蔡燕玲

（廈門海洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廈門361012）

蔡燕玲（講師），主要從事單片機原理與應(yīng)用的教學(xué)。

引 言

遙控家居設(shè)備是智能家居領(lǐng)域的重要研究部分。智能家居設(shè)備的遙控有多種方法，在可視范圍內(nèi)遙控某一設(shè)備的最經(jīng)濟(jì)、最可靠的方法就是采用紅外遙控。當(dāng)今，幾乎所有可遙控的家電設(shè)備都采用紅外遙控。本設(shè)計就是在不改變原有電器的結(jié)構(gòu)及放置位置的情況下，利用紅外遙控技術(shù)控制所有帶紅外遙控器的家電。相對于無線射頻遙控來說，應(yīng)用紅外遙控的缺點是遙控距離近，且必須在可視范圍內(nèi)，但這個問題目前已可以通過紅外轉(zhuǎn)發(fā)器［1］來解決。

本系統(tǒng)構(gòu)建了應(yīng)用嵌入式計算機eBoxⅠⅠ遙控家電設(shè)備的紅外遙控系統(tǒng)原型。在此基礎(chǔ)上，通過互聯(lián)網(wǎng)可進(jìn)一步實現(xiàn)遠(yuǎn)程紅外遙控功能。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

智能家居紅外遙控系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

系統(tǒng)包括兩大部分：一部分是基于AT89S52單片機的紅外接收／解碼、紅外調(diào)制發(fā)射電路板，用于實現(xiàn)各種紅外遙控器按鍵發(fā)射信號的解碼，以及解碼的紅外調(diào)制發(fā)射。另一部分是在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)平臺eBoxⅠⅠ上存儲相關(guān)家電的紅外遙控器各按鍵的發(fā)射編碼，通過控制系統(tǒng)界面上的遙控器按鈕將按鍵發(fā)射編碼傳送到專用電路板上，并發(fā)射紅外遙控信號，即用eBoxⅠⅠ控制家中所有可接收紅外遙控的設(shè)備（如電視機、熱水器、燈具等）。系統(tǒng)還可進(jìn)一步擴展，接收由遠(yuǎn)程終端設(shè)備（如手機、PDA、PC等）通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)來的控制eBoxⅠⅠ的指令，從而遠(yuǎn)程控制家電設(shè)備。

1.2 系統(tǒng)軟件流程

紅外遙控系統(tǒng)軟件流程如圖2所示。

2 系統(tǒng)具體實現(xiàn)

2.1 選擇嵌入式系統(tǒng)開發(fā)平臺

圖1 智能家居紅外遙控系統(tǒng)示意圖

eBoxⅠⅠ［2］是微軟提供的基于 Windows CE的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)平臺。eBoxⅠⅠ具有體積小、重量輕、功耗低、噪音低、便于移動、系統(tǒng)相對封閉、安全性高等特點，且具有強大的運算能力和網(wǎng)路功能。本系統(tǒng)僅用到eBoxⅠⅠ的串口。

2.2 定制 Windows CE操作系統(tǒng)

eBoxⅠⅠ是嵌入式計算機，需要先安裝操作系統(tǒng)。從應(yīng)用角度看，嵌入式操作系統(tǒng)分為通用型和專用型。通用型操作系統(tǒng)適應(yīng)面廣，但應(yīng)用到實際中一般要經(jīng)過重新定制以適應(yīng)具體環(huán)境；專用型操作系統(tǒng)則專門針對某種應(yīng)用環(huán)境而設(shè)計，可不經(jīng)裁減直接應(yīng)用。Windows CE操作系統(tǒng)屬于常見的通用型嵌入式操作系統(tǒng)，需要根據(jù)設(shè)計需要重新裁減、定制。定制工具采用微軟提供的工具軟件Platform Builder（PB）［3］。

