家用电器智能（远程）红外遥控器

家用电器智能（远程）红外遥控器原文来自 ELECTRONICS, VOL. 14, NO. 2, DECEMBER 2010Infrared Transceiver for Home Automation摘要：大多数家用电器都具有内置红外接收装置，当试图将家中所有的此类设备整合到一个控制系统中时，我们需要用另一个智能红外遥控器替代原有的遥控器，本文提出了一种 USB 接口的智能红外遥控器解决方案，该设备分成接收和发射两部分，接收部分记录并处理原遥控器的指令，发射部分代替原来的控制器，向家用电器发出来自计算机或者远程网络的指令，解决了家中无人时对设备简单有效的控制。关键词：红外通讯，远程控制，智能家居I. 引入智能家居是指将家中所有的或部分的设备用一个独特的系统连接起来，并提供对每个设备进行自动智能控制的家居系统。实现智能家居的初衷是多方面的，如：家庭财产安全，节能环保，无人时设备控制等等，其原始出发点是处于安全的考虑，因此报警装置，拨打指定电话，模拟家中有人（如：百叶窗定时升起或落下，灯光，音响，视频设备指定时间的开启或关闭）被开发出来。而如今，又增加了空调的控制，自动浇花功能，宠物喂食功能，车库门的自动控制，入户门的自动开启。所有这些系统可通过有线或无线的方式解决。大多数家用电器中均内置红外远程接收器，因此，可通过简易整合实现家用电器的智能控制。本文提出一种解决方案，用一个 USB 接口的智能红外遥控器，该设备分成接收和发射两部分，接收部分记录并处理原遥控器的指令，发射部分代替原来的控制器，向家用电器发出来自计算机或者远程网络的指令，解决了家中无人时对设备简单有效的控制。II.遥控设备的红外通讯红外通讯是一种无线通讯技术，需要通讯双方具有光可视性，即发射器和接收器之间没有障碍物阻隔，具有可视性。这种通讯技术，常在较短距离范围内适用，特别是在一个房间内比较适合。家电设备的开发商们开发使用了不同种类的红外通讯和远程控制协议。所有的红外通讯和远程控制协议均使用数字化调制方式，信号载波频率不同，但多数（90%）的频率为 38KHz。对家庭音视频设备而言，大多数红外通讯协议是采用Philips RC-5 (欧美) and NEC 协议 (日本)，Philips RC-5 协议使用的载波频率为 36 kHz，每位固定位长为 1.778ms,每次数据共 14 位。采用双相信号调制方式（曼彻斯特码）如图 1，每一位由一个状态开关来表示，逻辑“0”由低电平向高电平的转化状态（开关转化）来表示，而逻辑“1”由高电平向低电平的转化状态（开关转化）来表示。高电平是信号载波存在，低电平是信号载波不存在。图一（暂略）Fig. 1. Bi-phase modulation (Manchester code) a logical zero“, and logical one“. 在这个协议中，每次数据由开始位（2 位，2 个逻辑“0”） ，一个触发位（遥控器按键每按下一次该位翻转一次），设备地址位（5 位）和最后指令位（6 位）组成。图二（暂略）Fig. 2. Philips RC-5 protocol message. 如果遥控器的按键一直被按下，那么整条数据会在114ms 后再次发送，但触发位保持不变，因此，接受部分能够理解是同一条指令，而不再重复执行。NEC 协议使用的载波频率为 38KHz，逻辑“0”位长为 1.125ms,逻辑“ 1”位长为 2.25ms。采用脉冲长度调制方式，如图 3。每位由 562.5 s 的高电平开始，接下来为 562.5 s 低电平（逻辑“0” ） ，或者为 1.6875 ms低电平（逻辑“1” ） 。图三（暂略）Fig. 3. Pulse distance encoding a logical zero“, and logical one“. 在这协议中，每次数据由一个 9 ms 的脉冲，4.5ms的暂停，8 位设备地址位，求反的 8 位设备地址位，8 位指令位，求反的 8 位指令位和一个 562.5 s 长的脉冲组成。其中求反的 8 位设备地址位和求反的 8 位指令位用于数据校验。由于地址位和指令位均以原码和反码的方式发送，因此发送数据的时间固定。图 4（暂略）Fig. 4. NEC protocol message. 该数据因被发送一次，当遥控器上的按键一直被按下时，接下来仅发送 9ms 的脉冲，2.25ms 的暂停和 562.5s 的脉冲。仅发送的部分会每隔 110ms 重复一次。图 5（暂略）Fig. 5. A message followed by a code that is repeated every 110 ms.III. 家用电器智能（远程）红外遥控器的实现本文提出一种解决方案，用一个 USB 接口的智能红外遥控器，该设备分成接收和发射两部分，接收部分记录并处理原遥控器的指令，发射部分代替原来的控制器，向家用电器发出来自计算机或者远程网络的指令，解决了家中无人时对设备简单有效的控制。接受部分检测来自遥控器的红外信号，计算机对遥控器指令进行处理，或者将其记录下来，用于将来对被控家用电器的控制。我们选用集成电路 SFH 5110-38 对红外信号进行处理，SFH 5110-38 包含一个光敏二极管，前置放大器，自动增益控制，带通滤波，信号解调器和日光过滤器（家用电器型） 。该集成电路针对不同的信号载波频率的不同，有不同系列的产品供用户选择，其可检测的信号载波频率在 30KHz 至 40KHz 之间。在本方案中，由于在家用电器中信号载波频率大多数为 38KHz，所以我们采用信号载波频率为 38KHz 的芯片，其输出信号与微处理的 I/O 脚直接相连。