利用红外发光二极管对传统可遥控家电进行智能化升级

摘 要：从传统家居市场中最常见的“遥控器”着手分析，根据遥控器的基本原理，结合智能手机的基本功能，借助音频设备的相关设置，利用红外发光二级管的单向导电性并加入相关的无线互联技术，设计了最便捷、最快速、最廉价的方案，对目前占据市场较大份额的“可遥控传统家居”市场进行了智能化产业升级。

关键词：红外发光二极管；传统家电；红外遥控；二倍频

中图分类号：TP368.1 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2016）01-00-02

0 引 言

随着以信息物理融合系统（CPS）为基础，以高度数字化、网络化、机器自组织为标志的第四次工业革命的到来，各大传统家电厂商与新兴的互联网企业纷纷把目光投向了家居――这块技术发展被搁置很久或者没有得到根本性发展，但又与每一个人都息息相关，不曾离开人们视线的领域。大量的智能空调、智能电视、物联网插座等在传统家居用品常见的电器上加了个新帽子，也成了一些新兴事物。不过，由于家居市场的特殊性，一般产品更新率在5年左右，甚至在部分家庭中可能出现20年不换电器的情况。并且在中国的家居市场，智能家居设备较普通设备而言十分昂贵，让很多想要接触它们的年轻人望而却步。所以，降低体验及使用物联网的门槛，对市场中大量的传统家电进行智能化升级，拥有巨大的市场潜力。

1 总体设计

1.1 理论基础

在传统的普通家用遥控器中，一般在遥控器键盘电路上把按键的坐标转换成ASC II码，然后把相应的码率加载到一定频率的载波上，通过遥控器的红外发光二极管把载波上的电信号转换成对应频率的红外信号发射出去，外部对应家电的接收电路可以接收这种特殊的红外信号载频，需要反过来通过光电二极管将这段特殊的红外载频信号转成相应载频的电信号，经系列电路对这段电信号进行放大、整形、解调等相应处理，然后将上面调制的ASC II码解调处理，最后还原成原来的脉冲编码信号，完成遥控指令的传递，这是一个十分复杂的过程。其中，虽然ASC II通用性强，但是因为它是一套基于拉丁字母而设计的美国标准电脑编码系统，使用二进制信号表示了大概27或28个数字的设计。所以，在红外发光二极管上发出的载波为变化的方波。

从波长角度考虑，因为外部家电的红外接收器所能接收的型号主要是由传统遥控器上的红外发光二极管所发出的信号，如果信号的波长不在红外发光二级管所能发出的波长范围内或不在红外线的范畴，显然这样的设备无法达到能够控制传统家电的目的。所以在设计设备的时候必须让红外二级发光管所发出的红外信号的波长范围在940 nm左右。几乎所有的红外家电遥控器都遵循这一标准。

从频率角度考虑，为了快速反应，遥控器只需要在数十毫秒的时间内发出一串编码信号，在十多毫秒或一百多毫秒后重复发出一串编码信号，一串编码便可以包括十位左右到数十位二进制编码。换言之，每一位二进制编码的持续时间或者说位长不过2 ms 左右，频率只有 500 kHz 这个量级，要发射更远的距离必需通过载波，将这些信号调制到数十kHz，用的最多的是 38 kHz，大多数遥控器的载波频率只能用到陶瓷振荡器振荡频率的十二分之一，最常用的陶瓷振荡器是455 kHz规格，故最常用的载波也就是 455 kHz的十二分之一，即为37.9 kHz，约等于38 k载波。红外线接收器是一体化的组件，为了更有针对性地接收所需要的编码，就设计成以载波为中心频率的带通滤波器，只容许指定载波的信号通过。不过，家用电器多用38 kHz，很多红外线接收器也能很好地接收频率相近的40 kHz或36 kHz的遥控编码。

而考虑到人耳的舒适性，手机发出的声音一般为正弦波，即使不是正弦的，现在很多手机厂商也对相关的发音器材进行一定的优化处理，让声音更加“动听”，所以对他们放出的声音也会做出一些正弦优化。由于人耳的局限性，可以听到的声音范围在20～20 kHz，所以大多厂商在设计手机的音频设备时，晶振产生的震动频率一般很少超过20 kHz，这与家用遥控器中的38 kHz有很大的出入。

只要解决了频率问题，让手机上发出的频率达到38 kHz，对手机的声频系统进行裂化，把手机耳机孔的电信号加装一个大概为2倍频的装置，就可以达到用手机发出电流信号来驱动红外发光二极管，从而达到遥控器的相应频率，这样就可以采用手机加装相应设备的方法来代替传统家电的普通遥控器，从而达到用手机直接甚至远程控制传统家电的目的，而其中的远程控制便是做到了对传统家电进行智能化升级的目的。

