基于Wi﹣Fi控制的具有自学习能力的红外遥控装置

北京工业大学电子信息与控制工程学院 北京 100124

引言

随着家电行业的不断发展，如今家电市场的竞争越来越激烈。作为家电的重要部件之一，遥控器的竞争也是如此。红外遥控器是一种用户可以在几米甚至十几米外就能对各种电器进行操作控制的装置，在家电产品中有广泛应用，但各产品的遥控器不能相互兼容，使得生活中遥控器数目也越来越多，使用时常常混淆。另外若遥控器丢失，找到配套的遥控器也很困难。具有学习功能的智能遥控器以STM32单片机为核心，能解码与记忆遥控器编码，并模拟发射，使一个遥控器可以代替多个遥控器控制多个电器，是一种智能化的控制工具[1]。目前市面上常见的智能遥控器大多只能对某几种产品进行控制，不是真正的“万能”。本文利用STM32芯片对遥控器的发射信号的波形进行测量，然后将测得的数据存放在FLASH中。由于只关心发射信号波形中的高低电平的宽度，而不管其如何编码，因此，做到了真正的“万能”，而且成本很低。除此之外，其具备的Wi-Fi通信模块可以满足用户进行远程网络控制。在智能家居迅速发展的今天，本装置完全可以作为智能控制系统的控制执行装置。

1 自学习红外遥控装置硬件设计

1.1 整体硬件设计

自学习型红外遥控器相对于传统遥控器最大的改进在于增加了红外接收模块与信号处理功能，能将接收到的信号解调，然后通过测量其脉宽对信号进行学习，并存储于FLASH中，供发射指令时调用。此外，因为具有Wi-Fi通信功能，可以通过手机等设备进行无线控制，因此，省去按键电路。整体结构架如图1所示。

1.2 单片机最小系统设计

1.2.1 处理器的选择

图1 自学习红外遥控装置总体硬件设计框架图

目前，市场上的单片机种类繁多，世界各地的生产商纷纷抛出自己的得意之作，而各行各业对于单片机的要求也越来越高；另外，处理器之间的互联也在加深。在这样的大环境下，ARM CorTex-M3处理器，作为CorTex的处女作，为了让32位机入主单片机市场而诞生了。它具有性能高、低功耗、实时性好、方便开发人员使用、成本低廉、能使用的编程工具多[2]等优点。

自学习红外遥控装置采用的处理器STM32F103C8T6便是基于要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM Cortex-M3内核。

1.2.2 晶振电路的设计

图2所示为推荐的晶振振荡电路图。这样的组成可以使晶振处于并联谐振模式。反相器在芯片内体现为一个AB型放大器，它将输入的电量相移大约180°后输出；并且由晶振、R1、C1和C2组成的π型网络产生另外180°的相移。所以整个环路的相移为360°。这满足了保持振荡的一个条件。其它的条件，比如正确起振和保持振荡，则要求闭环增益应大于等于1。

图2 晶振电路原理图

1.2.3 复位电路的设计

自学习红外遥控装置并未采用传统的按键复位，而是使用专门的复位芯片MAX809，使得系统更加稳定可靠。

1.2.4 最小系统整体电路

最小系统原理图如图3所示。

图3 最小系统原理图

1.3 电源模块设计

SPX1117是一款正电压输出的低压降三端线性稳压电路，在1A输出电流下的压降为1.2V。SPX1117分为两个版本，固定电压输出版本和可调电压输出版本。

自学习红外遥控装置使用了SPX1117_3.3将电压稳定在3.3V为处理器及系统供电，电路图如图4所示。

图4 电源模块电路原理图

1.4 Wi-Fi通信模块设计

Wi-Fi模块又名串口Wi-Fi模块，自学习红外遥控装置使用Wi-Fi控制来代替传统红外遥控器使用的按键控制，这样的优点是可以实现远程遥控，方便与控制中心，网络等进行数据传输。Wi-Fi现在被众多的家庭所使用，有着非常多的用户，这也是本次使用Wi-Fi模块进行通信的重要原因。而且成熟的模块化产品大大降低了本次设计的难度。在经过仔细对比之后，最终选定了一款庆科公司生产的嵌入式Wi-Fi模块。其接口电路图如图5所示。

图5 自学习红外遥控装置总体硬件设计框架图

1.5 红外发射模块和红外接收模块

自学习红外遥控装置在红外线的发射和接收上使用的红外对管：红外发射管IR333、光敏接收管PT333。其中有5路红外发射电路和一路红外接收电路，经实际使用效果良好，其电路原理图如图6和图7所示。

