基于RF4CE规范的红外/射频遥控系统

耿立立

(东北电力大学研究生部,吉林132012)

耿立立(硕士生),研究方向为嵌入式及其应用。

引 言

自20世纪70年代以来,红外技术得到了广泛应用。尤其在家用电器中使用最多,而且种类数目繁多,如电视、空调、DVD等的遥控器,但是各类产品由于种类和厂商不同,它们的红外遥控编码格式各不同,于是遥控器间的相互兼容成了一个待解决的问题。因为彼此间的不兼容,使得用户在使用过程中容易产生混乱,还会造成资源浪费;另外,红外遥控自身的缺点,如信号的发射与接收会受到障碍物的遮挡,传输距离有限。将家用电器的遥控器集成为一体,克服红外遥控距离和方向的限制,给人们的生活带来便利,这些给人们提供了研究方向。

在1980年,智能家居概念被提出。在智能家居中最重要的是家居控制系统。近年来无线通信技术和控制技术的迅猛发展,使它们在控制领域得到了广泛的应用,实现了家庭内电器设备的集中控制的无线化。这些控制设备发射的都是射频信号。可是大多数被控设备是用红外信号控制的,相互之间不能通信。这就成为智能家居控制系统中的设备实现无线化控制的障碍。为了清除这个障碍,这个设计提出了各种实现方法,比如,有申请了专利的基于蓝牙的、基于ZigBee的、只是在单片机上自设电路的方法等。但是有一点是相同的,就是红外—射频转换装置的设计是控制系统的一个重要组成部分。

红外—射频交互问题解决了,但是标准不统一的问题来了。针对这个问题,国际上提出一个新的遥控协议RF4CE,它只是针对消费电子产品。本文的目的就是基于这个新的遥控协议设计一个遥控系统,控制系统采用TI公司支持该标准的CC2530芯片。

1 RF4CE简介

2008年,为了在家用电器市场普及射频操控技术,并避免新技术成为产品设计的障碍,消费电子厂商索尼(Sony)、飞利浦(Philips)、松下(Panasonic)、三星(Samsung)与主要低功耗 RFIC厂商飞思卡尔(Freescale)、德州仪器(TI)以及 OKI共同成立 RF4CE(Radio Frequency for Consumer Electronics)联盟 (RF4CE Consortium)。RF4CE是一种家电遥控新标准和协议。为了更有效地拓展市场,2009年3月,RF4CE联盟同意与ZigBee联盟(ZigBee Alliance)合作共同开发基于ZigBee/IEEE 802.15.4,以及用于家电遥控的射频新标准——ZigBee RF4CE标准。RF4CE不但能提高操作的可靠性,提高信号的传输距离和抗干扰性,使信号传递不受障碍物影响,还能实现双向通信和解决不同电器的互操作问题,遥控器电池寿命也可显著延长。消费者将不再需要用遥控器的发射端准确指向电器的接收端,也不再需要数个遥控器来操作家中不同的电子设备。

ZigBee RF4CE规范了一个RC网络。这个网络是一个简单、鲁棒及低成本的通信网络。此网络在CE范围内允许在应用层无线连接。这个标准在IEEE 802.15.4标准的基础上提供了一个简单的网络层和标准的应用层规约,这个规约用来解决在家庭内部不同厂商间产品的兼容问题。

RC PAN是由两种类型的设备组成:目标节点、控制节点。目标节点有完全的PNA协调性能,可按自己的方式开启网络。通过与目标配对的方式,这两种节点都可以接入由目标节点开启的网络。多个RC PAN形成一个RC网络,这个网络中的节点可以在RC PAN之间进行通信。下面给出遵循这个协议的网络模型示意图。如图1所示,有3个目标节点和4个控制节点。3个目标节点分别是TV、DVD和CD。4个控制节点分别是3个目标节点所对应的RC和1个多功能 RC。它们组成了3个PAN。另外,DVD和TV也进行了配对,录DVD运行时,在TV上选择另外的频道。

图1 RC网络模型示例

为了简化ZigBee RF4CE标准,这个标准的架构是由大量的块或层的术语来定义。每个层负责这个标准的一部分,并且为下一个更高层提供服务,使用来自下层的服务。层与层之间的接口用来定义标准中描述的逻辑链路。各层的布局是基于开放式系统互联的7层模式。其架构如图2所示。

图2 ZigBee RF4CE协议栈架构

由图2可以看出,此协议与Zigbee的不同之处在于它给出了应用层的规范。也就是说在每个厂家生产产品时就要遵循这个规范。这就为家庭内电子产品的入网提供了方便。这也是它优于红外遥控的一方面。

