曾煉成，周小云

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410128)

0 引言

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居的目標(biāo)之一是通過網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一控制帶紅外遙控功能的家用電器。紅外遙控電器設(shè)備(電視、空調(diào)、機頂盒等)各自采用不同編碼類型和互不干擾的獨立紅外遙控器，而學(xué)習(xí)型紅外遙控器則可以統(tǒng)一控制智能家居中的家用電器。

學(xué)習(xí)型遙控器有協(xié)議識別型和波形存儲型2類。由于家電類型、生產(chǎn)廠家的不同，紅外遙控波形協(xié)議規(guī)定的用戶碼與數(shù)據(jù)碼各種各樣，協(xié)議識別難以實現(xiàn)全面學(xué)習(xí)，通常只針對特定遙控器學(xué)習(xí)［1］。而波形存儲型專注于波形的脈沖序列記錄與重現(xiàn)，不受紅外遙控波形編碼協(xié)議限制［2-3］。本文通過研究波形存儲型紅外學(xué)習(xí)及其數(shù)據(jù)壓縮方法，使之滿足物聯(lián)網(wǎng)條件下的統(tǒng)一控制的高效紅外遙控功能。

波形存儲型的數(shù)據(jù)來自測量脈沖寬度，初始數(shù)據(jù)離散分布且占用內(nèi)存量較大，需要進行識別和編碼壓縮。文獻(xiàn)［4］同時記錄脈沖寬度和脈沖間距離，對波形數(shù)據(jù)進行矢量量化編碼，采用聚類方法建立脈寬種類表和索引表，對數(shù)據(jù)進行壓縮。文獻(xiàn)［5］采用12 μs為采樣周期計量脈沖寬度和脈沖間距離，采用模糊模式識別算法來對紅外信號數(shù)據(jù)進行分類和數(shù)據(jù)壓縮。上述2種方法均將信息位抽象成二維數(shù)組，聚類之后建立脈寬種類表和索引表。本文利用紅外遙控波形總是高電平與低電平相間的特性，將矢量量化的二維數(shù)組分解成2個獨立的一維數(shù)組，得到更短的脈寬種類表和索引表;同時創(chuàng)新性地提出:由多個出現(xiàn)概率大的短脈沖連續(xù)排布組合得到出現(xiàn)概率小的長脈沖，使數(shù)據(jù)編碼只需面向出現(xiàn)概率大的樣本，實現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)壓縮比。

1 學(xué)習(xí)型紅外遙控

1.1 統(tǒng)一控制紅外遙控系統(tǒng)

如圖1所示為基于物聯(lián)網(wǎng)統(tǒng)一控制的紅外遙控系統(tǒng)，包括遠(yuǎn)端控制和學(xué)習(xí)型遙控器2部分。學(xué)習(xí)型遙控器通過學(xué)習(xí)外部遙控器的波形，將紅外波形數(shù)據(jù)編碼壓縮經(jīng)無線傳輸模塊傳輸?shù)竭h(yuǎn)端控制部分，存儲在遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)庫，在物聯(lián)網(wǎng)中供多用戶共享;遠(yuǎn)端控制的執(zhí)行則發(fā)送相應(yīng)的紅外波形數(shù)據(jù)由學(xué)習(xí)型紅外遙控器還原紅外遙控波形，實現(xiàn)對家電的紅外遙控。

圖1 統(tǒng)一控制的紅外遙控系統(tǒng)

1.2 紅外遙控數(shù)據(jù)格式

紅外遙控數(shù)據(jù)構(gòu)成上通常包含引導(dǎo)碼和數(shù)據(jù)碼2部分［7-10］。引導(dǎo)碼是啟動接收器的識別流程的長脈沖;數(shù)據(jù)碼是一串經(jīng)過紅外載波波形編碼的二進制數(shù)據(jù)，通過脈寬或相位變化表示，是遙控碼主體，分為數(shù)據(jù)碼脈沖寬度調(diào)制(PWM)和脈沖位置調(diào)制(PPM)2種格式類型［11-13］。