图6 红外发射电路原理图

图7 红外接收电路原理图

1.6 硬件PCB设计与实现

本节遵循常规的元件布局和布线的基本规则，按照以上的原理图，进行系统的硬件 PCB 设计与实现。在布局布线的时候考虑实际需求，尽量保证电磁兼容性，并且尽量减小 PCB 板的大小。整体PCB图如图8所示。

2 自学习红外遥控系统软件设计

2.1 操作系统的简介

μC/OS-II是Micrium公司开发的，是一个可移植、可固化、可裁剪、占先式多任务的实时内核，现如今它已被使用于多种微处理器、微控制器和数字处理芯片(超过100种以上的微处理器应用都移植使用过它[3])。自学习红外遥控装置的任务管理调度便使用了μC/OS-II操作系统。

2.2 红外编码的采集策略

波形测量是指对红外信号的编码波形进行测量，实际测量调制信号高低电平的时间，以红外NEC[4]协议为例，红外NEC协议编码波形如图9 所示。

但是市面上红外遥控器的设计没有遵循统一的红外遥控标准。所以不同的遥控器发出的红外指令中，起始码各不相同，而且后面的控制指令差别也很大，甚至指令码的位数也不相同。通过采用数字示波器对红外指令信号进行采集，发现它们和标准的编码方式差别较大，但基本的编码思想相同，都是采用不同的周期、不同占空比的脉冲来分别表示0和1。不同遥控器的脉冲周期可能不同，占空比也不尽相同。

为了能学习不同编码的波形，实现真正的“万能”，自学习红外遥控装置将采集完整的波形，并将其整个波形进行记录，以便发射该波形时进行调用。

采集的具体方法是使用STM32的定时器上升沿触发中断和下降沿触发中断来测量高低电平时间长度。流程图如图10所示。

图8 自学习红外遥控装置PCB图

图9 红外NEC编码波形

图10 红外采集程序流程图

2.3 数据的存储

自学习红外遥控装置未添加存储模块，而是将数据保存在处理器的片内flash中。本次使用的是STM32f103c8芯片，其flash总共128k，其中后64k不能用于存储程序，所以使用后64k存放数据：地址从0x08010000开始，每1k为一页，一共64页，每页的存储格式如表1所示。每页中都只存放同一种型号遥控器的按键，在没存储满的情况下，学习另一种型号的遥控器将另起一页进行存储。

表1 flash中数据存储地址表

表2 控制字功能表

2.4 与上位机通讯规范

自学习红外遥控装置可以通过Wi-Fi模块与上位机进行通信，以此实现远程控制，以下为本装置与为其专门设计的手机APP的通信格式。数据格式为字符串，字符串以 为结束标志，具体的控制字和反馈值见表2和表3。

表3 反馈值意义表

3 自学习红外遥控装置APP设计

随着科技的不断进步和人们消费水平的提高，智能手机的发展日新月异，手机APP应用市场作为一个新兴的行业以迅猛之势快速发展。基于此，智能手机作为自学习红外遥控装置的人机交互装置便成为最优的选择。

3.1 APP与红外遥控装置的通信连接

自学习红外遥控装置采用TCP进行数据通信。其中Wi-Fi模块作为TCP服务器，手机APP作为TCP客户端。配置界面如图11所示。其中IP地址与端口需与自学习红外遥控装置一致。

图11 TCP配置界面

3.2 APP人机交互界面设计

自学习红外遥控装置APP的控制界面主要分为三大部分：设备登录管理界面、遥控器类型选择界面、各类型遥控器对应的按键控制及显示界面。选取其中一界面展示，如图12为电视机遥控器控制界面。

4 总结

图12 APP控制界面展示图

基于Wi-Fi控制的具有自学习能力的红外遥控装置与市面上同类型的产品相比，在自学习功能方面采取了更优的设计方案，且取得较好的成果。使用APP通过Wi-Fi对装置进行操作也有利于用户的使用和产品的推广。在实际测试使用中性能良好，而且价格低廉、控制准确、操作简单。

参考文献

[1] 芦健,彭军,颜自勇,等.自学习型智能红外遥控器设计[J].国外电子测量技术,2006,25(8):64 66

[2] Jioseph Yiu.ConTex-M3 权威指南[M].宋岩,译.北京:北京航空航天大学出版社,2009

[3] Jean J.Labrosse.嵌入式实时操作系统μC/OS-2[M].邵贝贝,译.北京:北京航天航空大学出版社.2003

[4] 郑伟,谢利理,张震.一种具有自学习功能的智能红外遥控器设计[J].计算机测量与控制,2007,15(12):1758-1759