1.2 设计思路

遥控器常用的控制电路频率为38 kHz，转换到声波领域为超声波段信号，并且小于二倍的最高可听到的声音频率，也就是说：只要对现有的音频做二倍频处理即可以达到红外遥控器的控制频率。介于二极管的单向导电性与在手机发出的声波有左右声道之分，所以只要取一对红外发光二极管进行正负反接，并联到手机耳机的左右声道上，就可以在手机发出19～20 kHz频率的声波信号时，进行二倍化处理，从而使得发出的红外频率达到38 kHz以上。

2 设计方案

结合设计思路，把双红外发光二极管直接焊接在耳机头的左右声道上，利用二极管的单向导电性，达到二倍频的目的。

双红外发光二极管原理如图1所示。

图1 设计原理图

即一个二极管的塑料头内包入了一对正负极相反的红外发光二极管。从而可节约空间。两者设计原理、形式均相同。

具体设计如图2、图3所示。经过测试，二者均可使用。

图2 红外发光二极管

图3 双红外发光二极管

3 优劣分析与改进方案

3.1 设计优点

双红外管价格低廉、方便、实用、结构简单，大大降低了设备的故障率。在原始的耳机插头与红外管中可以进行二度优化，从而使设备的体积大大缩小，进而让遥控随身携带。

3.2 缺点探究

设备结构过于简单，直接用红外发光二极管作为负载，阻抗过小，部分手机难以识别。并且不能够被有HiFi优化的手机耳机孔（例如：小米的米音等）所使用。

3.3 改进方案

在电路中加入额外的电源对电路整体进行供电，从而让双红外管可以发挥到最大的使用范围，由于晶体三极管在输入信号作用下产生的集电极电流脉冲，其各次谐波电流的幅度总是随着谐波次数增加而迅速减小。因此，倍频效率会随着倍频次数的增高而降低；对滤波器带外衰减的要求随滤除幅度大的低次谐波分量而逐渐增高。频率测试如图4所示。

图4 频率测试

三极管倍频器只能实现低倍频次数（五次以下）的倍频器，较多的为二或三倍频器。为了实现高倍频，可以将几级倍频器串接，组成倍频链接。

所以，可以在电路中加入二倍频的晶体三极管。并且额外加入3 V纽扣电池，对电路进行供电。把耳机头直接与电路板焊接在一起，其成品如图5所示。

图5 成品展示

4 家居智能化升级

基于Linux kernel的Android系统，有区别于GNU/Linux的优势，在移除包括Cairo、X11、Alsa、FFmpeg、GTK、Pango及Glibc等功能后。Android加入了Bionic 取代Glibc、利用Skia 取代Cairo、再以opencore取代FFmpeg等。这些使得安卓设备与应用摆脱了GNU GPL授权证所约束的部分，同时使得安卓的驱动程序与Linux driver、Linux kernel彻底的分开，这些优化都让Android有更大的开放性，Android 的HAL（硬件抽像层）能以封闭源码形式提供硬件驱动模块。HAL的目的是为了把 Android framework与Linux kernel隔开，让Android不至过度依赖Linux kernel，以达成Kernel independent的概念，也让Android framework的开发能在不考量驱动程序实现的前提下进行发展。同时Android构架内部定义了Activity、Service、Broadcast Receive、Content Provider四种程序构建。

通过上述设计的设备便可以为智能手机等设备与传统家用设备间提供桥梁。利用简单的IEEE 802.15.4e对IEEE 802.15.4标准功能进行功能的扩充，增强媒体访问控制层的功能，适用于中国无线网络（Chingese Wireless Personal Area Network，CWPAN），手机下载“遥控精灵”App，结合“百变遥控”中安卓对安卓的控制功能，便可以实现在同一局域网内的“物联”遥控。

5 结 语

本文从设计方面对应用红外发光二极管结合智能手机遥控传统家居进行了研究与分析。采用“遥控精灵”这款App，结合设计的设备对传统家居进行了智能化遥控。在智能手机中加入远程手机控制软件，即可远程遥控传统家居设备。对后续的传统家居智能化升级有参考价值。

参考文献

[1]张新建，刘沛，杨晓坤，等.传统机顶盒节能改进及遥控一体化方案研究[J].电子技术应用，2013，39（2）：33-35.

[2]贾瑜欢，蓝美娟，金侃，等.基于AT89c52单片机的红外检测小车系统[J].中国科技博览，2010（35）：610.

[3]翟祥林，王景成.红外遥控在嵌入式系统中的实现[J].微型电脑应用，2010，26（5）：24-26.

[4]郑伟.多媒体教室的集中监控系统研究[D].西安：西北工业大学，2007.

[5]李厚春.基于模糊算法的智能红外遥控器检测仪的研制[D].西安：西北工业大学，2005.

[6]李朋飞.多方式远程控制器的设计[D].武汉：武汉理工大学，2006.

[7]李Z延，吴方拢聂定珍.±800kV特高压直流输电工程换流器谐波特性分析[J].电力建设，2012（7）：12-16.