多功能无线遥控装置设计文献综述.doc
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1、多功能无线遥控装置设计1前言近年来,无线遥控技术(Wireless remote control technology1)发展迅速,以其体积小、不受空间限制、布线简单等特点,广泛应用于遥控电灯、遥控门铃、遥控玩具、遥控门锁等各种场合。无线遥控技术在生活中已得到了广泛应用,常用于车辆防盗系统、家庭防盗系统和其他电器遥控装置上。随着学生科技制作的展开,也成为机器人大赛等重要学生科技活动的必选组件之一。在近几届高校的机器人大赛上,使用到无线遥控电路的队伍也已过八成,足见其重要性2。特别是进入21世纪以来,随着经济的迅猛发展和科学技术的突飞猛进,人们的生活水平得到了极大的提高。空调、电视机、电冰箱、洗
2、衣机、微波炉等作为普通的家用电器早已铺天盖地的进入了寻常百姓家。这些家电随着技术的进步,其质量和性能的提高从没有停止过。然而,人们对家电的要求并不仅限于此,简单方便易操作是人们追求的一个目标。因此,这些家电在销售时通常会附带有相应的遥控器,如空调遥控器、电视遥控器等等。但是,随着家用电器种类的增多,遥控器的种类也随之增多,由于不同种类的遥控器不能相互代替,这给放置和使用带来了不便;同时,现在的家电遥控器一般体积大、功耗大,耗电多,需经常更换电池;另外,目前的遥控器普遍采用的红外、声控和蓝牙等技术等都有很多明显的缺欠。因此,低功耗、小体积通用无线遥控器倍受青睐。目前的遥控器普遍采用的是红外技术。
3、该技术使用850nm的红外光传输语音及数据,能够实现点对点的简单的数据传送和文件同步3。随着传感器检测、单片机技术的不断发展,无线遥控装置在电子设计制作、家电、汽车等领域应用日趋广泛深入。目前常用的遥控方式主要有超声波遥控、红外线遥控、无线电遥控等。由于无线电波可在很大区域和空间内实现,故已成为遥控的主要方式。无线数据传输,距离较近可采用红外线传输,距离较远可采用射频传输。目前市场上的射频DF无线数据收发模块,不需要连线,可以实现一点对多点或多点对一点的数据传输,使用灵活方便,因此广泛地运用在工农业生产和日常生活中4。另外,近年来无线遥控技术的应用也逐渐在工业生产环境中得到普遍应用。在工厂环境
4、下,对于一些禁止使用通信电缆(如超净或真空封闭的房间),或者很难使用电缆(如移动或旋转对象上的传感器、手持数据采集设备、强腐蚀恶劣环境)的场合,可以采用无线通信技术来组建现场设备互连网络。虽然无线信号在传输过程中常常会中断、衰变以及出现各种各样的问题,如频散、多径时延、干扰等,但这些对无线传输品质的影响因素,都可以通过在七层模型的相关层中采用恰当的机制加以减轻或克服。而且实践已经证明,在大多数工业测控和流程工业现场的应用中,无线网络通信技术足够可靠,可以用在将近80的自动化和过程控制场合。可以说,无线遥控无论是在人们的生活中,还是在生产车间内,都渐渐成为了一种必要装备,因此,有必要对无线遥控技
5、术的原理、发展现状以及发展趋势作深入的研究5。 显然,我们对无线遥控的设计与研究就必须以对无线通信的深入研究为基础。也就是说,无线遥控实际上真正要解决的问题是无线通信的问题。2主题2.1短程无线通信技术现状随着移动通信的大发展,无线通信(radio communication6)的地位变得越来越重要,其应用范围也越来越广泛,相关技术发展迅速,实现了远距离的通信,但人们也许没有注意到,在同一间屋内或在相距咫尺的地方,同样也需要无线通信。因此,同时出现了另一种需求:实现低价位、低功耗、可替代电缆的无线数据和语音链路。通过一个小型的、短距离的无线网络为移动和商业用户提供方便。目前短程无线通信技术主要
6、有两种,一种是红外无线通信技术,另一种是工作于ISM(Industrial Scientific Medical)频段射频通信技术。2.1.1 ISM(Industrial Scientific Medical)频段射频通信技术ISM频段主要是开放给工业、科学、医学三个主要领域使用,该频段是依据美国联邦通信委员会(FCC)所定义出来,不需要使用授权限制的自由频段。ISM频段的短距离射频通信技术主要有蓝牙(Bluetooth)、HomeRF、802.11标准IEEE802.11协议:即无线局域网协议,是由电子电气工程协会(IEEE)于19年成立的802.11无线局域标准工作组负责制订的,采用2.
