基于PC的智能家電無線紅外遙控系統(tǒng)

周平，呂勇，易愷迪，陳飛挺

（北京信息科技大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京 100192）

基于PC的智能家電無線紅外遙控系統(tǒng)

周平，呂勇，易愷迪，陳飛挺

（北京信息科技大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京 100192）

基于PC的智能家電遙控系統(tǒng)是以單片機(jī)CC2530為核心驅(qū)動、以YS-IR01F為紅外學(xué)習(xí)核心模塊的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括三部分，分別為用戶控制界面、網(wǎng)關(guān)模塊以及底層紅外驅(qū)動模塊，該系統(tǒng)可以通過對家用紅外遙控?cái)?shù)據(jù)的學(xué)習(xí)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)利用PC用戶界面控制包括電視、投影儀等普通家電，初步實(shí)現(xiàn)家電智能化。滿足一般家庭對智能家居的要求，方便人們的生活。

PC；無線紅外；智能家電控制；紅外學(xué)習(xí)

0 引言

隨著科技的不斷發(fā)展，智能化產(chǎn)品設(shè)備日新月異，層出不窮，同時(shí)越來越多的多媒體設(shè)備進(jìn)入了人們的生活、學(xué)習(xí)中，例如，在多媒體教室中，我們經(jīng)常用到的數(shù)字投影儀，在家庭設(shè)備中我們每家必備的電視機(jī)、空調(diào)等，這些設(shè)備中大部分都采用紅外遙控設(shè)備來實(shí)現(xiàn)對相應(yīng)的設(shè)備遠(yuǎn)距離控制，由于智能化家電的控制是相對獨(dú)立的，不受其他的遙控設(shè)備數(shù)據(jù)的影響，因此我們要想同時(shí)控制多個(gè)設(shè)備時(shí)就會給我們帶來不便，如果我們僅僅通過每個(gè)家庭普遍存在的PC來實(shí)現(xiàn)對整個(gè)遙控網(wǎng)絡(luò)的控制，這無疑會給我們的生活帶來很大的便利。現(xiàn)在越來越要求電器設(shè)備具有智能處理功能，但就目前而言暫時(shí)還無法讓人們大量體驗(yàn)這種智能設(shè)備，主要是存在這樣幾個(gè)問題，首先這樣的智能成本相對較高，設(shè)備價(jià)格不菲，普通家庭承受不了這樣的費(fèi)用；其次無法在短時(shí)間內(nèi)完成對那些不具備智能功能設(shè)備的替換，即使完成替換也將造成大量浪費(fèi)。如果操作者可以將不同網(wǎng)絡(luò)編號的底層紅外驅(qū)動設(shè)備放在設(shè)備的前端，這樣，操作者不需要拿著遙控器對著設(shè)備的紅外感應(yīng)頭進(jìn)行遙控，也不需要來回在某個(gè)空間范圍內(nèi)來回走動。如果可以通過改造這些設(shè)備來達(dá)到基本的智能功能，這無疑是一次非常具有實(shí)用性的創(chuàng)新和探索。

本文要介紹的基于PC的智能家電遙控系統(tǒng)是一種將家用遙控器上的紅外數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)后再控制設(shè)備的一套系統(tǒng)，在紅外控制家用設(shè)備之初，它需要對不同的紅外數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)，具體流程為通過上位機(jī)將紅外學(xué)習(xí)命令通過USB串口下發(fā)到網(wǎng)關(guān)設(shè)備，網(wǎng)關(guān)設(shè)備再通過單片機(jī)CC2530的物理層將上位機(jī)發(fā)來的數(shù)據(jù)組合成數(shù)據(jù)包并通過無線的方式轉(zhuǎn)發(fā)給底層紅外驅(qū)動設(shè)備，底層紅外設(shè)備接收到網(wǎng)關(guān)發(fā)來的無線數(shù)據(jù)后判斷接收到的是否為有效數(shù)據(jù)，如果為有效數(shù)據(jù)則驅(qū)動設(shè)備反饋給上位機(jī)，并且紅外學(xué)習(xí)芯片YS-IR01F處于學(xué)習(xí)狀態(tài)，等待紅外數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)；當(dāng)上位機(jī)發(fā)出控制命令時(shí)，則芯片YS-IR01F將會調(diào)用之前相應(yīng)學(xué)習(xí)的紅外數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對家用電器的控制。