定制Windows CE操作系統(tǒng)過程如下：

①使用Platform Wizard生成一個初始鏡像。運行Platform Builder 5.0，選擇File｜New Platform建立一個項目，在項目導(dǎo)向?qū)υ捒蛑邪刺崾据斎腠椖棵奥窂剑唤又x擇BSP包，因eBoxⅠⅠ的CPU是Vortex86，所以在選項中選擇“EMULATOR：X86”和“ⅠCOP＿VORTEX86＿50：X86”兩項；然后選擇設(shè)計模板，在應(yīng)用程序和多媒體選項中選擇Custom Device；最后在網(wǎng)絡(luò)和通信組件中選擇MFC及Standard SDK for Windows CE，并在Core Services中選擇串口支持和網(wǎng)絡(luò)支持功能，這樣就完成了新項目平臺的選取配置工作。

② 項目定制。在上面生成的項目平臺基礎(chǔ)上，還可以根據(jù)需要進(jìn)一步添加／刪減組件和驅(qū)動程序。從組件目錄中找出需要的設(shè)備驅(qū)動，右擊并選擇Add to OS Design，把應(yīng)用程序添加到項目中。至此，一個Windows CE自定義平臺已完成，下一步準(zhǔn)備生成一個Windows CE操作系統(tǒng)鏡像。

③編譯項目。在菜單欄的工具中選取編譯類型Debug或Release。Debug編譯可提供附加的調(diào)試信息，但它是Release類型的兩倍大，這里選Debug類型。然后，在菜單欄上選擇Build OS／Build and Sysgen，開始編譯項目并生成CE鏡像文件。

圖2 紅外遙控系統(tǒng)軟件流程

2.3 編制eBoxII平臺上的程序

運行于Windows CE下的應(yīng)用程序，其采用的編程工具有微軟推出的Windows CE程序可視化開發(fā)工具EVB（Embedded Visual Basic）、EVC（Embedded Visual C＋＋）和VS.NET。在嵌入式系統(tǒng)資源有限的情況下，較慢的處理器和較少容量的存儲器要求操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件盡可能地減少對系統(tǒng)資源的消耗，同時還要保證較高的執(zhí)行效率。因此，EVC是最適合開發(fā) Windows CE下軟件的開發(fā)工具。

2.3.1定制紅外遙控系統(tǒng)界面

主界面如圖3所示，系統(tǒng)有三個功能選項，分別為控制、學(xué)習(xí)和服務(wù)器設(shè)置。

圖3 主界面

學(xué)習(xí)子界面如圖4所示。要對某一家電進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，必須先將該家電紅外遙控器上各鍵的編碼保存在eBoxⅠⅠ的Flash存儲器中，紅外遙控器發(fā)射的編碼是經(jīng)過調(diào)制后的編碼，需解調(diào)還原成與按鍵對應(yīng)的發(fā)射編碼。由于各種紅外遙控器的編碼格式不同，經(jīng)解碼后還原成發(fā)射編碼的格式是未知的，因此把從紅外遙控器發(fā)射紅外信號到解碼后得到紅外發(fā)射編碼的存儲過程稱為“學(xué)習(xí)”，即學(xué)習(xí)原紅外遙控器各按鍵的編碼格式及相關(guān)編碼。

圖4 學(xué)習(xí)子界面

在學(xué)習(xí)子界面中，可根據(jù)實際需要選擇要控制的家電。本系統(tǒng)只列舉了5種家電：LⅠGHTⅠNG SYSTEM（照明系統(tǒng)）、BACKGROUD MUSⅠC（背 景 音 樂）、WATER HEATER（熱水器）、AⅠR－CONDⅠTⅠON（空調(diào)）和TV（電視）。例如選擇TV，則出現(xiàn)圖5所示的TV遙控器學(xué)習(xí)界面。

控制子界面如圖6所示?？刂谱咏缑嫱ㄟ^eBoxⅠⅠ或遠(yuǎn)程計算機設(shè)備控制家居設(shè)備，每種家居設(shè)備都還有進(jìn)一步的控制界面。如果選擇TV，則彈出類似TV遙控器的控制界面，如圖7所示。

