基于智能終端的網(wǎng)絡(luò)遙控器設(shè)計(jì)

引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，家用電器多種多樣。紅外遙控的簡(jiǎn)單和穩(wěn)定性能使實(shí)物遙控器使用得到普及。通過(guò)瀏覽家居智能控制的發(fā)展動(dòng)態(tài)，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)遙控器仍存在以下三個(gè)方面的問(wèn)題：首先，遙控器在使用中需定期更換電池，多種遙控器易混淆、易損壞和易丟失；其次，遙控器的有效范圍僅限于一間房屋內(nèi)，控制距離短，從而降低了管理的靈活性；此外,當(dāng)前雖然針對(duì)智能遙控器的設(shè)計(jì)很多，但是，客戶(hù)端單一，并且更新維護(hù)工作繁冗。

網(wǎng)絡(luò)遙控器可解決傳統(tǒng)遙控器存在的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制家用電器的功能。云服務(wù)器的大存儲(chǔ)、快速數(shù)據(jù)處理和彈性擴(kuò)展的能力，使系統(tǒng)更加容易推廣普及。通過(guò)對(duì)智能終端、云服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)和嵌入式等理論知識(shí)的整合，驗(yàn)證了系統(tǒng)的合理性和可操作性并利用相關(guān)的開(kāi)發(fā)工具進(jìn)行系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)和調(diào)試工作。目前完成了硬件模塊的設(shè)計(jì)和調(diào)試，本文著重講述系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)和相關(guān)模塊的關(guān)鍵技術(shù)。

1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)主要由智能終端、云服務(wù)器和遙控器三部分組成,，其中，智能終端如手機(jī)、平板和PC機(jī)，可根據(jù)不同的系統(tǒng)利用面向?qū)ο蟮乃枷刖帉?xiě)相應(yīng)的APR軟件端通過(guò)Socket編程實(shí)現(xiàn)與云服務(wù)器的通信傳輸。云服務(wù)器用于存儲(chǔ)所有家電紅外控制協(xié)議并將來(lái)自APP按鍵數(shù)據(jù)包與之匹配，并將信息包通過(guò)網(wǎng)絡(luò)路由送至遙控器。云服務(wù)器模擬了數(shù)據(jù)庫(kù)和數(shù)據(jù)處理的功能，擁有更新快、成本低和性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)遙控器將接收到的網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析并送紅外發(fā)射模塊完成網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程遙控的功能，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)擁有無(wú)障礙、遠(yuǎn)距離遙控等智能化功能。譬如，在夏季人們?cè)俨粫?huì)被剛進(jìn)家門(mén)的悶熱空氣所困擾，只需提前操作智能終端的軟件就能調(diào)節(jié)好空調(diào)到家即可享受舒適的環(huán)境。遙控器硬件利用Proteus進(jìn)行電路設(shè)計(jì)結(jié)合ADS開(kāi)發(fā)工具完成遙控器硬件仿真工作。

2客戶(hù)端軟件設(shè)計(jì)

目前，應(yīng)用最廣的智能設(shè)備基于Android或IOS系統(tǒng)。使用Java或Object-c語(yǔ)言并結(jié)合Eclipse或GNUstep開(kāi)發(fā)工具進(jìn)行軟件編程和調(diào)試。全模擬物理遙控器界面和按鍵的布局，按鍵編碼位應(yīng)根據(jù)不同的設(shè)備進(jìn)行編碼，鍵碼位數(shù)根據(jù)不同的紅外協(xié)議設(shè)定。每個(gè)按鍵都與相應(yīng)的紅外代碼相匹配,當(dāng)軟件界面的某個(gè)按鍵按下時(shí)系統(tǒng)通過(guò)Socket網(wǎng)絡(luò)編程將鍵碼位數(shù)據(jù)包傳遞到云服務(wù)器。

3云服務(wù)器的部署

系統(tǒng)中的云服務(wù)器主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包存儲(chǔ)、命令的解析和更新不同的紅外協(xié)議的功能。云服務(wù)器是一種處理能力可彈性伸縮的計(jì)算服務(wù)，其管理方式簡(jiǎn)單有效，可構(gòu)建更安全、更可靠的服務(wù)。系統(tǒng)中部署云服務(wù)器減少了家電更新帶來(lái)復(fù)雜流程，降低了系統(tǒng)維護(hù)成本，消除了客戶(hù)數(shù)量限制和遙控中的安全風(fēng)險(xiǎn)。云服務(wù)器通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信接收按鍵數(shù)據(jù)包并將收到的信息與庫(kù)中的自定義數(shù)據(jù)包進(jìn)行匹配，最后通過(guò)通信接口送至網(wǎng)絡(luò)遙控器端。由于不同家電紅外協(xié)議各不相同并且互不兼容，若直接發(fā)射紅外協(xié)議數(shù)據(jù)包會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)紅外協(xié)議處理十分的復(fù)雜。可以自定義編碼規(guī)則與紅外協(xié)議庫(kù)相對(duì)應(yīng),為實(shí)現(xiàn)按鍵數(shù)據(jù)包與協(xié)議數(shù)據(jù)包的映射關(guān)系，可以自定義協(xié)議數(shù)據(jù)包的格式：包括4位的文件標(biāo)志位、按鍵標(biāo)志位(如設(shè)備信息位、訪問(wèn)中文字和ASCII庫(kù)位)、載波頻率和分辨率位,以適用各種紅外協(xié)議。

