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摘要：智能家居技术的发展和普及，遥控器作为智能家居控制的中枢系统，使用频率越来越高。同时随着人工语音输入的发展，传统的红外遥控器由于传输速率不高、传输距离短等技术局限性，无法被广泛用于智能家居控制中需要高带宽传输的场景。蓝牙是一种适用于短距离传输的无线技术。基于此，本文设计出一种在遥控器中嵌入蓝牙技术，将蓝牙模块与单片机相结合，通过无线蓝牙通信实现对家居电器控制的遥控器。
关键词：蓝牙；遥控器；硬件设计
一、 引言
随着社会科学技术的迅猛发展，人们工作与生活的方方面面和通讯技术、信息技术的联系越来越紧密。科学技术在影响人们生活方式和工作习惯的同时，也使人们的观念发生了变化。人们对自己居住房屋的要求早已不局限于房屋建筑面积的大小，更加关心的是能否得到一个方便、安全、舒适的居家环境。蓝牙（Bluetooth）作为一种适用于短距离传输的无线传输技术标准（使用2.4～2.485GHz的工业、科学和医疗用波段的短距离无线电波），可以很方便地實现移动设备、固定设备和个人与建筑物局域网之间的数据交换。由于蓝牙技术的低功耗、低成本、高可靠性、高速率和兼容性等特点，使得其在智能家居控制中得到越来越广泛的应用。
二、 遥控器总体方案设计
在智能家居控制应用系统中，以德州仪器公司生产的单片机作为整个遥控系统的信息处理以及控制中心，键盘扫描矩阵读取并解码用户的键盘输入，并经过单片机信号分析处理后通过蓝牙主从模块控制相关电器并显示。整个设计简明，且易于实现。因为只需要实现简单的键盘输入和信号处理，考虑经济性，我们不使用专门的遥控芯片，仅使用51芯片系列即可满足要求，蓝牙模块则是整个遥控器价格的重心，市场上开发出的蓝牙模块比较具有代表性的有爱立信ROK101007，CSR的bluecore2-E蓝牙模块，DELTA公司的DFBM-CF121蓝牙芯片等。
蓝牙语音遥控器的设计是根据蓝牙家居遥控器功能的规划，选用合适的蓝牙芯片和单片机芯片，并围绕所选用的单片机完成各个电路模块控制的过程。总体电路通过模块化设计，实现蓝牙语音遥控器的功能。整体系统主要包括了主控制器模块、语音输入模块、红外发射模块、按键扫描矩阵模块、电源稳压模块。
三、 系统主要硬件模块的设计
（一） 主控制器模块的硬件设计
主控模块包含了本系统的单片机主控制电路及外围电路（如图1所示）。主要包括了32MHz的主控晶振以及32KHz用于低功耗睡眠模式下的晶振、系统内512KB可编程闪存以及片上64KB随机存储器，本模块还包含了多达30个可编程输入输出端口、蓝牙发射器以及PDM麦克风接口（用于语音输入）。
本系统的主控制芯片选用德州仪器的CC2640芯片，这是一款无线微控制器（MCU），主要适用于蓝牙低功耗的应用。这款芯片属于SimpleLinkTMCC26xx系列，具有经济、高效和超低功耗，主频2.4GHz。此微控制器的设计是基于强大的ARMCortex-M3，它具有高达48MHz的时钟频率和512KB的系统内可编程Flash。
（二） 语音输入模块的硬件设计
语音输入作为蓝牙语音遥控器的重要特性，对于设计指标有着非常高的要求，下表展示了本系统设计对于语音参数的规范要求，以及和安卓7.1语音识别规范的比较。
在语音输入模块（如图2所示）中，本设计采用楼氏的硅麦克风芯片SPK0415HM4H-B。该麦克风采用适合高度制造再现性和稳定（可预测）声学性能的硅结构，“自由浮动”振动膜不受传统驻极体电容麦克风振动膜机械张力变化引起麦克风灵敏度偏移的影响，优异的RFI和EMI抑制，绝佳的额定工作温度和存储温度：负四十摄氏度到一百摄氏度，非常适用于高性能语音输入的应用场景。
（三） 红外发射模块的硬件设计
红外光是电磁波的一种，其波长长于可见光而短于微波，是一种人的肉眼无法看到的光线。通常将电磁波中波长0.76～1000μm的波谱段称为红外光谱区。一般把红外光波谱细分为四个区域，即近红外（0.76～3.0μm）、中红外（3.0～6.0μm）、中远红外（6.0～20μm）和远红外（20～1000μm）区。这里说的“近”和“远”是根据红外光在电磁波谱中与可见光的距离而言。我们实际的红外遥控系统中所使用的红外光主要集中在0.76～1.6μm的近红外区。红外线的波长比微波短，更适合用于短距离控制系统中。