由于国际几大厂商对这个协议的支持,注定了它将来在家电中将占有很大的份额。在遥控系统方面,它取代红外似乎成了必然。然而,当前千千万万的消费者还是在使用红外遥控的电子产品。新产品不可能一朝一夕就能取代旧有的东西,中间的过渡成了必然。一方面要满足原有红外系统,另一方面要将新技术运用到生活当中,于是在遥控系统中加入一个红外转射频装置成了重要的一环。

2 总体硬件设计

如图3所示,红外转射频遥控系统结构主要由3大部分组成:射频遥控器、红外—射频转换器和受控设备。射频遥控器由电源模块、键盘模块以及CC2530芯片组成。转换模块由电源模块、CC2530芯片、红外发送电路以及接收电路组成。系统的无线通信模块中采用CC2530芯片大大简化了射频电路的设计。电源模块用两个1.5 V的5号电池供电。芯片CC2530的P0～P1口用来构成矩阵键盘,由此键盘输入信息经由芯片的前端 RF电路调制到2440 MHz的信号上发射出去。

图3 系统框图

转换装置将接收到射频信号送到CC2530中进行解调,解码后恢复到原来的信号;再由CC2530中的定时器3产生38 M Hz的载波信号,并把恢复的遥控信号调制到该载波上,转化为IR信号发射出去。

然而,由于各种红外遥控的编码各不相同,为了使转换装置不局限于只针对一种电子产品,在这个转换装置中加入了红外接收模块,使整个系统成为一个学习型的遥控系统。这个红外接收模块的电路如图4所示,该接收电路最主要的部分是一体化红外接收头,它将红外接收二极管、放大、解调、整形等电路做在一起,只有3个引脚。分别是+5 V电源、地、信号输出。一体化红外接收头采用NB1838,其光电检测和前置放大器集成在一个封装内。该接收头可以接收不同类型的红外遥控编码信号,而且NB1838的环氧树脂封装结构为本身提供了一个特殊的红外滤光器,对自然光和电场干扰有很强的防护性。红外编码信号经由NB1838解调后,得到TTL电平,输入到CC2530中具有捕获功能的定时器端口。再经由CC2530的射频模块调制成射频信号由天线发出。由射频遥控的CC2530解调后存储起来。整个过程完成了遥控的自学习过程。

图4 红外接收电路

3 软件设计

射频遥控在软件上要实现识别来自面板按键功能请求:状态、功能键和开关键。状态键识别受控对象;功能键识别数字键、前进后退键以及开关键控制受控对象电源,随时响应按键的输入,计算键值,对键值采用“键值加键值反码”的编码方式,提高系统的抗干扰能力。除了编码以外,还有解码,就是当转换装置的自学习红外电路开启时,红外自学习完除了转换装置存储信息,还要把信息通过射频端发给射频遥控存储。

转换装置是本论文的一个重点。它的软件设计包括:射频解码、红外编码、红外自学习,以及产生38 kHz的载波信号等功能。单片机通过外部中断检测射频解调模块,判断是否有遥控信息。如果有,则执行中断程序,从解调模块读取信息,经过红外编码、38 kHz载波的脉冲调制,送到红外发射电路,将调制后的红外遥控信号发送出去。

在此设计中,除了射频接收中断程序外,还有红外自学习中断。判断解调射频信号信息是已经有的用户操作信息,还是请求配对的信息。如果是配对信息,开启红外自学习模块。这时红外一体接收头的解调信号被送到P2.3引脚,由内部定时器完成高低电平的采集,把数据存储起来。然后再把采集到的数据由芯片内的单片机经过编码处理,经射频模块调制发送出去。最后由射频遥控再次存储。

结 语

设计实现射频遥控对红外家电的控制。该系统具有传输距离远、不受空间限制、抗干扰性强等特点。本文的创新点:采用红外自学习模块,无论何种编码的家电都可以通过红外自学习实现遥控对其进行控制;系统基于RF4CE标准,方便了家电实现集中控制,减少资源浪费,通用性强;在控制方面使用了 TI公司的CC2530,实现了系统的低功耗。

在文中只做了一对一的控制系统。可以在此方案基础上配以大容量的控制芯片(如ARM)构成智能家居集中控制系统。在控制如冰箱、电灯等开关控制家电时,只需在开关处加入射频接收节点,就可接入集中控制系统。另外该标准在使用时不只用于家电方面,也可以用在工业控制和车载卫星接收系统等领域。

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