7、4GHz的无许可证频段。IEEE802.11b的速率可达到11Mbps,通信距离为数百英尺,适合于安装电缆不便或不经济,且要求有灵活配置的环境。但IEEE802.11的互操作性欠缺阻碍了的发展。即便互操作性问题得到解决,无线局域网组件的价格对大多数人来说任然昂贵。HomeRF技术:Home RF(Home Radio Frequency)工作小组(HomeRF WG)是在个人电脑、消费电子、外设、软件通信和半导体工业等各方面领先的公司组发起的,旨在将HomeRF发展成为家庭无线通信规范。它制定的共享无线接入协议SWAP(Share WirelessAccess Protocol)结合了无绳数字
8、交换技术DECT(DigExchange Cordless Technology)和IEEE802.11的特点,提供了对语音和数据业务支持能力,非常适合于家居环境中组网。与IEEE802.11相比,HomeRF有效利电话线,不需要再敷设电缆,构建家庭网络时更容易实现,而且结构简单、安性好、速度快。HomeRF受到地域限制,只能覆盖40m的距离,阻碍了它的应用同时很难与现有的有线网络集成起来,且功耗很高。HomeRF实现家庭网络的价格很昂贵。Bluetooth技术:蓝牙(Bluetooth)技术是由Ericsson、Intel、IBM、Toshiba、Nokia等公司组成的特别兴趣集团(SIG,
9、Special Interest Group)所发起的一种短距离(10cm10m,增加放大单元后可达100m以上)无线通信连接技术。它以低成本的近距离无线连接为基础,实质上是一种替代电缆的技术,通过建立通用型空无线信号传输接口及其操控软件的国际公开标准,使不同厂家生产的便携式设在没有电线或电缆相互连接的情况下,能在近距离范围内具有相同操作的性能但价格因素是其应用的一个障碍。2.1.2短程无线通信技术的特点随着网络和通信技术的迅速发展,无处不在的网络终端、以人为本、个性化、智能化的移动计算以及方便快捷的无线接入、无线互联等新概念和新的产品,已经逐渐融入人们的日常生活和工作领域。随之而来的便携式终
10、端以及无线通信相关的新技术层出不穷,其中短程无线通信(无线局域网络)技术的发展则是百花齐放、眼花缭乱。相关有代表性的无线局域网技术标准有:IrDA、IEEE802.11b、802.11a、802.11g、Bluetooth、HomeRF、ZigBee、UWB超宽带等。无线局域网络技术具有以下几个优点(1)灵活移动性无线网络可为用户提供实时的、移动性网络资源共享。这是普通局域网无法达到的。由于没有线缆的限制,用户可以随心所欲地增加工作站或重新配置工作站。可移动性让用户在使用掌上计算机、个人数字助理(PDA)、数据采集器等设备时能自由地变换位置。这极大的方便了工作时需要不断移动位置地人员,如货物清
11、点员、执行任务的警察、外出急诊的专家等。相对的,有线网络将用户工作站和网络数据源限制在一定的物理连线上,当你在建筑物中走动或离开建筑物时,都会失去网络联系。(2)解决布线困难在不能使用传统走线方式的地方、传统布线方式困难、布线破坏性很大或因工作环境等原因不能布线的地方,布线将是一个非常大的问题。在这些地方选择无线网络不仅没有布线工程的烦恼而且会节省大量费用。(3)安装简单、快速布线经常是一项非常耗时的工作。拿局域网来说,安装人员必须将双绞线拉到天花板上面,然后再沿墙壁而下,引到网络墙座上,或者需要把地板重新掀开,在下面布线。这些根据工程的大小,大约需要几天或者几周的时间。利用短程无线通信技术会
12、省去布线程序,而使网络更快地投入应用。因此在许多网络基础设施薄弱的国家和地区,网络建设已转向由无线网络取代在安装物理传输介质方面耗费金钱和时间的有线网络。(4)可扩展性强无线局域网可以配制成各种网络拓扑结构来满足多种应用和安装需要。从点对点的小型网络,到拥有数千台节点的网络系统,以及某一范围内实现漫游功能的大型网络,均不需要更改任何硬件设施。从目前应用的情况来看,无线网络技术是对普通网络的一种延伸。它为移动办公的用户和网络之间提供实时连接的手段,现已在许多行业都取得了成功应用:(1)石油工业油矿的地形起伏不平,敷设电缆后不易传导,而且电缆穿过炼油厂可能是潜在的危险。无线网连接可提供从钻井台到压
13、缩机房的数据链路以便显示和输入由钻井获取的重要数据。海上钻井平台由于宽大的水域阻隔,数据和资料的传输比较困难。敷设光缆费又用很高,施工难度很大。使用无线网技术,费用不及敷设光缆的十分之一,效率高,质量好。(2)货场管理铁路运输货场和码头货场,由于大型吊车、运输道路和货物通道不能敷设电缆,使用步话机报告货位和货号极易产生差错,无线计算机网络可以使货物情况和资料直接传输到计算机中进行处理大大提高工作效率和服务质量,避免了不必要的差错。(3)医护管理现在很多医院都有了计算机管理系统、大量的计算机病人监护设备、计算机控制的医疗装置和药品等库存计算机管理系统。计算机无线网络可以使医疗专家和管理者在医院内
