基于Wi﹣Fi控制的具有自學習能力的紅外遙控裝置

北京工業(yè)大學電子信息與控制工程學院 北京 100124

引言

隨著家電行業(yè)的不斷發(fā)展，如今家電市場的競爭越來越激烈。作為家電的重要部件之一，遙控器的競爭也是如此。紅外遙控器是一種用戶可以在幾米甚至十幾米外就能對各種電器進行操作控制的裝置，在家電產品中有廣泛應用，但各產品的遙控器不能相互兼容，使得生活中遙控器數(shù)目也越來越多，使用時常?；煜?。另外若遙控器丟失，找到配套的遙控器也很困難。具有學習功能的智能遙控器以STM32單片機為核心，能解碼與記憶遙控器編碼，并模擬發(fā)射，使一個遙控器可以代替多個遙控器控制多個電器，是一種智能化的控制工具[1]。目前市面上常見的智能遙控器大多只能對某幾種產品進行控制，不是真正的“萬能”。本文利用STM32芯片對遙控器的發(fā)射信號的波形進行測量，然后將測得的數(shù)據存放在FLASH中。由于只關心發(fā)射信號波形中的高低電平的寬度，而不管其如何編碼，因此，做到了真正的“萬能”，而且成本很低。除此之外，其具備的Wi-Fi通信模塊可以滿足用戶進行遠程網絡控制。在智能家居迅速發(fā)展的今天，本裝置完全可以作為智能控制系統(tǒng)的控制執(zhí)行裝置。

1 自學習紅外遙控裝置硬件設計

1.1 整體硬件設計

自學習型紅外遙控器相對于傳統(tǒng)遙控器最大的改進在于增加了紅外接收模塊與信號處理功能，能將接收到的信號解調，然后通過測量其脈寬對信號進行學習，并存儲于FLASH中，供發(fā)射指令時調用。此外，因為具有Wi-Fi通信功能，可以通過手機等設備進行無線控制，因此，省去按鍵電路。整體結構架如圖1所示。

1.2 單片機最小系統(tǒng)設計

1.2.1 處理器的選擇

圖1 自學習紅外遙控裝置總體硬件設計框架圖

目前，市場上的單片機種類繁多，世界各地的生產商紛紛拋出自己的得意之作，而各行各業(yè)對于單片機的要求也越來越高；另外，處理器之間的互聯(lián)也在加深。在這樣的大環(huán)境下，ARM CorTex-M3處理器，作為CorTex的處女作，為了讓32位機入主單片機市場而誕生了。它具有性能高、低功耗、實時性好、方便開發(fā)人員使用、成本低廉、能使用的編程工具多[2]等優(yōu)點。

自學習紅外遙控裝置采用的處理器STM32F103C8T6便是基于要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用專門設計的ARM Cortex-M3內核。

1.2.2 晶振電路的設計

圖2所示為推薦的晶振振蕩電路圖。這樣的組成可以使晶振處于并聯(lián)諧振模式。反相器在芯片內體現(xiàn)為一個AB型放大器，它將輸入的電量相移大約180°后輸出；并且由晶振、R1、C1和C2組成的π型網絡產生另外180°的相移。所以整個環(huán)路的相移為360°。這滿足了保持振蕩的一個條件。其它的條件，比如正確起振和保持振蕩，則要求閉環(huán)增益應大于等于1。

圖2 晶振電路原理圖

1.2.3 復位電路的設計

自學習紅外遙控裝置并未采用傳統(tǒng)的按鍵復位，而是使用專門的復位芯片MAX809，使得系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠。

1.2.4 最小系統(tǒng)整體電路

最小系統(tǒng)原理圖如圖3所示。

圖3 最小系統(tǒng)原理圖

1.3 電源模塊設計

SPX1117是一款正電壓輸出的低壓降三端線性穩(wěn)壓電路，在1A輸出電流下的壓降為1.2V。SPX1117分為兩個版本，固定電壓輸出版本和可調電壓輸出版本。

自學習紅外遙控裝置使用了SPX1117_3.3將電壓穩(wěn)定在3.3V為處理器及系統(tǒng)供電，電路圖如圖4所示。

圖4 電源模塊電路原理圖

1.4 Wi-Fi通信模塊設計

Wi-Fi模塊又名串口Wi-Fi模塊，自學習紅外遙控裝置使用Wi-Fi控制來代替?zhèn)鹘y(tǒng)紅外遙控器使用的按鍵控制，這樣的優(yōu)點是可以實現(xiàn)遠程遙控，方便與控制中心，網絡等進行數(shù)據傳輸。Wi-Fi現(xiàn)在被眾多的家庭所使用，有著非常多的用戶，這也是本次使用Wi-Fi模塊進行通信的重要原因。而且成熟的模塊化產品大大降低了本次設計的難度。在經過仔細對比之后，最終選定了一款慶科公司生產的嵌入式Wi-Fi模塊。其接口電路圖如圖5所示。

圖5 自學習紅外遙控裝置總體硬件設計框架圖

1.5 紅外發(fā)射模塊和紅外接收模塊

自學習紅外遙控裝置在紅外線的發(fā)射和接收上使用的紅外對管：紅外發(fā)射管IR333、光敏接收管PT333。其中有5路紅外發(fā)射電路和一路紅外接收電路，經實際使用效果良好，其電路原理圖如圖6和圖7所示。

