低功耗紅外通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究內(nèi)容提要隨著社會和科技的發(fā)展，紅外通信在我們的社會中有著不可替代的作用。然而，目前典型的紅外通信系統(tǒng)中仍然存在問題，如傳輸效率低、功耗高、傳輸距離受限制等等。針對上述問題本文以STM32為核心結(jié)合NEC設(shè)計了一款低功耗紅外通信系統(tǒng)，主要對系統(tǒng)進行硬件電路設(shè)計和軟件編程，最后完成了相關(guān)的測試實驗。該通信系統(tǒng)傳輸距離最大為8米，短距離傳輸時不受角度限制，在長距離傳輸時傳輸角度最大為30度。大量實驗表明該系統(tǒng)質(zhì)量高、成本低、速率快等優(yōu)勢，且很大程度上降低了功耗。關(guān)鍵詞：NEC協(xié)議；STM32單片機；紅外通信；低功耗目錄內(nèi)容提要 IAbstract II第一章緒論 11.1紅外通信系統(tǒng)研究背景意義 11.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 11.3論文內(nèi)容與章節(jié)安排 3第二章系統(tǒng)硬件設(shè)計 52.1紅外通信系統(tǒng)設(shè)計方案 52.2中央控制模塊 52.3紅外發(fā)射電路 62.4紅外接收電路 62.5通信接口模塊 72.6電源模塊 82.7本章小結(jié) 8第三章系統(tǒng)軟件設(shè)計 93.1系統(tǒng)軟件主流程 93.2紅外通信協(xié)議 93.3紅外發(fā)射流程圖 103.4紅外接收流程圖 113.5本章小結(jié) 12第四章系統(tǒng)調(diào)試與實驗分析 134.1系統(tǒng)調(diào)試 134.2結(jié)果分析 144.2.1距離測試 144.2.2角度測試 144.2.3傳輸誤碼率測試 144.2.4傳輸障礙物測試 154.3本章小結(jié) 15第五章總結(jié)與展望 165.1內(nèi)容總結(jié) 165.2工作展望 16參考文獻 18第一章緒論1.1紅外通信系統(tǒng)研究背景意義紅外通信作為一種較為方便的通信系統(tǒng)，在許多的領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。它主要是采用紅外光作為通信介質(zhì)在發(fā)射端與接收端實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。紅外通信最大的優(yōu)點就是在信息傳輸方面比傳統(tǒng)的一些通信方式傳輸更加的便捷，不需要傳統(tǒng)通信技術(shù)的復(fù)雜通信接口，從這些信息可以看出這樣大大方便了信息的通信與傳輸，同時紅外線通信也有其他非常多的優(yōu)點，比如廉價、近距離、無線、耗能低、保密性好等等，所以在許許多多的儀器上都會得到不同的應(yīng)用(張逸凡,周紫晴,2022)。然而紅外通信仍存在一些缺點，由于各樣的原因會使得其傳輸距離較短，并且易受干擾等等。正是基于上述的諸多特點，設(shè)計高效率、低功耗紅外無線通信系統(tǒng)將具有非常明朗的前景。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀由于無線通信系統(tǒng)所擁有的簡單、靈活和高速等特點，在國外，尤其在歐美、日本等一些國家，很多的科研機構(gòu)和企業(yè)都長期開展了該領(lǐng)域的研發(fā)，而且也陸續(xù)地會有不同的產(chǎn)品在實驗室進入商用(潘奕凡,朱可欣,2023)。在早期的研發(fā)過程中，就產(chǎn)生了不少相應(yīng)的技術(shù)產(chǎn)物，例如世界上的第一套無線通信系統(tǒng)就于一九七九年出現(xiàn)，而這種系統(tǒng)也就是由美國IBM公司負責(zé)開發(fā)的。從這些數(shù)據(jù)可以明顯看出這個無線通信系統(tǒng)屬于一個漫射型紅外通訊系統(tǒng)，最高的通訊長度可以達五十米，PCM和FSK兩種可以作為調(diào)制方法使用，最高通訊速度分別是十五Kbps和六十四Kbps，是最早期的技術(shù)產(chǎn)物，而且數(shù)據(jù)傳輸比較平穩(wěn)、靈活性好、抗干擾能力強，但是也比較可惜，因為這個系統(tǒng)只能局限于試驗室，還沒有進入商業(yè)領(lǐng)域，而且該系統(tǒng)也具有很多技術(shù)層面的缺陷，還需不懈的探索(魏琪琳,邵宇翔,2021)。