接受单元负责发送红外调制信号，代替原来的遥控器。红外调制信号由微处理器生成，通过红外发光二极管（infrared LED）发送出去。家用电器智能红外遥控器的核心部件是微处理器，我们采用 Atmel 公司的 AVR ATmega8 芯片，该芯片集成了收发单元，并通过 USB 接口与计算机相连，负责 USB 接口通讯的为 FT232RL，它将USB 通讯信号转化成 RS232 串行通信信号，并使得计算机把该设备作为一个虚拟口，计算机就像对待一个普通硬件 COM 口一样与之通讯。微处理器程序由以下几部分组成：接受并存储来自接受单元的数据，将信号传送至发送单元，与上位机进行RS232 串口通讯。当接在外部中断 I/O 位上的信号状态发生改变时，触发外部中断程序，进行信号的接收处理，在外部中断信号保持不变期间把接收到的信号连同与前一个状态信号及其间隔时间存储在一个特定数组中，由于不同类型的遥控器使用不同的通讯协议，其传送的信息长度也不同，一次这个特点数组的长度应足够长，以确保能够将整条信息全部存贮下来。当数据存贮完成后，程序应通过串口通讯将存贮好的数据传送至上位机，上位机将其存贮在一个数据库中。通过发送单元发送信号的过程与之正好相反，首先，上位机发送数据至微处理器（该数据与从遥控器发送过来的数据完全相同） ，并被存贮在一个变量数组中。输出信号载波频率由微处理器的定时器生成，而信号则由定时器有顺序地控制微处理器输出脚的状态去生成，这种顺序和存贮在变量数组中的数据相对应。由于信号变化的频率相当高，所以微处理器不能同时收发数据，它只能处于或收或发的状态。当设备上电时，该设备设置为接受状态，并一直保持这一状态，直至接受到来自上位机的指令让其转变成发送状态。本例中使用的 ATmega8 内置集成 RS232 串口通讯，我们需要对通讯速率，数据位数，停止位和效验进行设置。当在外部晶振频率为 7.3728 MHz 时，我们可以选择 115200 bps 的最高通讯速率，8 位数据码，1 位停止位（无效验位） 。IV. 与智能（远程）红外遥控器通讯的上位机程序为了在一个控制系统中将所有的设备控制起来，需要在上位机中编写了上位机程序，该程序使得上位机与红外收发器之间通过虚拟 COM 口进行 RS232 串型通讯。串口通讯的设置为波特率 115200 bps，8 位数据位，1 位停止位（无效验位） 。 用户通过上位机程序，向微处理器发送特定指令改变微处理器的工作方式，如：接受方式或发送方式。如果微处理器处于接受方式，可发送指令让其读取存储在微处理器数组中的数据，并将其数据转存在上位机程序数据库中。上位机程序中所涉及的数据库可存储家用电器设备名称，功能指令数据及其含义。当上位机程序已存贮某个家用电器的所有命令后，便可改变微处理器的工作方式，使其工作在发送状态，并向该家用电器发送具体操作指令，控制该家用电器工作状态。当我们将家中所用的家用电器的遥控器指令全部被上位机建立在数据库中后，我们可根据家中所需，适时从数据库中选择家用电器进行操作，这时所选家电及其操作指令被存贮在临时数组变量中，并以适当的格式通过虚拟COM 口传送至微处理器中。在上位机程序中，我们可以通过计算机网络对家中的家用电器智能红外遥控器进行远程控制，这样便可实现家中无人情况下对家用电器的远程智能控制。另外，我们可在程序中加入对家用电器的定时操作功能，如：DVD 的定时录制某个节目，定时开启电视机或音响设备，提前一个时间段打开空调等。V. 结论在智能家居中，我们可以将所有内置红外接收功能的家用电器整合成一个自动智能系统，为了实现这一目的， 我们使用另一个红外发射器来代替原有的多个遥控器去智能控制家用电器。本文提出一种家用电器智能（远程）红外遥控器使用 USB 接口与计算机通讯，该红外遥控器可存储原有的遥控器指令，并将其传送至上位计算机中的特定数据库中，当需要时可将所需指令发送至发射部分，发射部分将其以红外信号的方式发送给指定设备。由于大多数设备使用的载波频率为 38KHz，本系统可完全替代原有的众多遥控器，甚至在家中无人的情况下实现对家用电器（电视机，音视频设备）的自动控制。家用电器智能（远程）红外遥控器的优点是其不依赖遥控器和所控家电的之间具体通讯协议，仅依赖于其载波频率。其所需指令（其格式与原始遥控器的指令格式完全相同）已被存储在数据库中。家用电器智能（远程）红外遥控器的缺点是需要遥控器与被控家电之间具有光可视性，因此，需要设计多个红外发射二极管，以指向多个家用电器方向。参考资料：1 J. Gerhart, “Home automation and wiring“, McGraw-Hill 1999. 2 A. Varma, Domotics: Smart technology, smarter homes, ICFAI University Press 2008. 3 Ostoji G., Stankovski S., Raki-Skokovi M., Lazarevi M., JovanoviV: “Building automation with the usage of RFID tech. for the user identification“, 14. International Scientific Conference on Industrial Systems - IS, Novi Sad: Faculty of Technical Sciences, 2008. 4 T. B. Zahariadis, “Home networking technologies and standard