目前暫時(shí)先研究通過PC來控制這些設(shè)備，隨著研究的深入可以嘗試通過手機(jī)來控制，更進(jìn)一步則是可以將電器設(shè)備與各種類型的傳感器形成系統(tǒng)結(jié)合起來，以此完成設(shè)備的智能自動化操作。

1 系統(tǒng)概述

該系統(tǒng)是一個(gè)便于操作和控制家用電器的遙控系統(tǒng)，它不僅在操作層面上使得人們控制家用電器簡單方便，同時(shí)它還能夠?qū)⒃S多紅外遙控設(shè)備組成一個(gè)星形網(wǎng)絡(luò)，從而通過電腦客戶端來實(shí)現(xiàn)對整個(gè)紅外遙控設(shè)備的遙控。整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

從上圖1中我們可以看到，本系統(tǒng)主要有三部分構(gòu)成：基于PC的上位機(jī)用戶界面設(shè)計(jì)部分、底層驅(qū)動軟件部分以及硬件設(shè)計(jì)部分。

設(shè)計(jì)思路：上位機(jī)主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)對整個(gè)系統(tǒng)的控制，它通過發(fā)送數(shù)據(jù)給紅外學(xué)習(xí)模塊來實(shí)現(xiàn)對紅外的學(xué)習(xí)及發(fā)射紅外控制命令。首先，上位機(jī)通過無線串口將學(xué)習(xí)命令數(shù)據(jù)通過無線發(fā)送給紅外學(xué)習(xí)模塊，然后紅外學(xué)習(xí)模塊就可以開始對紅外遙控設(shè)備進(jìn)行學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)完后，紅外模塊開始保存學(xué)習(xí)到的紅外數(shù)據(jù)并回饋給上位機(jī)，上位機(jī)便可以對紅外學(xué)習(xí)模塊下達(dá)控制命令，從而實(shí)現(xiàn)對家庭紅外系統(tǒng)的控制。系統(tǒng)簡單流程圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)流程圖

2 上位機(jī)界面設(shè)計(jì)

上位機(jī)用戶界面采MFC編寫，它主要是通過串口傳遞數(shù)據(jù)。傳遞時(shí)，需要先確定串口號、波特率、奇偶校驗(yàn)位，停止位等，成功設(shè)置后即可打開串口，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。程序主要通過創(chuàng)建線程來接收數(shù)據(jù)，通過按鈕來發(fā)送數(shù)據(jù)。程序分為控制模式和學(xué)習(xí)模式，控制模式是控制下位機(jī)對家電進(jìn)行控制，學(xué)習(xí)模式是控制下位機(jī)學(xué)習(xí)家電的紅外數(shù)據(jù)。用戶界面圖形如圖3所示。

圖3 上位機(jī)界面圖

從圖3中我們可以看到：該上位機(jī)主要由三部分組成：串口基本參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收、網(wǎng)絡(luò)設(shè)置及上位機(jī)的學(xué)習(xí)與控制。

串口基本的參數(shù)設(shè)定：該部分主要是對設(shè)定網(wǎng)關(guān)與上位機(jī)的準(zhǔn)確鏈接，其主要包括端口號的設(shè)定及波特率的大小，端口號使得上位機(jī)與網(wǎng)關(guān)之間能夠相互之間傳送數(shù)據(jù)，而波特率則決定了發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確定位。

數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收：該部分主要是用來在上位機(jī)與網(wǎng)關(guān)之間的數(shù)據(jù)聯(lián)系，也就是通過這些數(shù)據(jù)來達(dá)到控制底層紅外學(xué)習(xí)模塊的學(xué)習(xí)與控制作用。

