摘  要： 提出了一種用于智能家居的學習型空調遙控器解決方案。該方案在軟件設計時采用測量脈沖寬度的原理并對測量數(shù)據進行了編碼壓縮，同時用軟件形式模擬38 kHz載波信號的發(fā)送，實現(xiàn)了對各種空調遙控器的自學習功能。測試結果表明，本編碼壓縮方法簡化了編碼信息，減少了存儲空間，可以代替各種遙控器。
關鍵詞： 紅外遙控；載頻；編碼狀態(tài)轉換；自學習

    現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，尤其是計算機技術和網絡技術的高速發(fā)展，不僅改變了人們的工作方式，也逐漸地改變了人們的生活方式，智能家居即是在這樣的背景下產生的。無線控制的智能家居系統(tǒng)可以不破壞原有裝修，只要在一些插座等處安裝相應的模塊即可實現(xiàn)智能控制，更不會對原來房屋墻面造成破壞，即便家居已裝修也可輕松升級為智能家居。但是對主要由遙控器控制的空調系統(tǒng)需設計專門的學習型紅外遙控器以便接入智能家居系統(tǒng)。為此，本文提出一種此類型的空調遙控器解決方案。
1 紅外遙控碼型分析
    通過對市面上比較普遍的幾十種遙控器的碼型結構進行研究分析發(fā)現(xiàn)，各空調生產廠家對其遙控器的收發(fā)信號的脈沖編碼、碼型和碼流沒有統(tǒng)一的標準，存在如下狀況：
    (1)幀格式多樣:脈沖流中一般包括:幀頭、系統(tǒng)碼、操作碼、同步碼、幀間隔碼、幀尾，且同步碼與幀間隔碼出現(xiàn)的位置不固定。對這些靈活多變的幀格式，很難區(qū)分各種脈沖流的含義。
    (2)碼型多樣，如圖1所示。

    (3)載波頻率誤差大：標準載波頻率為38 kHz，誤差范圍±2 kHz。
    (4)編碼長短不一致:彩電類產品一般只有幾十位，而空調遙控器編碼長達上百位。
    (5)發(fā)送方式不同:最常用的發(fā)送方式有：完整幀如圖2(a)只發(fā)送1次、完整幀如圖2(b)重復發(fā)送2次、如圖2(c)先發(fā)1個完整幀，后重復發(fā)送1個幀頭和1個脈沖。

    本系統(tǒng)避開了各種形式的碼型和幀格式，不考慮其實際意義，只檢測脈沖的時間寬度[1]，再對測量的數(shù)據進行壓縮，即可存儲遙控命令，發(fā)送時進行解壓來重構命令數(shù)據。
2 遙控器硬件結構
    學習型紅外遙控器由紅外一體化接收電路、反相器、溫度傳感器、單片機、紅外發(fā)送電路、E2PROM存儲器、鍵盤及LED指示燈構成，如圖3所示。