隨著歲月的流逝，從一九八三年到一九九四年，掀起了一陣陣對無線通信研究的熱潮，以此為前提不計其數(shù)的公司和企業(yè)陸續(xù)開始了對此項技術(shù)的研究，并且陸續(xù)有產(chǎn)品開始問世。下表1.1顯示了一些公司的產(chǎn)品和數(shù)據(jù)(李高,張蕓,2023)。表1.1無線通信產(chǎn)品時間公司/實驗室鏈接方式傳輸速率其他參數(shù)1983富士通可視19.2Kbps15mW，880nm，F(xiàn)SK71985日立混合0.25-1Mbps300mW，F(xiàn)SK1986摩托羅拉寬角度可視50Kbps16mW，950nm，RzOOK1987貝爾實驗室定向可視45Mbps1mW，800nm，OOK1988松下混合19.2Kbps880nm，F(xiàn)SK1993貝爾實驗室蜂窩50Mbps在一九七九年，一篇關(guān)于紅外通信的基礎(chǔ)研究報告問世，他就是在IBM公司工作的F.R.Gfeller所發(fā)表的，由于他的影響力，社會各界人士以及各種研究機構(gòu)也都參與進來，大量的人力物力財力被投入進去，包括在美國的一些學(xué)校和各種各樣的研究院也加入了進來，圍繞這種局面展開隨著不懈的研究，最終有了不錯的成果，尤其是國外一些知名機構(gòu)所參與的領(lǐng)域，但是由于某些原因，他們研究具體的細節(jié)和成果仍然是個秘密(王晨曦,周瑤瑤,2022)。以上結(jié)果在一定程度上引證了本文先前構(gòu)建的理論模型。首先已有的研究結(jié)果分析與理論預(yù)測保持了較高的一致性，驗證了理論框架中中提出的機制的有效性。具體而言，通過研究發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵變量之間的相關(guān)性及趨勢與模型預(yù)測相吻合，這不僅增強了理論框架的可信度，也為進一步探索該領(lǐng)域內(nèi)的復(fù)雜關(guān)系提供了實證基礎(chǔ)。其次結(jié)果的符合性表明，理論模型中所考慮的影響因素和它們之間的相互作用是合理的，這對于理解研究現(xiàn)象的本質(zhì)具有重要意義。在二十世紀九十年代左右，就有這么一個公司做出了在紅外通信這個領(lǐng)域相當(dāng)不錯的成果，并且以及在許多的地方進行了實地的實驗，在此情境之下這就是美國的AstroTerrad公司(趙心怡,李宇昕,2020)。并且有一些研究成果在當(dāng)時引起了不少的關(guān)注，這就是丹尼爾等一些人負責(zé)的無線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，與當(dāng)時別的通信系統(tǒng)不同，這個結(jié)構(gòu)叫做蜂窩結(jié)構(gòu)，對于這種手持終端分為兩類，第一類就是應(yīng)用較普遍的普通型，它的特點就是有較為標準的通話業(yè)務(wù)，在這一狀況里還包括一定的數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)，第二類就是高性能型，相對于普通型而言，高性能型擁有更強大的功能，這種型號中的傳感器速率會很低，這都歸功于它的內(nèi)部自處理芯片，所以它會和通信得到非常好的兼容，不僅這樣，在當(dāng)設(shè)備進行高速傳輸時，它也可以作為一種設(shè)備接口來工作(劉瑞琳,陳云霞,2021)。在一些發(fā)達國家研究的紅外通信技術(shù)已經(jīng)滲入到了生活中各種各樣的設(shè)備之中，包括檢測軍事醫(yī)療等等領(lǐng)域，并且不論地區(qū)，在這種情況框架下在各個城市鄉(xiāng)村都存在它的身影，還有別的一些國家也已經(jīng)參與到了紅外通信系統(tǒng)的研發(fā)設(shè)計當(dāng)中，但是具體的相關(guān)信息仍然處于保密的階段(周杰倫,楊星雨,2023)。在一九九八年，一種可以與以太網(wǎng)進行連接的系統(tǒng)被研發(fā)出來，這是世界上的首例，是由日本的一家公司進行設(shè)計研發(fā)的，不過這種無線通信系統(tǒng)最后被用于商業(yè)領(lǐng)域，它的名字叫做VIPSLAN-10N。