網(wǎng)絡(luò)設(shè)置：該部分說明了網(wǎng)關(guān)與在網(wǎng)絡(luò)中所在的哪個(gè)設(shè)備進(jìn)行通信，并決定了紅外學(xué)習(xí)命令還是紅外控制命令。由于設(shè)備就有兩個(gè)，一個(gè)是網(wǎng)關(guān)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)編號，一個(gè)是紅外遙控模塊的網(wǎng)絡(luò)編號，此部分的功能只用到了一部分，其他地方還可以擴(kuò)展。

上位機(jī)的學(xué)習(xí)與控制：該部分主要是對相應(yīng)設(shè)備的規(guī)定，其中包括紅外學(xué)習(xí)與紅外控制命令，而從整體上看，該部分主要控制的是空調(diào)和電視，但是由于本設(shè)備室采用先學(xué)習(xí)控制數(shù)據(jù)再進(jìn)行控制的方式，所以，在實(shí)現(xiàn)紅外控制方面，本設(shè)備還可以通過該部分控制其他紅外遙控設(shè)備，例如投影儀、遙控風(fēng)扇等。

通過該操作界面，我們可以在電腦上很容易地實(shí)現(xiàn)對家電實(shí)時(shí)控制，初步實(shí)現(xiàn)家居的智能化，并且該用戶界面操作簡單、實(shí)用方便，能夠讓操作者在短時(shí)間內(nèi)掌握操作的步驟。

3 底層驅(qū)動軟件設(shè)計(jì)

3.1 底層協(xié)議

本設(shè)計(jì)的底層驅(qū)動直接采用CC2530的物理層（底層協(xié)議）進(jìn)行無線數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收，并制定出了收發(fā)的私有協(xié)議，這樣設(shè)計(jì)不僅設(shè)計(jì)簡單，而且開發(fā)的速度快，能夠滿足設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)對家電的控制功能。該協(xié)議幀格式如表1所示：

表1 通信幀格式

3.2 命令定義

在對設(shè)備進(jìn)行無線遙控時(shí)，上位機(jī)要通過網(wǎng)關(guān)對無線設(shè)備進(jìn)行下發(fā)命令，通知無線紅外控制設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的操作處理，其命令如下表所示：

表2 命令定義

3.3 網(wǎng)關(guān)驅(qū)動軟件設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)是在網(wǎng)絡(luò)層以上實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)；是一種充當(dāng)轉(zhuǎn)換重任的計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)或設(shè)備，簡單地說就是在不同的通信協(xié)議、數(shù)據(jù)格式語言，甚至兩個(gè)體系結(jié)構(gòu)完全不同的系統(tǒng)之間，充當(dāng)翻譯器。

本設(shè)計(jì)的網(wǎng)關(guān)是通過USB串口實(shí)現(xiàn)無線發(fā)射/接收設(shè)備與PC之間的連接通信，從而實(shí)現(xiàn)了底層控制設(shè)備與PC之間的聯(lián)系與傳遞信息。

具體驅(qū)動實(shí)現(xiàn)方法：

在網(wǎng)關(guān)與PC握手后，網(wǎng)關(guān)開始檢測上位機(jī)是否下達(dá)命令或者底層紅外控制設(shè)備是否發(fā)來數(shù)據(jù)，當(dāng)檢測到上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)到網(wǎng)關(guān)后，網(wǎng)關(guān)便把發(fā)來的命令數(shù)據(jù)通過無線發(fā)送到底層紅外設(shè)備，而當(dāng)網(wǎng)關(guān)檢測到底層紅外控制設(shè)備發(fā)來數(shù)據(jù)時(shí)，它便把這些數(shù)據(jù)送到串口緩沖區(qū)，在串口顯示，因而我們可以直觀地看到底層數(shù)據(jù)反映來的情況。

3.4 底層驅(qū)動軟件設(shè)計(jì)