14、的任何地方使用移动和手持计算机设备能极力方便的存取这些信息。利用计算机无线网络医生和护士在设置计算机专线的病房、诊室或急救中进行汇诊、查房,手术时可以不必带着沉重的病例,而使用笔记本电脑实时记录医嘱,并传递处置意见,查询病人病例和检索药品,还可以访问中央专家系统以帮助诊断或预测药物的相互作用和反应。(4)工厂的技术处理工厂往往不能敷设连到计算机的电缆,在加固混凝土的地板下面也无法敷设计算机电缆,空中起重机使人很难在空中布线,零备件及货物运送通道使得也不便在地面布线。这种情况使用数字化制造设备、数字采集装置、机器人设备时应用无线计算机是很合适的。工程师和技术人员在进行检修、更改产品设计、讨论工程
15、方案以及其他技术处理时,可以利用计算机无线网在工厂车间或厂区的任何地方查阅技术档案、工作工艺和工程图,发出技术指令、请求技术支援,甚至和厂外专家讨论问题。(5)远程抄表过去的20年里,水电用具在试着采用不同类型的自动读表系统,但总的来说,所形成的系统还是太贵,难以安装。如今,无线网络技术为实现读表自动化提供了可能。若将收发信机植入一台电子仪表中,则读表员可以在住宅区内沿着街道驱车,自动读取每个用户的表值,这是对现在使用的读表方法的一项重大改进。由此可见,无线局域网络技术在许多行业、领域都得到了成功的应用,发挥了至关重要的作用,在此就不再一一列举了。因此,将无线局域网络技术运用于红外温度测量中,
16、有着很好的可实现性和很强的实用性,同时也具有广阔的市场前景7。2.2常用的短程无线技术2.2.1红外技术红外通信是一种较早的短距离无线通信技术,它一般采用红外波段内的近红外线,波长在0.7525之间。红外通信的应用主要在两方面,红外遥控和红外数据传输。红外遥控方面,人们相对比较熟悉,家庭中的电视机、广播、灯和其他家电器的遥控器都使用红外信号。红外遥控相关的组成部件都很便宜,工作频率要数集中在38KHz附近(36.7KHz,37.9KHz),但对红外遥控而言,不同的产品商所依据的红外遥控编码并不相同,红外控制协议主要有:ITT协议、Nokia NRC17协议、夏谱协议、Sony SIRC协议、P
17、hilips RC-5协议、NEC协议等。红外数据通信技术发展早期,存在好几个红外通信标准,不同标准之间的红外设备不能进行红外通信。1993年成立的红外数据协会(IrDA)所制定的IrDA红外数据通信协议及规范最终被广泛使用,成为统一了红外通信的标准。IrDA使用红外线LED,波长约为87530nm,IrDA是一种点到点、在传输范围的数据传输标准,传输距离小于1m,传输速率为416Mbit/s8。红外数据通讯标准包括基本协议和特定应用领域的协议两类。类似于TCP/IP协议,它是一个层式结构,其结构形成一个栈。如表1. 1所示。信息访问服务协议(IAS)局域网访问协议(IrLAN)对象交换协议(
18、IrOBEX)模拟串口层协议(IrCOMM)流传输协议(TinyTP)链路管理协议(IrLMP)链路介入协议(IrLAP)物理层协议(IrPHY)表1.1 IrDA协议栈结构IRDA是利用红外线进行点对点通信的技术,它在技术上的主要优点是:无需专门申请特定频率的使用执照,这一点,在当前频率资源匾乏、频道使用费用增加的背景下是非常重要的;它具有移动通信设备所必需的体积小、功率低的特点。红外通信是利用红外辐射来传送编码信号的技术。红外通信亦称红外光通信,它分为二类:一类是以光缆为介质的有线光通信,常称作红外有线通信或红外光纤通信;另一类是以大气为介质的无线光通信,亦称红外大气光通信或红外无线通信。
19、本文讨论涉及的是第二类,即红外无线通信。 红外无线通信采用红外线作为通信载体,一般采用0.9um波长左右的红外线。调制方式一般采用ASK, QPSK, PPM等,传输速率2.4bps16Mbps。由于蓝牙、无线电均工作在全球开放的2.4GHz ISM(即工业、科学、医学)频段;受干扰的可能性比较大,所以在调制方式的选择上必须具有强大的防干扰和纠错能力,红外线通信在调制方式的选择方面享有充分的自由。 红外线在短距离、室内应用中有较大的优势。红外通信成本低、速度快,而且它的带宽几乎不受限制。红外链路采用IM/DD(Intensity Modulation with Direct Detection
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