在這種局面下考量這套系統(tǒng)出乎了當(dāng)時所有人的預(yù)料，該系統(tǒng)的傳輸速率非常快，在十米的范圍之內(nèi)，它的傳輸速率竟然可以達到驚人的十Mbps，而且最多允許在當(dāng)傳輸范圍內(nèi)存在六個不同終端之下還保持這個快速的傳輸速率，因應(yīng)這情況的發(fā)展這個系統(tǒng)研究成功標志著通信技術(shù)在發(fā)展歷程中非常大的進步，使得通信技術(shù)得到快速發(fā)展，是在此領(lǐng)域研究所一個非常重要的成果，但仍存在耗能大、距離受限等許多問題，還需要繼續(xù)進行不懈的努力(張靜怡,趙天宇,2022)。這一結(jié)果與已有的文獻結(jié)論大致相同，這也驗證了前期研究中所提出的構(gòu)思，從而進一步鞏固了本文對該現(xiàn)象本質(zhì)的認識。這一發(fā)現(xiàn)不僅為學(xué)術(shù)討論提供了新的證據(jù)支持，還為實踐領(lǐng)域提供了可依賴的理論依據(jù)。它促使本文重新審視現(xiàn)有的理論模型，思考如何通過細微調(diào)整或創(chuàng)新來增強模型的解釋力和預(yù)測精度。隨著時代的進步，在人們心中乃至在整個世界無線通信系統(tǒng)所具有的地位越來越重要，所以各國花費了大量的心血來不斷加強研究，隨著不懈的努力有不少的地方已經(jīng)有了不錯的結(jié)果，從這些信息可以看出但是對于其中的細節(jié)仍然處于保密的階段，最主要的關(guān)鍵技術(shù)還掌握在他們手里(陳瑤瑤,王彥君,2020)。所以為了以后不在此方面落后于別的國家，我們必須加強對紅外通信的深入研究。在我們的國家，對于紅外通信的研究開始較晚，是在新中國成立之后才開始的，在起步階段，我們首先進行研究的是一種基于硫化鉛的紅外信號探測儀器，它的工作波處于一至三微米，隨著研究的進展，我們逐漸開始對別的各種各樣的探測器也展開了研究，從這些數(shù)據(jù)可以明顯看出比如基于碳酸鉛的一種紅外探測器，并且開始有了實際的應(yīng)用。隨著社會和技術(shù)的發(fā)展，尤其是自從我國的改革開放之后，我國對紅外通信方面的研究又上升了一個層次，我國在此方面的發(fā)展越來越迅速，從開始的單元，接著到逐步發(fā)展的線列，以此為前提最后再對紅外膠平面的研究(李雨軒,鄧曉璇,2021)，這一步步的發(fā)展標志著我國對于紅外通信的研究進入了一個全新的時代，并且紅外探測器各種各樣的產(chǎn)品已經(jīng)充滿了一到三微米、三到五微米以及八到十五微米的不同波段。上世紀九十年代，屬于我們國家的第一臺熱成像儀被制造了出來，標志著我國在此技術(shù)的又一大進步，圍繞這種局面展開在當(dāng)時這臺探測器的性能甚至可以與國外的同等產(chǎn)品互相媲美，這項研究成果在紅外技術(shù)的進步中有著不可磨滅的作用(趙心瑜,王凱文,2022)。現(xiàn)在我國對于紅外通信的技術(shù)研究已經(jīng)達到了相當(dāng)?shù)母叨龋粌H僅應(yīng)用于軍事領(lǐng)域為國家保駕護航，而且在民用領(lǐng)域也有數(shù)不清的應(yīng)用，為我們提供了不少方便(周依娜,劉天宇,2023)。紅外通信系統(tǒng)剛開始發(fā)展的時候，對于它的研究非常基礎(chǔ)，對于其相關(guān)的知識了解較少，并且應(yīng)用也局限于少數(shù)領(lǐng)域，在此情境之下接下來所論述的就是一套基于紅外通信的一套簡易通信裝置，這屬于早期的產(chǎn)物，這套系統(tǒng)是由數(shù)字控制的簡易紅外光通信系統(tǒng)，它由三部分組成，分別是發(fā)射裝置、中轉(zhuǎn)、接收裝置組成，總體的設(shè)計框圖如圖1.1所示(楊思琪,陳澤宇,2020)。在后續(xù)的研究中會對已有的研究成果進一步從不同的角度進行優(yōu)化，會致力于開發(fā)新的技術(shù)方法和工具，以提升數(shù)據(jù)收集、處理和分析的效率與準確性。通過引入前沿的科技手段，如人工智能、大數(shù)據(jù)處理等，本文期望能夠更深入地挖掘數(shù)據(jù)中的隱藏信息，為研究提供更為堅實的實證基礎(chǔ)。在這一狀況里此通信系統(tǒng)傳輸?shù)妮d體是紅外光，而當(dāng)進行調(diào)制的時候采用的是PWM調(diào)制技術(shù)，此系統(tǒng)最終可以實現(xiàn)溫度信號的傳輸。