總流程設(shè)計(jì)：

圖4 底層驅(qū)動流程

底層驅(qū)動就是接收上位機(jī)發(fā)送的命令，并對收到的命令進(jìn)行判斷識別，如果發(fā)送來的數(shù)據(jù)命令符合規(guī)定的協(xié)議，則底層驅(qū)動便對上位機(jī)發(fā)送的命令進(jìn)行響應(yīng)并發(fā)送確認(rèn)幀通知上位機(jī)已經(jīng)收到數(shù)據(jù)，例如上位機(jī)發(fā)送來的數(shù)據(jù)是一個(gè)學(xué)習(xí)幀，那么底層驅(qū)動則進(jìn)入到紅外學(xué)習(xí)程序中等待外面數(shù)據(jù)的存儲，等下次上位機(jī)發(fā)送控制命令來控制紅外設(shè)備時(shí)，底層驅(qū)動則調(diào)用上次學(xué)習(xí)到的數(shù)據(jù)發(fā)射出去，從而控制相關(guān)的紅外設(shè)備。

圖5 USB轉(zhuǎn)串口電路圖

4 USB轉(zhuǎn)串口設(shè)計(jì)

上位機(jī)在傳達(dá)命令數(shù)據(jù)給網(wǎng)關(guān)模塊時(shí)，它是以串口的形式向網(wǎng)關(guān)模塊發(fā)送數(shù)據(jù)，因此在上位機(jī)與網(wǎng)關(guān)之前需要一個(gè)串口來實(shí)現(xiàn)兩者的聯(lián)系，本文采用以USB轉(zhuǎn)串口的設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)連接功能。其設(shè)計(jì)電路圖如圖5所示。

從電路圖中我們可以看出，USB轉(zhuǎn)串口是通過FT232RL芯片來實(shí)現(xiàn)的，F(xiàn)T232RL為接口轉(zhuǎn)換芯片，可以實(shí)現(xiàn)USB到串行UART接口的轉(zhuǎn)換，其工作電壓范圍為3.3V～5.25V，一共有28個(gè)管腳，其中15管腳USBDP為USB信號加，連接內(nèi)部串聯(lián)電阻和上拉電阻到3.3V。此管腳在與USB連接時(shí)連接USB的D+接口。16管腳USBDM為USB信號減，連接內(nèi)部串聯(lián)電阻。此管腳在與USB連接時(shí)連接USB的D-接口。

而1管腳TXD為發(fā)送異步數(shù)據(jù)輸出，5管腳RXD為接收異步數(shù)據(jù)輸入，兩者分別連接CC2530串口0位置2的P1_4和P1_5管腳用來接收和傳輸數(shù)據(jù)。

5 紅外控制電路模塊

本模塊是一個(gè)收發(fā)一體的萬能紅外學(xué)習(xí)模塊，采用I2C總線協(xié)議來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能，該模塊兼容市面上的機(jī)頂盒、電視機(jī)、電風(fēng)扇、MP3播放器、音響設(shè)備等99%的紅外學(xué)習(xí)，但不支持空調(diào)。從電路上和實(shí)物上來看，此紅外學(xué)習(xí)模塊結(jié)構(gòu)具有相對簡單、接口少、體積小等優(yōu)點(diǎn)，并且工作電壓在3.3V，普通的干電池或USB供電即能滿足要求，因而此設(shè)計(jì)采用此模塊進(jìn)行紅外設(shè)備的學(xué)習(xí)和控制。

●I2C總線協(xié)議：

I2C總線協(xié)議是PHILIPS公司開發(fā)的兩線式串行總線，一條是數(shù)據(jù)線（SDA），一條是時(shí)鐘總線（SCL），用于連接微控制器及其外圍設(shè)備，其最大的優(yōu)點(diǎn)就是簡單性和有效性，由于組件直接連接到兩條主線接口上，因此I2C總線所占的空間很小，減少了接口的數(shù)量以及電路板的空間，進(jìn)而也降低了成本。

圖6 紅外模塊

●總線信號類型：

I2C總線協(xié)議有三種信號類型，它們分別是起始信號、結(jié)束信號和應(yīng)答信號。

●起始信號：

SCL為高電平的時(shí)候，SDA由高電平向低電平跳變。

●結(jié)束信號：

SCL為高電平的時(shí)候，SDA由低電平向高電平跳變。

●應(yīng)答信號：

接收數(shù)據(jù)的設(shè)備在接收到8位數(shù)據(jù)后向發(fā)送數(shù)據(jù)的設(shè)備發(fā)送一個(gè)低電平脈沖，CPU單元在向受控單元發(fā)送數(shù)據(jù)后，等待受控單元返回應(yīng)答信號，CPU根據(jù)受控單元發(fā)送的應(yīng)答信號決定是否向受控單元發(fā)送數(shù)據(jù)，如果CPU單元未接收到受控單元發(fā)送過來的應(yīng)答信號，則判斷受控信號出現(xiàn)故障。