圖2(a)所示為紅外遙控PWM格式，波形高電平表示發(fā)射紅外載波，波形低電平表示不發(fā)射載波信號，以發(fā)射紅外載波的不同占空比表示數(shù)據(jù)“0”和“1”。發(fā)射紅外載波的時間固定，通過改變不發(fā)射載波的時間來改變占空比。以使用NEC UPD6121的電視遙控器為例，引導(dǎo)碼為載波發(fā)射9 ms，不發(fā)射4.5 ms，數(shù)據(jù)位“0”為載波發(fā)射 0.56 ms，不發(fā)射 0.56 ms;數(shù)據(jù)位“1”為發(fā)射載波0.56 ms，不發(fā)射載波1.68 ms。

圖2 紅外遙控信號格式

圖2(b)所示為紅外遙控PPM格式，數(shù)據(jù)位“0”和“1”發(fā)射載波和不發(fā)射載波占據(jù)相同長度，區(qū)別在于順序不同。紅外遙控的飛利浦RC-5協(xié)議是典型的PPM格式。

由圖2可以得出，無論是PWM格式還是PPM格式，紅外遙控信號的數(shù)據(jù)碼部分高電平和低電平脈沖寬度類型均不多于2種，引導(dǎo)部分為1個或2個長脈沖。對數(shù)據(jù)碼的高電平和低電平脈沖進行編碼壓縮只需要2個脈寬種類。

1.3 紅外信號學(xué)習(xí)與調(diào)制

紅外發(fā)射信號是基帶信號經(jīng)過載波(38 kHz)調(diào)制的，采用載波周期為單位來量化發(fā)射紅外載波的時長(脈沖寬度)兼顧了數(shù)據(jù)量和精度的要求。圖3(a)所示為紅外遙控信號的學(xué)習(xí)，采用定時器以38 kHz周期性對紅外信號采樣，可連續(xù)測量出信號的脈寬。

圖3 紅外遙控信號的學(xué)習(xí)與調(diào)制

圖3(b)所示為紅外遙控信號的軟件調(diào)制，38 kHz跳變與紅外波形脈寬數(shù)據(jù)進行邏輯與運算，得到紅外發(fā)射載波調(diào)制信號。由此紅外學(xué)習(xí)的脈寬數(shù)據(jù)還原成紅外遙控波形，采用軟件方式可以降低硬件的系統(tǒng)復(fù)雜度。

2 紅外學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)編碼壓縮

2.1 紅外學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)

紅外學(xué)習(xí)中，采用定時器以38 kHz周期性對紅外信號采樣，可連續(xù)測量出信號的脈寬，得到波型的初始脈寬數(shù)字序列:{N0，N1，N2，…，Ns－1}。

為了區(qū)分紅外信號的高/低電平，采用最高位來標(biāo)識電平，其余位數(shù)的值表示電平寬度，即進行如下運算:

式(1)中0x8000表示為最高為1，轉(zhuǎn)換后序列為:{T0，T1，T2，…，Ts－1}。

2.2 脈寬數(shù)據(jù)聚類

數(shù)據(jù)聚類適合于靜態(tài)數(shù)據(jù)的分析，聚類是把相似的對象通過靜態(tài)分類的方法分成不同的組別或子集，使同一個子集中的成員對象都有相似的一些屬性［14-15］。

紅外遙控信號波形脈寬是以38 kHz定時時鐘計次得到一維脈寬數(shù)字序列，紅外遙控脈沖寬度一方面取決于脈沖編碼的信息位不同，另一方面由于檢測時鐘時基抖動、外部干擾，相同信息位的脈寬數(shù)據(jù)呈高斯分布。數(shù)據(jù)集合{T0，T1，T2，…，Ts－1}的數(shù)據(jù)分布如圖4所示，高/低電平脈沖區(qū)中，分布在左側(cè)的是樣本數(shù)較多且脈寬較窄的數(shù)據(jù)碼，右側(cè)則是引導(dǎo)碼，數(shù)量少且脈寬較寬。