    單片機AT89S52構成紅外遙控的處理器，其數(shù)據存儲器RAM(258B)用來存儲學習過程中編碼信號的脈沖寬度和編碼。
    (1)紅外發(fā)射電路：38 kHz方波直接由單片機模擬產生，經過三極管放大后，驅動紅外發(fā)光二極管(注意：38 kHz載波不能用AT89S52定時器產生，因為38 kHz載波信號的周期只有26 μs，考慮到有載波時的占空比為1/3，即定時器的最小中斷時間間隔只有8 μs，在執(zhí)行中斷時中斷處理過程(如保護現(xiàn)場等)實際運行時間根據中斷點的不同需要的時間也不同，有時會大于8 μs，這樣不能保證38 kHz信號的穩(wěn)定性)，在軟件處理過程中應用延時程序模仿38 kHz的紅外載波信號。
    (2)紅外一體化接收頭：接收器選用一體化紅外接收器MK0038，該接收器是黑色環(huán)氧聚光透鏡，能夠濾除可見光的干擾，集紅外接收和放大于一體，內含紅外線PIN接收管、選頻放大器和解調器。不需任何外接元件，就能完成從紅外遙控信號(38 kHz的載波信號)中分離出基帶信號，輸出與TTL電平兼容的所有工作。在與單片機連接時，將接收來的紅外遙控信號反相，其正向信號接外部中斷0，反相信號接外部中斷1。通過記錄2個中斷間的間隔時間來測量紅外遙控信號的高低電平的脈寬值。
    (3)外接E2PROM存儲器：用于存放學習到的控制命令的編碼和高低電平信號的脈寬值。
    (4)按鍵盤：啟動一個學習過程。
    (5)溫度傳感器：用于測量室內溫度，根據已學習的溫度控制命令自動開啟或關閉空調。
    (6)LED指示燈：用于顯示遙控器的工作狀態(tài)。
3 系統(tǒng)軟件設計
    學習型遙控器的設計性能及實現(xiàn)與其軟件設計編寫具有密切的關系，在設計中采用內部定時器對信號高低電平計時的方法來采集數(shù)據并保存。當系統(tǒng)識別到起始碼的低電平時，系統(tǒng)啟動內部定時器對輸入低電平計時，當起始碼的低電平結束時保存定時器此時的值，記錄下起始碼的低電平信號脈沖寬度值；然后依次保存采集到的編碼信號脈沖寬度值，如果采集到編碼信號位數(shù)大于設定值M(程序中設定值)，就認為編碼采集已經結束，即學習子程序結束。
    在軟件設計過程中，使用了2個外部中斷和2個內部定時器，外部中斷0啟動定時器0停止定時器1計數(shù)并保存定時器1的數(shù)據，外部中斷1啟動定時器1停止定時器0計數(shù)并保存定時器0的數(shù)據，用定時器0記錄紅外解調信號的高電平時長。用定時器1記錄紅外解調信號的低電平時長，本文采用12 MHz晶振，1個機器周期是1 μs，計數(shù)器采用16位計數(shù)器。如果在外部中斷0和外部中斷1之間不發(fā)生內部定時器中斷，可以記錄的最大時間間隔為65.5 ms；如果在外部中斷0和外部中斷1之間發(fā)生內部定時器中斷則可以記錄的最大時間間隔是n×65.5 ms，其中n為中斷次數(shù)。其值保存在設定的數(shù)據存儲器中，然后寫入到外部E2PROM存儲器中。發(fā)射過程再從外部的E2PROM存儲器讀出，通過用軟件模仿38 kHz載波信號發(fā)送編碼信息。
3.1 數(shù)據壓縮編碼
     在設計過程中研究發(fā)現(xiàn)：盡管空調遙控器存在幀格式多樣、碼型多樣、編碼長短不同、發(fā)送方式不同等問題，但對于某一個獨立的空調遙控器還是有規(guī)律可依的。在系統(tǒng)設計方案時，選擇通用性好的就能解決這個問題。例如測得一款空調遙控器的1個命令碼如下：
    低電平(有紅外發(fā)送載波)信號碼時長數(shù)據是：
    0x7368 0x0578 0x0577 0x0563 0x0555 0x0584 0x0564 0x0545 0x0572 0x0554……
     高電平(無紅外發(fā)送載波)信號碼時長數(shù)據是：……0x0578 0x1377 0x0563 0x0555 0x1384 0x0564 0x0545 0x1382 0x0554 0x01345……
     盡管碼型有幀頭、系統(tǒng)碼、操作碼、同步碼、幀間隔碼、幀尾，但不論是低電平(有紅外發(fā)送載波)信號碼時長或是高電平(無紅外發(fā)送載波)信號碼時長其結構都相對簡單。但是1個幀如此多的數(shù)據占據了大量的內存空間，增加了硬件成本和程序運行時間，有必要在數(shù)據分析的基礎上采取數(shù)據壓縮。
     數(shù)據壓縮根據使用場合和要求的不同分有損和無損壓縮。為了在數(shù)據發(fā)送時準確再現(xiàn)接收到的紅外數(shù)據，本文采用無損壓縮的方法，使用的編碼方式是改進型的游程編碼，根據游程編碼的原理，游程長度(游程或游長)RL(Run-Length)指的是由信號采樣值構成的數(shù)據流中各個數(shù)據重復重現(xiàn)的長度，只要給出重復的數(shù)據、數(shù)據長度和位置就可以恢復原來的數(shù)據流[2-3]。其具體實現(xiàn)過程如下：
     (1)在接收紅外信號時分別按高電平和低電平不同的時間長度編號(時間長度規(guī)定一定的誤差范圍)，每1次測得的數(shù)據根據電平持續(xù)時間記錄其編號，再將同編號的數(shù)據相加求平均值作為標準時間長度，根據紅外信號格式的不同，可以選擇4 bit壓縮方式和2 bit壓縮方式，即壓縮比達到1/4和1/8。在接收紅外數(shù)據時采用的是中斷方式，不占用過多的CPU時間，還可以一邊學習一邊存入E2PROM以達到節(jié)省內存空間的目的。
     將上述空調遙控器的1個命令碼(其中紅外編碼長度為150 bit，壓縮比為1/8)的數(shù)據存儲在E2PROM中的數(shù)據格式如下：
    01100101……(共10個字節(jié)低電平數(shù)據)；
    11010101……(共10個字節(jié)高電平數(shù)據)；
    0x96(字節(jié)總長度)；
    0x1377 0x0560 0x0572 0x370(4個不同的時長)；
    (2)發(fā)送紅外數(shù)據時，先從E2PROM中讀出字節(jié)總長度、4個不同的時長及部分高低電平數(shù)據，在發(fā)送高電平時(即不發(fā)送紅外載波信號)且時長大于1 ms，再讀E2PROM數(shù)據，這樣更可以節(jié)省內存空間。
3.2 軟件設計
     根據上述原理其軟件流程圖如圖4所示。

      本文提出的學習型紅外遙控器的設計方案。由于在數(shù)據處理和存儲時采用了無損壓縮的改進型游程編碼技術，簡化了數(shù)據結構，節(jié)省了存儲空間，存儲1個鍵碼(如150 個雙字節(jié)信息)僅需29 個字節(jié)，壓縮比達7:1。同時采用均值算法，消除了載波頻率誤差大的影響，使發(fā)送的載波頻率誤差小于0.5 kHz。本設計能自動學習市面上流行的各種紅外遙控器的遙控指令，從而控制各種不同類型的紅外遙控設備。比較接收和發(fā)送的紅外波形結果是兩波形完全一致。通過對海爾、澳柯瑪、三星等紅外空調遙控器的測試，都達到了理想的準確率，有效的遙控距離可達8～10 m[4]。本設計作為一個節(jié)點再連接上通信模塊即可實現(xiàn)智能家居系統(tǒng)中空調的智能控制。
參考文獻
[1] 陳祖爵，王建毅．智能型紅外遙控器的設計[J]．微計算機信息，2008，24(1-2)：305-307.
[2] 徐志，何明華，林武，等．一類基于軟件載波的學習型遙控器的設計與實現(xiàn)[J]．現(xiàn)代電子技術，2009(2)：36-38.
[3] SALOMON D．數(shù)據壓縮原理與應用[M]．吳樂南，譯．北京：電子工業(yè)出版社，2003．
[4] 丁躍華，陳艷峰，龍箏．紅外遙控系統(tǒng)的一種設計方法[J].現(xiàn)代電子技術，2007(7)：71-75.