這個系統(tǒng)有許多的好處，比如功耗低、性能穩(wěn)定、傳輸速率更加迅速，更好的體現(xiàn)了現(xiàn)代設(shè)計理念，具體的流程見下圖1.2。圖1.1總體方框圖圖1.2紅外通信原理框圖紅外線這種無線通信方式有著極低的成本。其一，其運動方式以直線運動的，在兩個地點進行數(shù)據(jù)的傳輸過程中，在這種情況框架下如果沒有障礙物的阻攔與反射，那么傳輸是非常迅速的，因為紅外線也可以說是一種光，所以紅外傳輸?shù)乃俾逝c光速相等(趙曉菲,張軒瑞,2021)。其二，在教室的環(huán)境，或是一些空間小而且密封的環(huán)境就非常適合于紅外線傳輸。所以對于追求信息安全的人們來說，紅外通信可能是一個非常好的想法，因為這種通信使得紅外線根本無法通過一些物體實現(xiàn)傳輸，位于阻隔物體之外的人們根本不可能獲取在內(nèi)部傳輸?shù)募t外信號(李建華,王梓馨,2023)。從上可以可以看出該方案相比于其他方案具有更好的性價比，同時在操作簡便性和用戶體驗方面也有顯著提升。這不僅有助于縮短項目周期，還能降低培訓(xùn)成本和用戶適應(yīng)新系統(tǒng)的時間，從而更快地實現(xiàn)投資回報。同時，普通的紅外通信也存在許多缺點，其在傳輸?shù)倪^程中非常容易受到影響，所以傳輸范圍不廣，而且傳輸距離也會受到一些限制，在通信的過程中也會面臨功耗大、效率低等一系列問題(黃佳怡,劉志軒,2022)。針對上述對于國內(nèi)外現(xiàn)狀的分析，本文以STM32為核心結(jié)合NEC設(shè)計了一款低功耗紅外通信系統(tǒng)，在這種局面下考量在本文論述中首先對系統(tǒng)的硬件電路進行了非常詳細的描述，接著還根據(jù)系統(tǒng)相關(guān)不同的要求從而進行了軟件編程，最后進行了操作實驗。本設(shè)計有效提高了傳輸效率、降低了功耗，具有一定的價值，并且有一定的實際意義，有利于本項技術(shù)的進步。1.3論文內(nèi)容與章節(jié)安排本課題是基于NEC的低功耗紅外通信系統(tǒng)，以STM32單片機作為核心，設(shè)計開發(fā)了一種精確度高、功耗小、傳輸速率快，并且可以實現(xiàn)實時通信功能的低功耗紅外通信系統(tǒng)(趙佳怡,孫俊杰,2020)。利用STM32單片機所具備的功能，外接紅外通信模塊，加上USB轉(zhuǎn)串模塊，因應(yīng)這情況的發(fā)展組成一個簡易的紅外通信系統(tǒng)。在紅外模塊我們選用YS-IRTM紅外模塊，此模塊有許多功能可以滿足此實驗的需要。中央控制模塊則選用熟悉的STM32單片機，由于它有著豐富的功能，以及有著更多的外界通信接口，所以更能滿足此實驗的需求(周詩,李高峰,2021)。在通信接口的選擇上，我們使用的是內(nèi)部芯片為CH341的模塊，這是一種USB轉(zhuǎn)串模塊，此模塊可以更快更有效地對數(shù)據(jù)進行傳輸。論文一共存在五章，各章的內(nèi)容如下：第一章：緒論。查閱資料進行了對國內(nèi)外現(xiàn)狀以及研究背景的分析，從各角度論述了基于NEC的紅外通信系統(tǒng)的必要性，表明主題與整體架構(gòu)。第二章：詳細闡述紅外傳輸系統(tǒng)的硬件設(shè)計，包括紅外發(fā)射電路、紅外接收電路、電源、通信等模塊的原理，解釋了本系統(tǒng)的傳輸過程。第三章：著重描寫了系統(tǒng)的軟件流程圖，表明了紅外傳輸?shù)脑砼c各個基本步驟。第四章：在實驗后對實驗的結(jié)果進行記錄，包括紅外傳輸受哪些因素的影響以及在不同距離以及不同障礙物等條件下的傳輸效率有什么改變。第五章：總結(jié)以及展望。對整篇文章做了一個簡單的總結(jié)，接著簡單對紅外通信系統(tǒng)的現(xiàn)狀做了大致的描述，包括其中存在的優(yōu)點以及現(xiàn)階段還存在的問題，最后根據(jù)現(xiàn)狀對未來的研究指明了大概的方向(鄧月婷,陳俊杰,2023)。第二章系統(tǒng)硬件設(shè)計2.1紅外通信系統(tǒng)設(shè)計方案在這個設(shè)計中，采用的是STM32F051C4作為主控器件，它的作用就是處理接收的紅外信號，電源模塊為整個系統(tǒng)來供電，外部具有紅外發(fā)射功能的數(shù)據(jù)源作為本設(shè)計的信號源，接收模塊負責(zé)對信號進行捕捉，從這些信息可以看出通信接口模塊的作用則是將需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)發(fā)送到上位機進行顯示(王子安,黃怡然,2020)。