圖4 紅外學(xué)習(xí)脈寬數(shù)據(jù)分布

紅外學(xué)習(xí)脈寬數(shù)據(jù)聚類中，聚類成員是電平的脈寬Ti，進行基于距離函數(shù)聚類。

具體的算法如下:

(1)對數(shù)據(jù)集合{T0，T1，T2，…，Ts－1}進行排序;

(2)計算相鄰數(shù)據(jù)的距離，根據(jù)分布狀況確定閾值，閾值大于高斯分布;

(3)當(dāng)相鄰數(shù)據(jù)間距離大于閾值，認(rèn)為分屬于不同的子集;

(4)計算子集的均值作為聚類的中心值;(5)記錄高/低電平子集的中心值。

2.3 脈寬數(shù)據(jù)編碼壓縮

無論紅外遙控信號的PWM格式還是PPM格式，紅外遙控編碼信息存在大量的2種寬度相同的短脈沖。短脈沖出現(xiàn)概率遠(yuǎn)大于引導(dǎo)區(qū)的長脈沖。根據(jù)編碼原則，對于概率大的樣本以短字長的編碼才能有較高的壓縮率;對于小概率的樣本可以長字長的直接編碼方式(如Huffman編碼)，也可以是間接方式編碼。

紅外學(xué)習(xí)脈沖信號分高電平和低電平分開處理，對出現(xiàn)概率大、冗余度高的短脈沖利用先驗知識采用靜態(tài)字典編碼，獲得盡可能短的編碼;對于出現(xiàn)概率小、冗余度低的長脈沖采用短脈沖連續(xù)排布表達(dá)，即實現(xiàn)以短編碼串連來間接編碼小概率樣本。

字典編碼(Dictionary Encoding)是一種無損的數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)，通過建立字典索引表，以索引來取代重復(fù)出現(xiàn)的字典條目來實現(xiàn)數(shù)據(jù)壓縮。字典編碼分為靜態(tài)字典編碼和動態(tài)字典編碼。

靜態(tài)字典編碼是對信源的結(jié)構(gòu)有足夠的先驗知識時，利用先驗知識構(gòu)造字典。靜態(tài)字典編碼依據(jù)先驗知識構(gòu)造固定長度的字典索引。在紅外學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)靜態(tài)字典編碼中，以高電平和低電平區(qū)的數(shù)據(jù)碼子集的聚類中心值來建立索引長度為4，編碼長度為2 bit的靜態(tài)字典，表1所示為結(jié)合具體波形的靜態(tài)字典，將出現(xiàn)概率大的16 bit脈寬數(shù)據(jù)壓縮到2 bit編碼。

3 編碼測試與分析

3.1 紅外學(xué)習(xí)遙控器實物測試

圖5所示為紅外學(xué)習(xí)遙控器測試實物，由STM32F103微處理器、1個紅外接收管、2個并行的紅外發(fā)射管、按鍵、電池以及以無線連接上位機的藍(lán)牙模塊等組成，長按電路板上的按鍵或者通過上位機發(fā)送指令開啟學(xué)習(xí)功能，學(xué)習(xí)所得到的數(shù)據(jù)存儲在本地并同時上傳到上位機，按鍵發(fā)送存儲數(shù)據(jù)或上位機發(fā)送編碼數(shù)據(jù)還原遙控波形。

圖5 紅外學(xué)習(xí)遙控器實物圖

圖6 紅外遙控信號脈沖波形

為了紅外學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)編碼壓縮及還原波形的有效性，除了采用學(xué)習(xí)遙控器即時學(xué)習(xí)，存儲本地后還原波形實測電器，還通過邏輯分析儀分別采集學(xué)習(xí)和還原波形比對。圖6所示為通過LA1016邏輯分析儀獲取的紅外遙控器一次按鍵后紅外接收管的信號波形(為直觀顯示波形已做反相處理)，一次引導(dǎo)(同步碼)后的多個PPM(脈沖位置調(diào)制)脈沖。