注意：在SCL為高電平期間，SDA上的數(shù)據(jù)要求必須穩(wěn)定，不允許發(fā)生跳變。

●數(shù)據(jù)的傳輸：

數(shù)據(jù)的傳輸分為讀操作和寫操作。在I2C協(xié)議中，數(shù)據(jù)傳送是以每8位數(shù)據(jù)進(jìn)行傳遞，加上受控單元的應(yīng)答信號，一個(gè)信息的傳送一共9位，在這8位有效的數(shù)據(jù)當(dāng)中，前四位一般是廠家出廠時(shí)設(shè)定的，下面三位是主控單元發(fā)送數(shù)據(jù)的目標(biāo)位置，也就是受控單元的地址，最后一位是讀寫操作位，“0”為寫操作，“1”為讀操作。

6 結(jié)語

本文研制了基于PC的智能家電無線紅外遙控系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一個(gè)能夠通過電腦客戶端實(shí)現(xiàn)對家庭中的無線紅外遙控設(shè)備控制系統(tǒng)，組成一個(gè)以PC為中心的星形網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，通過對PC客戶端的簡單操作便可以實(shí)現(xiàn)對家用電器的控制，實(shí)現(xiàn)家電設(shè)備的初步智能化。系統(tǒng)的實(shí)物圖如圖7所示。該系統(tǒng)從整體來說有創(chuàng)新點(diǎn)為：

（1）通過電腦控制電視或空調(diào)等可紅外遙控的家電；

（2）使用射頻無線傳輸，提高應(yīng)用的便利性；

（3）可實(shí)現(xiàn)普通家電的初步智能化。

圖7 系統(tǒng)實(shí)物圖

該系統(tǒng)在測試中對99%的設(shè)備能夠進(jìn)行遙控，由于空調(diào)的控制相對比較復(fù)雜，因此對于空調(diào)則不能進(jìn)行控制。

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[2] 馬忠梅，王美剛，孫娟.單片機(jī)的C語言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)[M].第五版.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2013：287～313

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Wireless Infrared Control System of Intelligent Appliances Based on PC

ZHOU Ping，LV Yong，YI Kai-di，CHEN Fei-ting
（School of Instrumentation Science and Opto-electronics Engineering，Beijing Information Science&Technology University，Beijing 100192）

Intelligent home appliances remote control system based on PC uses MCU CC2530 as core driving.The control system of infrared learning module with YS-IR01F as the core,the system consists of three parts which are the user interface,gateway module and underlying infrared driver module.Further realizes the system by the PC user interface control including TV,projector,etc,realizes the intelligent home appliances.To meet the requirements of general family intelligent home furnishing,convenience to people's life.

PC；Wireless Infrared；Intelligent Home Appliances Control；Infrared Based Learning

1007-1423（2015）01-0036-06

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.01.009

周平（1990-），男，河南人，北京信息科技大學(xué)光信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科生

呂勇（1971-），男，安徽合肥人，碩士，副教授，從事領(lǐng)域?yàn)楣怆姍z測技術(shù)研究工作

2014-11-28

2014-12-08

北京信息科技大學(xué)本科生培養(yǎng)-大學(xué)生科研訓(xùn)練項(xiàng)目資助（No.PXM2014_014224_000079）、專業(yè)建設(shè)-光信息科學(xué)與技術(shù)項(xiàng)目資助（No.PXM2014_014224_000066）

易愷迪（1987-），男，北京人，本科，工程師，研究方向?yàn)闊o線通信技術(shù)

陳飛挺（1992-），男，福建人，本科，研究方向?yàn)楣怆姍z測