系統(tǒng)的總體思路就是通過紅外模塊接受外界數(shù)據(jù)源的紅外數(shù)據(jù)，然后解碼，最后通過通信模塊傳到上位機顯示，總體程序框圖如下圖2.1所示(李明陽,張藝琳,2021)。圖2.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖2.2中央控制模塊由于本課題是基于NEC的低功耗紅外通信系統(tǒng)，所以我們的中央控制模塊就選取STM32單片機。STM32F051C4單片機是意法半導(dǎo)體公司的產(chǎn)品，從這些數(shù)據(jù)可以明顯看出此單片機的運行頻率的大小是48MHz，并且擁有各種各樣豐富的外設(shè)以及I/O端口，下圖2.2為單片機最小系統(tǒng)，它的作用就是用來對接收的紅外數(shù)據(jù)進行處理(周佳琦,王子杰,2022)。圖2.2STM32F051C4單片機2.3紅外發(fā)射電路模塊先將信號進行調(diào)制，之后經(jīng)過調(diào)制好的紅外信號則會通過I/O口管腳P1.0進行輸出，以此為前提接著要通過三極管Q1進行放大，最后單片機產(chǎn)生信號之后傳輸?shù)郊t外發(fā)射管進行發(fā)射(張俊杰,楊瑞婷,2020)。紅外發(fā)射電路的設(shè)計由圖2.3給出，Q1上拉為5V電壓。圖2.3發(fā)射電路2.4紅外接收電路接收數(shù)據(jù)的時候，接收頭首先對需要接收的信號進行捕捉之后，數(shù)據(jù)被傳輸?shù)絾纹瑱C進行處理，接著單片機將數(shù)據(jù)解碼為所需要的數(shù)據(jù)波形，最后就輪到通信接口模塊（數(shù)據(jù)得以顯示所需要的最重要工具）發(fā)揮它的作用了，圍繞這種局面展開它是上位機與單片機的傳輸媒介，由它將數(shù)據(jù)輸送到上位機。紅外接收電路的設(shè)計由圖2.4給出(趙睿琳,周藝文,2023)。圖2.4接收電路2.5通信接口模塊在收到信號之后，需要被傳輸移動到單片機從而進行數(shù)據(jù)的分析，在處理過后，需要進行查看，所以可以通過USB-TTL轉(zhuǎn)接口實現(xiàn)所需要的功能，在此情境之下單片機中經(jīng)過處理之后的數(shù)據(jù)可以通過此轉(zhuǎn)接線直接傳輸?shù)缴衔粰C從而進行查看(劉海濤,張琪琳,2022)。這個模塊的芯片型號是常見的芯片型號，叫做CH341，為了實現(xiàn)對信號的控制，它可以進行許許多多的操作，在這一狀況里并且此芯片有著不同的傳輸速率，包括實現(xiàn)在串口發(fā)送以及接收這兩種不同情況下的不同設(shè)置，還有可以與計算機互相結(jié)合實現(xiàn)更多的功能，在原有的基礎(chǔ)上可以為系統(tǒng)擴展異步串口，此外還可以使用USB總線代替原有的簡單的通信串口(黃婷玉,李明杰,2023)。下圖2.5為CH341芯片的引腳圖。圖2.5CH341引腳圖上圖中可以只對TXD、RXD、TEN、以公共接地線這四個端口進行連接，其它剩余的引腳都可以不做任何處理，在這種情況框架下或者當(dāng)有需要是再進行連接。當(dāng)發(fā)射的時候，CH341芯片的TEN引腳不能處于別的狀態(tài)，必須處于低電平的狀態(tài)，基于此原因，TEN引腳必須進行接地處理，或者與低電平相連(楊家瑤,王雪,2020)。而當(dāng)模塊與單片機或者其他串口通信連接時，采用的是串口(TTL電平)連接(注意提供電源:5v供電)需要交叉連接，即TXD與RXD需要進行交叉(鄧子赫,陳怡彤,2021)。該設(shè)計成果是在詳盡分析現(xiàn)有情況并充分利用現(xiàn)有的資源與技術(shù)后達成的。相較于傳統(tǒng)方法，此方法在多方面顯示出明顯優(yōu)越性。首先，通過采用更具創(chuàng)意的設(shè)計思路，它實現(xiàn)了更高的工作效率和更低的失誤率，大大提高了項目的可行性。其次，在成本效益上，新方法減少了執(zhí)行與維護費用，避免了資源浪費，增強了經(jīng)濟收益。同時，也提升了系統(tǒng)的兼容性和擴展能力，以適應(yīng)未來發(fā)展的需要。2.6電源模塊這個電源模塊為傳輸系統(tǒng)供電的電壓為5V，所以我們選擇安森美公司的產(chǎn)品。