4網(wǎng)絡(luò)遙控器的硬件設(shè)計(jì)

4.1ARM微型系統(tǒng)

該網(wǎng)絡(luò)遙控器采用32位的ARM作為中控芯片，系統(tǒng)采用ARM芯片不僅具有廉價(jià)和功耗低的優(yōu)點(diǎn)，而且能夠兼容家用所有碼長(zhǎng)的紅外信號(hào)，其ARM微型系統(tǒng)的模塊圖見(jiàn)圖2所示。CPU主要實(shí)現(xiàn)定時(shí)器功能、中斷控制、串口數(shù)據(jù)讀寫(xiě)功能、轉(zhuǎn)紅外電平功能。定時(shí)器用于產(chǎn)生一定頻率的載波信號(hào)與紅外信號(hào)疊加從而增加紅外信號(hào)在傳輸中的抗干擾能力。接收或發(fā)送完一幀數(shù)據(jù)后產(chǎn)生一定的中斷以便進(jìn)行后續(xù)的處理。硬件部分主要包括通過(guò)雙絞線或Wi-Fi接收網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接口模塊，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)紅外信號(hào)模塊和紅外發(fā)射模塊。其中，網(wǎng)絡(luò)接收模塊實(shí)現(xiàn)與以太網(wǎng)的互聯(lián)并完成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的接收；轉(zhuǎn)紅外模塊根據(jù)收到的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包匹配相應(yīng)紅夕卜協(xié)議處理函數(shù)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的紅外信號(hào)。

4.2紅外處理模塊設(shè)計(jì)

紅外遙控器因便捷、價(jià)格低廉和功能齊全等優(yōu)勢(shì)而廣泛用于電視機(jī)、空調(diào)、燈飾和智能插座等家用電器，遙控器的發(fā)射的信號(hào)由一串0和1的二進(jìn)制代碼組成，不同的芯片對(duì)0和1編碼的方式不同，常見(jiàn)的有曼徹斯特編碼和脈沖寬度編碼，紅外遙控器使用的PWM(脈沖寬度編碼)，二進(jìn)制0碼由0.56ms寬的低電平和0.56ms寬的高電平組合而成，脈沖寬度為1.12ms。二進(jìn)制1碼由0.56ms的低電平和1.69ms的高電平組合而成，脈沖寬度為2.25ms。解碼端通過(guò)脈沖寬度辨別出0或1碼。

遙控器發(fā)射的每幀數(shù)據(jù)共包括五部分如圖3所示。分別為引導(dǎo)碼、地址碼、地址反碼、數(shù)據(jù)碼和數(shù)據(jù)反碼。引導(dǎo)碼標(biāo)示了一幀數(shù)據(jù)的開(kāi)始，一般使用4.5ms寬的低電平和4.5ms寬的高電平表示。地址碼是為了區(qū)分不同的設(shè)備，防止不同電器的控制信號(hào)出現(xiàn)干擾的問(wèn)題，同一遙控器上的所有鍵值的地址碼應(yīng)是相同的。地址反碼是為防止信號(hào)異常而設(shè)置的校驗(yàn)碼。數(shù)據(jù)碼共8位，有256種可能的狀態(tài)分別代表同一遙控器上不同的按鍵，同理數(shù)據(jù)反碼也是為檢驗(yàn)數(shù)據(jù)正確性而設(shè)置的。

網(wǎng)絡(luò)遙控器采用ARM的32位芯片，能兼容任何碼長(zhǎng)的紅外信號(hào)，工作時(shí)首先將接收的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)轉(zhuǎn)換為紅外信號(hào)后,利用載波信號(hào)(頻率為35~42kHz)通過(guò)紅外發(fā)射模塊送至電器設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了智能終端遠(yuǎn)程遙控家用電器的功能。紅外發(fā)射模塊電路如圖4所示，紅外發(fā)射模塊物理結(jié)構(gòu)采用球形布局避免了信號(hào)死角區(qū)的出現(xiàn)，增強(qiáng)了信號(hào)的可靠性。

通過(guò)對(duì)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和各個(gè)模塊關(guān)鍵技術(shù)的突破，已經(jīng)完成了遙控器的硬件的調(diào)試工作，后續(xù)主要工作是客戶(hù)端軟件的具體編寫(xiě)。為能夠做出實(shí)際產(chǎn)品予以推廣使用，系統(tǒng)還有許多細(xì)節(jié)需要突破和努力，但整體的原理和結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生變化，存在不妥的地方愿讀者批評(píng)指正。希望在共同的學(xué)習(xí)和交流中盡快完成網(wǎng)絡(luò)遙控器所有設(shè)計(jì)工作并達(dá)到低成本和易維護(hù)的目的。同時(shí)，感謝老師和同學(xué)們?cè)谙到y(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中的提供的指導(dǎo)和建議。

20211124_619d12b20a20f__基于智能終端的網(wǎng)絡(luò)遙控器設(shè)計(jì)