圖5 TV遙控器學(xué)習(xí)界面

圖6 控制子界面

SERVER設(shè)置界面如圖8所示。進(jìn)行遠(yuǎn)程控制前，需設(shè)置服務(wù)器和用戶等參數(shù)。進(jìn)行遠(yuǎn)程控制時，通過客戶端軟件登錄。各參數(shù)設(shè)置正確后，將出現(xiàn)圖3所示的主界面，選擇SERVER SETTⅠNG就會出現(xiàn)圖8所示的界面。在該界面中設(shè)置相應(yīng)的地址、端口、用戶名和密碼，完畢后點擊OK按鈕。

圖7 TV遙控器控制界面

2.3.2eBoxII串口編程

圖8 SERVER設(shè)置界面

系統(tǒng)中電路板與eBoxⅠⅠ的通信采用串口通信方式。

在eBoxⅠⅠ方面，通過Windows CE提供的串行通信函數(shù)［4］可進(jìn)行串口數(shù)據(jù)的收發(fā)。串口操作如下：

①打開串口；

②關(guān)閉串口；

③配置串口；

④設(shè)置串口讀寫時間；

⑤寫串口函數(shù)；

⑥讀串口函數(shù)。

編者注：源程序詳見本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。

2.4 電路板的設(shè)計

由于市場上各類電器的紅外遙控器編碼格式不同，不同廠家生產(chǎn)的同類電器其紅外遙控器的編碼格式也不同，造成各類紅外遙控器編碼無法以統(tǒng)一的編碼格式進(jìn)行識別。本系統(tǒng)通過分析接收到的邏輯位高低電平的持續(xù)時間，獲得對應(yīng)的按鍵發(fā)射編碼，并將這些編碼通過串口通信保存在eBoxⅠⅠ上，需要時再將對應(yīng)的發(fā)射編碼調(diào)制發(fā)射。

為了實現(xiàn)紅外接收／解碼及紅外調(diào)制發(fā)射功能，制作了一塊以AT89S52單片機為核心的專用電路板，如圖9所示。該電路板包括紅外接收／解碼模塊、串口通信模塊、紅外調(diào)制發(fā)射模塊及電源部分。

圖9 紅外接收／解碼、紅外調(diào)制發(fā)射專用電路板

2.4.1紅外接收／解碼模塊

紅外接收／解碼電路以AT89S52為核心，包括紅外接收電路和單片機解碼部分。這部分的功能是接收紅外遙控器發(fā)出的信號，并將解調(diào)信號送AT89S52；由單片機的定時器計算邏輯位高低電平的持續(xù)時間，通過綜合分析判斷出編碼串中兩種不同邏輯的組合方式，從而獲得家電的紅外遙控器相應(yīng)鍵按下后，發(fā)射出的紅外編碼信號的解碼數(shù)據(jù)。

2.4.2串口通信模塊

單片機內(nèi)部的存儲器容量有限，由單片機解碼后將數(shù)據(jù)傳送到eBoxⅠⅠ保存。單片機自帶串口，eBoxⅠⅠ也有與PC機一樣的RS232C接口，因此二者間的數(shù)據(jù)傳送采用最簡單的串行通信。eBoxⅠⅠ與單片機的連接電路如圖10所示。

圖10 eBoxII與單片機的串口連接

2.4.3紅外調(diào)制發(fā)射模塊

在eBoxⅠⅠ端，打開遙控器界面后，點擊某個按鈕，則調(diào)用對應(yīng)該按鈕的紅外遙控器發(fā)射編碼，由串口將數(shù)據(jù)傳送到電路板，再經(jīng)AT89S52單片機調(diào)制后由發(fā)射電路發(fā)射紅外遙控信號。

發(fā)射遙控信號的方式與紅外遙控器發(fā)射信號的方式必須保持一致，才能控制相應(yīng)的設(shè)備。因此，由eBoxⅠⅠ傳來的紅外遙控器發(fā)射解碼必須經(jīng)過調(diào)制后才能發(fā)射。實現(xiàn)發(fā)射編碼的脈寬調(diào)制有兩種方法：一種是將二進(jìn)制脈沖信號與調(diào)制信號相與；另一種是利用單片機中的定時器產(chǎn)生調(diào)制信號，并用軟件的方法將發(fā)射編碼調(diào)制在調(diào)制信號上，然后通過Ⅰ／O口輸出已調(diào)制信號。