我們選擇的型號叫做NCP1117，它有一個非常顯著的優(yōu)點，那就是全系列均是低壓差，并且全是正電壓穩(wěn)壓器，在這種局面下考量除此之外芯片所提供的電流完全可以超過1.0A，在800mA整個溫度下的最大壓差電壓為1v，主要特點之一就是顯著地降低了電壓差，NCP1117整個系列最大的輸入電壓高達20v，整個系列的元件均采用DPAK和SOT-3來對其進行封裝，具體設(shè)計如下圖2.6所示(趙雨琪,劉健宇,2022)。圖2.6電源電路2.7本章小結(jié)本章詳細地對組成系統(tǒng)的各種模塊進行了分析論述，接著按照實際情況以及不同模塊的要求，因應(yīng)這情況的發(fā)展考慮不同的性能選取了最合適的功能模塊來完成電路的設(shè)計，引出下文對基于NEC的紅外通信系統(tǒng)軟件設(shè)計的介紹(張璇子,王雪寧,2023)。第三章系統(tǒng)軟件設(shè)計3.1系統(tǒng)軟件主流程該系統(tǒng)程序執(zhí)行的步驟為：首先對系統(tǒng)進行上電，接著紅外模塊和串口進行初始化，外部具有紅外發(fā)射功能的數(shù)據(jù)源作為本設(shè)計的信號源，從這些信息可以看出信號經(jīng)過一定距離的傳輸之后，該紅外通信系統(tǒng)的紅外接收模塊就開始了對紅外信號的捕捉，完成信號的接收后，從這些數(shù)據(jù)可以明顯看出所接收的信號就會被傳輸?shù)絾纹瑱C，從而對數(shù)據(jù)進行處理，之后通過USB轉(zhuǎn)串模塊傳輸?shù)缴衔粰C進行顯示。整體流程圖的描述見圖3.1(周瑞文,李一凡,2020)。圖3.1流程圖3.2紅外通信協(xié)議接下來對紅外通信協(xié)議進行簡單的論述，在紅外通信傳輸?shù)倪^程中，紅外線就是它的主要信號載體，以此為前提紅外線的發(fā)射與接收這個過程實現(xiàn)了信息的交互與傳輸，要想保證所需要傳輸信息的準確性，就要求我們必須遵循通信過程中的協(xié)議，NEC協(xié)議就是一種常見的紅外通信協(xié)議，圖3.2就是協(xié)議具體的格式(馮凡,陳思琪,2021)。圖3.2NEC協(xié)議格式在上面的圖片中展示了具體的NEC格式，總共由五個小部分組成，首先是引導(dǎo)碼，緊隨其后的是地址碼和它的反碼，而命令碼攜帶的就是所需要的數(shù)據(jù)，位于最后兩位的就是命令碼以及命令碼的反碼，圍繞這種局面展開而兩個反碼的作用就是保證傳輸?shù)倪@些指令都傳輸準確(黃欣怡,李俊杰,2022)。在優(yōu)化設(shè)計的過程中，特別關(guān)注了成本效益和方案的廣泛適用性，因此與初始版本相比，在多個維度上進行了改良。首先，通過去除冗余步驟、選用更經(jīng)濟有效的策略，顯著降低了執(zhí)行費用，使方案更為實惠。此外，為了提升其普及潛力，設(shè)計方案時充分考量了各地不同環(huán)境的需求，確保該方案在各種情況下都能平穩(wěn)運作，并且方便他人借鑒實施。應(yīng)用于本系統(tǒng)的通信格式分為下述三部分：（1）首先對其具體的發(fā)射格式進行簡單的介紹，指令格式為（地址，操作位，數(shù)據(jù)位）這三位，地址的位置為A1的時候，它就是默認地址的意思，當(dāng)為FA的時候就是通用地址的意思，而當(dāng)需要表示此時的操作狀態(tài)的時候就需要用到操作位(趙瑞彤,周雪怡,2023)；（2）接著對收到的不同反饋情況進行簡單的介紹，首先當(dāng)信息發(fā)送成功之后，窗口就會反饋“F1”這個信息，在此情境之下而當(dāng)在進行修改串口地址并且修改之后，窗口的反饋信息則是“F2”，最后一種，當(dāng)我們在對波特率進行設(shè)置之后，反饋的信息則是“F3”；（3）解碼的時候，只需將需要解碼的信號對著接收口，接著發(fā)射需要的數(shù)據(jù)，最后就能在串口助手查看分析之后的結(jié)果，最后格式為（用戶碼，用戶碼，命令碼），同時這也是編碼發(fā)送時候所需要的格式(鄧欣妍,劉雅婷,2020)。3.3紅外發(fā)射流程圖首先各模塊進行初始化，在這種情況框架下接著將單片機產(chǎn)生的模擬紅外信號通過發(fā)送模塊發(fā)送，此步驟的程序流程如下圖3.3所示(張?zhí)煊?王雯欣,2021)。