3.2 紅外學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)的編碼壓縮及分析

紅外遙控信號經(jīng)38 kHz計時時鐘量化的數(shù)字序列，采用十六進制短整型記錄，以最高位為來標(biāo)識低/高電平脈沖，高電平脈沖的計數(shù)值最高位為1。圖6所示學(xué)習(xí)波形的脈寬數(shù)據(jù)數(shù)組:

初始脈寬數(shù)組(2)按高/低電平分開數(shù)字序列排序，依據(jù)距離值分組，同一組序列的均值作為4組索引的固定長度索引表，如表1所示。

表1 紅外遙控脈沖壓縮靜態(tài)字典

采用表1靜態(tài)對初始脈寬數(shù)組(2)進行編碼，短脈沖直接用靜態(tài)字典編碼，長脈沖采樣連續(xù)短脈沖排布而成，如第一個高電平長脈沖(脈寬為0xD2)，由3個高電平脈沖(脈寬為0x4A)連續(xù)組成，一維數(shù)組序列的編碼二進制值為:

對應(yīng)十六進制編碼:

靜態(tài)字典和對應(yīng)十六進制編碼最后組成編碼數(shù)組:

對比初始脈寬數(shù)組(2)和編碼壓縮后數(shù)組，量化數(shù)字序列(2)包含84字節(jié)，而編碼數(shù)組(5)包含15字節(jié)，故壓縮率為:84/15=5.6。

3.3 紅外學(xué)習(xí)功能測試

紅外學(xué)習(xí)功能是否有效取決于學(xué)習(xí)和還原2個過程均正確，即首先正確學(xué)習(xí)紅外信號生成產(chǎn)生數(shù)據(jù)，經(jīng)編碼壓縮存儲起來，然后將壓縮編碼數(shù)據(jù)還原出正確的遙控波形。采取2種方法做功能測試，分別驗證單只學(xué)習(xí)遙控器本地存儲波形還原和多只學(xué)習(xí)遙控器數(shù)據(jù)共享下波形還原的有效性。

測試1 單只紅外學(xué)習(xí)遙控器本地存儲測試，采用即時學(xué)習(xí)紅外波形，數(shù)據(jù)壓縮保存在單片機本地存儲，每次按動按鍵，本地存儲數(shù)據(jù)被還原出波形，能正確遙控電器。

測試2 多只紅外學(xué)習(xí)遙控器共享數(shù)據(jù)測試，即一只紅外學(xué)習(xí)遙控器學(xué)習(xí)波形，壓縮編碼數(shù)據(jù)經(jīng)無線(藍(lán)牙)上傳到上位機，上位機存儲編碼數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)發(fā)給其他紅外學(xué)習(xí)遙控器，其他紅外學(xué)習(xí)遙控器還原的波形也能正確遙控電器。

4 結(jié)束語

本文著眼于物聯(lián)網(wǎng)條件下的統(tǒng)一控制紅外遙控系統(tǒng)，采用不受波形編碼格式以及協(xié)議類型限制的波形存儲紅外學(xué)習(xí)方式，以紅外載波頻率量化脈寬，實現(xiàn)了紅外波形到一維數(shù)組的轉(zhuǎn)換，經(jīng)過聚類分析并利用先驗知識構(gòu)建索引長度為4的靜態(tài)字典，對出現(xiàn)概率大的短脈沖進行2 bit編碼，出現(xiàn)概率小的引導(dǎo)碼長脈沖以多個短脈沖串聯(lián)間接編碼，數(shù)據(jù)壓縮率高，實際測試紅外學(xué)習(xí)編碼壓縮及還原波形一致，滿足物聯(lián)網(wǎng)條件下的紅外波形數(shù)據(jù)的傳輸、存儲和共享的要求。

由于紅外遙控波形協(xié)議規(guī)定的波形存在規(guī)律性的重復(fù)，結(jié)合實際測試的結(jié)果來看，紅外學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)經(jīng)編碼后同樣有著規(guī)律性的重復(fù)，這種重復(fù)性表明編碼數(shù)據(jù)存在進一步壓縮的潛力。

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