使用 TTL 逻辑电平的 RS-232 或 RS-485。如图 2 所示，右侧的 AFZE-5003 置于适合工业环境的塑料外壳中。它还有一个 USB 2.0 接口，用于连接到主机 PC 进行应用开发。AFZE-5003 的工作组件是一个邮票大小的电路板，如图 2 左图所示。该板还可作为独立单元提供，以集成到更大的系统中。

接收器可通过 USB 接口或外部 5 伏电源供电，即使断开电源时也能保持配对信息。AFZE-5003 可位于中央 PLC 附近，接收来自工厂车间内所有能量收集开关的电报。然后通过 UART 将开关状态发送到 PLC，再由 PLC 通过以太网或 Wi-Fi 配置相应的设备。

能量收集开关的开发

为了进行开发，ZF Electronics 提供了 AFIK-5002 能量收集评估套件（图 3）。

图 3：ZF Electronics 的 AFIK-5002 评估套件包含开发人员评估能量收集开关系统所需的一切，包括跷板开关、按钮、独立发生器和接收器。（图片来源：ZF Electronics）

评估套件包含前面讨论的相同接收器单元和跷板开关。另外还包括一根 USB 电缆。在图 3 的中间前景中可以看到用于接收器的塑料天线外壳。该评估套件还包含一个能量收集按钮开关以及一个类似于 ZF Electronics AFIG-0007 的独立能量收集发生器（图 3 所示，带有黄色线圈）。该发生器是每个 ZF Electronics 能量收集按钮或跷板开关的核心组件，负责将开关致动转换为传输的电报。开发人员可以按原样使用能量收集发生器，也可以使用该发生器来构建自己的能量收集开关。

该评估套件易于使用。接收器通过 USB 连接到运行套件演示软件的 PC。附带的任何或所有开关都可以与接收器配对。演示软件将显示配对操作的状态，以及所有收到的电报，包括原始的 48 位电报数据、时间戳、开关的唯一 ID 号、开关状态、为该开关致动而传输的电报计数，以及信号强度。信号强度信息尤其重要，因为它对于确保发射器和接收器之间的距离和放置能够实现可靠的信号强度很有帮助。

总结

能量收集开关可以解决工业物联网情况下似乎没有简易解决方案的独特问题。如上所述，通过在常规解决方案不可行的位置增加开关放置的灵活性，可以大幅简化工业设施的布局。