圖3.3發(fā)射流程圖3.4紅外接收流程圖首先對紅外模塊以及串口模塊進行初始化，在這種局面下考量然后接收模塊將信號傳輸?shù)絾纹瑱C，接下來單片機內(nèi)部對收到的信號進行分析處理，并且將數(shù)據(jù)翻譯為二進制數(shù)并通過串口進行發(fā)送，以下圖3.4為流程圖(李雅琳,楊智博,2022)。圖3.4接收流程圖3.5本章小結(jié)本章對系統(tǒng)進行了軟件設(shè)計，系統(tǒng)發(fā)射的時候通過單片機產(chǎn)生信號之后進行發(fā)射，接收的時候外部具有紅外發(fā)射功能的數(shù)據(jù)源作為本設(shè)計的信號源，在接收模塊對信號接收之后，因應(yīng)這情況的發(fā)展信號通過單片機解碼可以進行顯示出來，最后實現(xiàn)了整個紅外通信系統(tǒng)(趙晨曦,陳怡琳,2023)。此文采用了先前的設(shè)計理念來構(gòu)建計算框架，并進行了適當(dāng)?shù)暮喕荚谠鰪娖鋵嵱脙r值和操作簡便性。通過詳細分析與評估現(xiàn)有方法，識別并去除了冗余復(fù)雜的步驟，優(yōu)化了流程，從而形成了一種簡潔高效的計算模型。這樣做不僅減少了資源消耗，還縮短了處理周期，同時維持了原有性能，便于執(zhí)行和普及，加入了多樣的驗證和質(zhì)量控制機制。在系統(tǒng)的傳輸過程中，從這些信息可以看出為了降低通信過程中產(chǎn)生的能耗，在電路內(nèi)部采用了低耗能的紅外裝置，并且系統(tǒng)采用了NEC協(xié)議作為紅外通信協(xié)議，這也有效降低了本設(shè)計的功耗(黃一,李若馨,2020)。第四章系統(tǒng)調(diào)試與實驗分析4.1系統(tǒng)調(diào)試基于上述理論分析和模塊設(shè)計，對本設(shè)計進行組裝實驗。利用串口助手將pc與紅外發(fā)射模塊進行連接模擬外部紅外數(shù)據(jù)源，從這些數(shù)據(jù)可以明顯看出并通過串口進行控制發(fā)射數(shù)據(jù)，另一端利用該紅外接收系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)接收，所有功能測試完成。如下圖4.1為發(fā)射接收指令窗口截圖，圖4.2為實物圖(鄧梓昕,周建宏,2021)。圖4.1指令顯示窗口圖4.2紅外通信系統(tǒng)實物圖4.2結(jié)果分析4.2.1距離測試在傳輸?shù)倪^程中，信號的接收情況與傳輸距離密切相關(guān)。當(dāng)進行傳輸?shù)臅r候，如果距離較短，信號基本不論什么角度都可以接收到，以此為前提但是隨著距離的增加，傳輸?shù)馁|(zhì)量逐漸下降，經(jīng)過具體的實驗數(shù)據(jù)測試，最后得出傳輸?shù)淖畲笥行Ь嚯x為8m，但是在一些情況下，在此情境之下當(dāng)距離達到10m的時候仍然可以接收到信號(張志濤,王怡然,2022)。當(dāng)紅外發(fā)射頭與紅外接收頭朝向相對時，具體的傳輸數(shù)據(jù)如下表4.1所示。表4.1接收完成情況近距離接收完成情況遠距離接收完成情況2m√10m√4m√12m×6m√14m×8m√16m×4.2.2角度測試紅外通信的過程中，當(dāng)接收端與發(fā)送端兩位置相距較近的時候，通信基本不會受到影響，因為紅外線會通過墻壁或者障礙物反射，在此情境之下所以發(fā)射的紅外線仍然可被紅外接收模塊收到，而隨著距離的增大，比如在8到10米的情況下，由于距離的增大其傳輸?shù)慕嵌纫矔盏接绊懀谶@種局面下考量若傳輸?shù)慕嵌冗^大，紅外接收端則會接收不到信號。經(jīng)過實驗測試發(fā)現(xiàn)在8—10m的距離其傳輸角度穩(wěn)定在30°之間，具體完成情況如下表4.2所示(趙婷怡,劉文潔,2023)。表4.2接收完成情況角度距離<30度40度50度60度70度80度90度2m√√√√√√√4m√√√√√√√6m√√√√√√×8m√√√√×××10m√××××××12m×××××××4.2.3傳輸誤碼率測試接下來在不同的傳輸角度下對系統(tǒng)傳輸誤碼率進行測試，具體的步驟如下：使得紅外發(fā)射與接收裝置兩硬件的夾角處于30度以內(nèi)，傳輸10000個單字節(jié)數(shù)據(jù)，選取不同角度進行多次測量后，因應(yīng)這情況的發(fā)展對實驗產(chǎn)生的誤碼率進行記錄，最后對結(jié)果取平均值，系統(tǒng)的傳輸誤碼率測試結(jié)果如表4.3所示(馮雅莉,陳天,2020)：表4.3不同距離下的誤碼率距離/m56789101112誤碼率/%0.00%0.00%0.00%0.00%3.71%25.78%54.65%90.12%通過分析表4.3數(shù)據(jù)表明：系統(tǒng)的有效傳輸距離是8m，當(dāng)傳輸距離大于8m時，傳輸過程所產(chǎn)生的誤碼率會隨著距離的增大而增高(李瑞婷,張玉婷,2021)。