圖6 紅外發(fā)射電路原理圖

圖7 紅外接收電路原理圖

1.6 硬件PCB設計與實現(xiàn)

本節(jié)遵循常規(guī)的元件布局和布線的基本規(guī)則，按照以上的原理圖，進行系統(tǒng)的硬件 PCB 設計與實現(xiàn)。在布局布線的時候考慮實際需求，盡量保證電磁兼容性，并且盡量減小 PCB 板的大小。整體PCB圖如圖8所示。

2 自學習紅外遙控系統(tǒng)軟件設計

2.1 操作系統(tǒng)的簡介

μC/OS-II是Micrium公司開發(fā)的，是一個可移植、可固化、可裁剪、占先式多任務的實時內核，現(xiàn)如今它已被使用于多種微處理器、微控制器和數(shù)字處理芯片(超過100種以上的微處理器應用都移植使用過它[3])。自學習紅外遙控裝置的任務管理調度便使用了μC/OS-II操作系統(tǒng)。

2.2 紅外編碼的采集策略

波形測量是指對紅外信號的編碼波形進行測量，實際測量調制信號高低電平的時間，以紅外NEC[4]協(xié)議為例，紅外NEC協(xié)議編碼波形如圖9 所示。

但是市面上紅外遙控器的設計沒有遵循統(tǒng)一的紅外遙控標準。所以不同的遙控器發(fā)出的紅外指令中，起始碼各不相同，而且后面的控制指令差別也很大，甚至指令碼的位數(shù)也不相同。通過采用數(shù)字示波器對紅外指令信號進行采集，發(fā)現(xiàn)它們和標準的編碼方式差別較大，但基本的編碼思想相同，都是采用不同的周期、不同占空比的脈沖來分別表示0和1。不同遙控器的脈沖周期可能不同，占空比也不盡相同。

為了能學習不同編碼的波形，實現(xiàn)真正的“萬能”，自學習紅外遙控裝置將采集完整的波形，并將其整個波形進行記錄，以便發(fā)射該波形時進行調用。

采集的具體方法是使用STM32的定時器上升沿觸發(fā)中斷和下降沿觸發(fā)中斷來測量高低電平時間長度。流程圖如圖10所示。

圖8 自學習紅外遙控裝置PCB圖

圖9 紅外NEC編碼波形

圖10 紅外采集程序流程圖

2.3 數(shù)據的存儲

自學習紅外遙控裝置未添加存儲模塊，而是將數(shù)據保存在處理器的片內flash中。本次使用的是STM32f103c8芯片，其flash總共128k，其中后64k不能用于存儲程序，所以使用后64k存放數(shù)據：地址從0x08010000開始，每1k為一頁，一共64頁，每頁的存儲格式如表1所示。每頁中都只存放同一種型號遙控器的按鍵，在沒存儲滿的情況下，學習另一種型號的遙控器將另起一頁進行存儲。

表1 flash中數(shù)據存儲地址表

表2 控制字功能表

2.4 與上位機通訊規(guī)范

自學習紅外遙控裝置可以通過Wi-Fi模塊與上位機進行通信，以此實現(xiàn)遠程控制，以下為本裝置與為其專門設計的手機APP的通信格式。數(shù)據格式為字符串，字符串以 為結束標志，具體的控制字和反饋值見表2和表3。

表3 反饋值意義表

3 自學習紅外遙控裝置APP設計

隨著科技的不斷進步和人們消費水平的提高，智能手機的發(fā)展日新月異，手機APP應用市場作為一個新興的行業(yè)以迅猛之勢快速發(fā)展。基于此，智能手機作為自學習紅外遙控裝置的人機交互裝置便成為最優(yōu)的選擇。

3.1 APP與紅外遙控裝置的通信連接

自學習紅外遙控裝置采用TCP進行數(shù)據通信。其中Wi-Fi模塊作為TCP服務器，手機APP作為TCP客戶端。配置界面如圖11所示。其中IP地址與端口需與自學習紅外遙控裝置一致。

圖11 TCP配置界面

3.2 APP人機交互界面設計

自學習紅外遙控裝置APP的控制界面主要分為三大部分：設備登錄管理界面、遙控器類型選擇界面、各類型遙控器對應的按鍵控制及顯示界面。選取其中一界面展示，如圖12為電視機遙控器控制界面。

4 總結

圖12 APP控制界面展示圖

基于Wi-Fi控制的具有自學習能力的紅外遙控裝置與市面上同類型的產品相比，在自學習功能方面采取了更優(yōu)的設計方案，且取得較好的成果。使用APP通過Wi-Fi對裝置進行操作也有利于用戶的使用和產品的推廣。在實際測試使用中性能良好，而且價格低廉、控制準確、操作簡單。

參考文獻

[1] 蘆健,彭軍,顏自勇,等.自學習型智能紅外遙控器設計[J].國外電子測量技術,2006,25(8):64 66

[2] Jioseph Yiu.ConTex-M3 權威指南[M].宋巖,譯.北京:北京航空航天大學出版社,2009

[3] Jean J.Labrosse.嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-2[M].邵貝貝,譯.北京:北京航天航空大學出版社.2003

[4] 鄭偉,謝利理,張震.一種具有自學習功能的智能紅外遙控器設計[J].計算機測量與控制,2007,15(12):1758-1759