為了提高電路的穩(wěn)定性，應(yīng)盡量減少元器件等硬件。本系統(tǒng)采用軟件調(diào)制信號的方法，用AT89S52的定時器T1產(chǎn)生38kHz的調(diào)制信號，對從eBoxⅠⅠ傳來的發(fā)射編碼進(jìn)行調(diào)制。也就是說，邏輯“1”為低電平時輸出調(diào)制信號，為高電平時關(guān)閉輸出；同理，邏輯“0”為低電平時輸出調(diào)制信號，為高電平時關(guān)閉輸出。已調(diào)信號由AT89S52的引腳輸出，經(jīng)三極管放大后控制紅外發(fā)射管，由紅外發(fā)射管發(fā)射紅外信號，其原理等同于由紅外遙控器發(fā)射紅外編碼信號。

3 系統(tǒng)原型測試

整個系統(tǒng)原型包括紅外接收／解碼、紅外調(diào)制發(fā)射專用電路板和基于eBoxⅠⅠ的Windows CE下的應(yīng)用程序。

在eBoxⅠⅠ上啟動應(yīng)用程序，出現(xiàn)圖3所示的主界面，選擇LEARNⅠNG→TV，出現(xiàn)圖6所示的TV遙控器學(xué)習(xí)界面。對照原有的TV遙控器，進(jìn)行每個按鍵的學(xué)習(xí)。先點擊該界面的START按鈕，eBoxⅠⅠ處于準(zhǔn)備學(xué)習(xí)狀態(tài)。例如要學(xué)習(xí)“7”鍵，將TV遙控器的發(fā)射端對準(zhǔn)紅外接收／解碼電路中的紅外接收模塊，按下TV的“7”鍵，則“7”鍵的發(fā)射編碼由AT89S52單片機傳送到eBoxⅠⅠ上。點擊文本框中的按鈕“7”，則遙控器上“7”鍵的紅外發(fā)射編碼就保存在界面上按鈕“7”對應(yīng)的文件中。如此學(xué)習(xí)各鍵，eBoxⅠⅠ就保存了該遙控器所有按鍵的紅外發(fā)射編碼。學(xué)習(xí)完畢，點擊OVER按鈕退出學(xué)習(xí)過程。

返回到主界面。選擇CONTROLLⅠNG→TV，出現(xiàn)圖7所示的TV遙控器控制界面。此時，如果要選擇電視的7頻道，則點擊按鈕“7”，eBoxⅠⅠ將按鈕“7”對應(yīng)的紅外發(fā)射編碼傳送到單片機，并由單片機調(diào)制后經(jīng)紅外發(fā)射電路發(fā)射，從而使電視調(diào)到7頻道。

測試結(jié)果：用eBoxⅠⅠ遙控電視時，效果等同于用原有的紅外遙控器控制。

結(jié) 語

本系統(tǒng)原型對一個家庭中所有紅外遙控器的鍵碼進(jìn)行“學(xué)習(xí)”，并將“學(xué)習(xí)”結(jié)果保存在一臺嵌入式計算機上。在嵌入式計算機上開發(fā)紅外遙控系統(tǒng)，最終目的不僅是為了實現(xiàn)在家中遙控設(shè)備，而是為遠(yuǎn)程遙控家居設(shè)備搭建一個很好的平臺。另外，在這臺嵌入式計算機上還能開發(fā)出其他與智能家居有關(guān)的系統(tǒng)（如視頻監(jiān)控系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)等），實現(xiàn)完善的智能家居體系。

［1］TDXE6436 紅 外 轉(zhuǎn) 發(fā) 器 ［OL］.［2010－06］.http：／／www.taiyito.com／Simplified／ProductView.asp？ⅠD＝139.

［2］ⅠCOP Technology Ⅰnc.eBoxⅠⅠ Windows CE 5.0Jump Start，2006.

［3］周毓林，等.Windows CE.net內(nèi)核定制及應(yīng)用開發(fā)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2005.

［4］汪兵，等.EVC高級編程及其應(yīng)用開發(fā)［M］.北京：中國水利水電出版社，2005.