4.2.4傳輸障礙物測試紅外通信就是使用紅外線作為通信媒介的一個過程，所以在傳輸過程中，會有許多因素對其傳輸造成影響，從這些信息可以看出其一就是大氣會對紅外線輻射有很強的吸收，其中很大一部分原因是由大氣中存在的水蒸氣以及大氣的二氧化碳等等各種各樣的因素導(dǎo)致的，其二是在紅外信號傳輸過程中遭遇的障礙物造成的，下表4.4反應(yīng)了在同一距離下障礙物對于傳輸?shù)淖韪粜Ч?周佳怡,王澤宇,2022)。表4.4測試結(jié)果障礙物透明玻璃紅色玻璃平面鏡木板紙張通信是否完成√√×××由上表可以看出，紅外線作為紅外傳輸?shù)拿浇椋且环N接近光波的電磁波，由于光波是沿著直線傳播的，從這些數(shù)據(jù)可以明顯看出所以紅外線也是這樣，這就導(dǎo)致紅外線在傳輸?shù)倪^程中如果遇到一些障礙物時就會受到干擾，或是被吸收或是被反射，所以紅外線在傳播過程中與可見光非常類似，是不能穿透某些障礙物的，但是玻璃和透明障礙物是不受影響的，紅色玻璃受阻也很小的，所以會得出上述的實驗結(jié)果(黃芝和,李俊宇,2023)。4.3本章小結(jié)隨著我們對紅外通信的大量研究與認識，使得它的應(yīng)用變得越來越廣泛，有很多的領(lǐng)域都會發(fā)現(xiàn)它的應(yīng)用，以此為前提各種各樣用到紅外通信技術(shù)的儀器出現(xiàn)在了我們的生活中，為我們帶來了極大的便利，同時它還會應(yīng)用于一些軍事領(lǐng)域，為提高我國軍事實力而貢獻力量。并且隨著世界科技的發(fā)展，紅外通信在傳輸速度會越來越快，性能也會越來越強，在此情境之下相信在未來的發(fā)展過程中，紅外通信不會僅僅局限于一些特定的領(lǐng)域，而可以滿足更多領(lǐng)域的應(yīng)用需求，從而促進社會乃至國家的進步(鄧晨希,張怡君,2020)。第五章總結(jié)與展望5.1內(nèi)容總結(jié)隨著社會化的進步和發(fā)展，通信技術(shù)在社會的地位越來越重要，而紅外通信系統(tǒng)作為一種通信方式，在許多方面都有著廣泛的應(yīng)用。但是目前的典型紅外通信系統(tǒng)仍然存在一些問題，在這種情況框架下比如功耗大效率低等，針對這些問題，本課題就以低功耗STM32為核心結(jié)合NEC設(shè)計了一款低功耗紅外通信系統(tǒng)，提高了傳輸效率、降低了功耗、減小了成本、提高了通信質(zhì)量。本文將紅外通信技術(shù)進行了具體的分析，不僅具體描述了本設(shè)計的優(yōu)點好處，并且指出了本項技術(shù)目前存在的問題以及局限，使得我們對未來的方向有了更清晰的了解，綜合全文的論述，接下來對具體工作內(nèi)容進行了如下的總結(jié)：（1）經(jīng)過本次實驗了解了相關(guān)的紅外通信協(xié)議以及無線通信的原理；（2）進行了相關(guān)硬件設(shè)計、軟件編程；（3）首先對系統(tǒng)進行調(diào)試并得到了實驗數(shù)據(jù)，接著對本次結(jié)果做具體的總結(jié)，在此基礎(chǔ)上得出了相應(yīng)的結(jié)論5.2工作展望本文就紅外通信系統(tǒng)進行了研究，深度刨析了其中的優(yōu)缺點，并試著改進設(shè)計。通過采用NEC通信協(xié)議，在這種局面下考量從而來降低通信系統(tǒng)的功耗，這也將成為今后的主要方向。對今后的發(fā)展具體展望如下：（1）紅外通信現(xiàn)階段在某些方面表現(xiàn)不夠出色，在某些特定環(huán)境下會收到不同程度的干擾，應(yīng)對不同場景時會出現(xiàn)傳輸效果減弱的情況，雖說重新設(shè)計電路系統(tǒng)會減少這一問題，從這些信息可以看出但仍存在許多問題，以后會針對紅外通信系統(tǒng)抗干擾而展開研究；（2）本文基于NEC的低功耗紅外通信系統(tǒng)應(yīng)用范圍十分廣泛，但是基本實現(xiàn)不了遠距離的數(shù)據(jù)傳輸，無法改變紅外傳輸對角度的要求。改進想法：使用更強大的紅外發(fā)射裝置并嘗試改進具體操作細節(jié)