近红外光可以通过红外光发光二极管（LED）获得。红外光发光二极管是一种由对红外辐射敏感的材料（通常选用砷化镓）来制作成PN结，注入电流以此来激发红外光的发光器件，再加上合适的正向偏置电压后，就可以发出一定波长的近红外光。本系统采用的红外发射模块如图3所示。
（四） 按键扫描矩阵模块的硬件设计
本系统采用5×5键盘扫描矩阵电路（如图4所示）用于用户按键输入，电路具体的实现方法是：将所有的列线I/O口线均置成低电平，然后将行线电平状态读入到单片机中，如果有键按下，就会有一根行线电平被拉至低电平，根据此原理就可以检测到是哪个键被按下。
（五） 电源稳压模块的硬件设计
本系统为确保遥控器所安装电池的稳定性，在电池弹簧附近增加了一对反向串联的稳压二极管进行稳压，同时针对静电放电现象，设置了一个100微法的电解电容进行静电放电保护，电路原理图如图5所示。
四、 系统性能测试
在硬件设计中，预留了测试引脚用于射频电路和软件的相关调试。对于蓝牙语音遥控器的系统性能测试，最重要的测试项目是测试麦克风输入的灵敏度、频率响应特性和总谐波失真等性能参数。同时为了消除环境噪声对于测试效果的影响，需要在静音的环境下，对麦克风输入标准正弦波扫频信号进行测试，并分析麦克风采集到的语音数据。
在本设计中，我们采用隔音箱来隔离外界环境的噪声。该测试通过标准治具将扬声器输出的20Hz-20KHz扫频正弦波信号加至蓝牙遥控器的麦克风进音孔，扬声器距麦克风距离为50厘米。麦克风接收到扫频信号后，对信号进行相应处理，并转化成电信号输送至遥控器单片机主控，通过蓝牙功能传输到测试电脑进行PCM数据编解码处理和为每个频率点输出SPLdB数值用于数据分析。
针对蓝牙语音遥控器的测试，主要测试项目为麦克风灵敏度，以及麦克风总谐波失真。在测试中，我们选用5个蓝牙语音遥控器进行测试，分别验证设计。并在工厂投入大批量生产后，选择500个蓝牙语音遥控器进行麦克风语音灵敏度测试数据搜集，来验证数据的一致性和过程能力指数。
通过测试，我们可以验证到此蓝牙语音遥控器的设计符合要求，灵敏度和麦克风总谐波失真具有较为一致的扫频响应。通过大批量生产测试数据我们可以看到该设计的语音灵敏度符合麦克风 /-3dB的规范，并且具有非常优异的生产过程能力，CPK达到4.95。
五、 总结
本次设计主要是针对蓝牙家居遥控器进行硬件电路方面的研究。考虑到现有的智能家居系统发展现状，结合蓝牙无线通信技术，设计出符合系统要求的蓝牙智能家居遥控器，并通过小批量设计测试验证和大批量生产性测试验证，证明该蓝牙语音遥控器不仅具有非常良好的设计指标，同时具有非常优异的生产过程控制能力。
参考文献：
[1]严后选，孙健国，张天宏.无线红外智能遥控器的设计[M].测控技术，2003.
[2]卢官明，宗昉.数字音频应用原理[M].机械工业出版社，2005，1.
[3]刘守义.单片机应用技术[M].陕西：西安电子科技大学出版社，2007.
作者简介：
吴迪，江苏省苏州市，苏州高等职业技术学校江苏苏州。
关键词：蓝牙；遥控器；硬件设计
一、 引言
随着社会科学技术的迅猛发展，人们工作与生活的方方面面和通讯技术、信息技术的联系越来越紧密。科学技术在影响人们生活方式和工作习惯的同时，也使人们的观念发生了变化。人们对自己居住房屋的要求早已不局限于房屋建筑面积的大小，更加关心的是能否得到一个方便、安全、舒适的居家环境。蓝牙（Bluetooth）作为一种适用于短距离传输的无线传输技术标准（使用2.4～2.485GHz的工业、科学和医疗用波段的短距离无线电波），可以很方便地實现移动设备、固定设备和个人与建筑物局域网之间的数据交换。由于蓝牙技术的低功耗、低成本、高可靠性、高速率和兼容性等特点，使得其在智能家居控制中得到越来越广泛的应用。
二、 遥控器总体方案设计
在智能家居控制应用系统中，以德州仪器公司生产的单片机作为整个遥控系统的信息处理以及控制中心，键盘扫描矩阵读取并解码用户的键盘输入，并经过单片机信号分析处理后通过蓝牙主从模块控制相关电器并显示。整个设计简明，且易于实现。因为只需要实现简单的键盘输入和信号处理，考虑经济性，我们不使用专门的遥控芯片，仅使用51芯片系列即可满足要求，蓝牙模块则是整个遥控器价格的重心，市场上开发出的蓝牙模块比较具有代表性的有爱立信ROK101007，CSR的bluecore2-E蓝牙模块，DELTA公司的DFBM-CF121蓝牙芯片等。
蓝牙语音遥控器的设计是根据蓝牙家居遥控器功能的规划，选用合适的蓝牙芯片和单片机芯片，并围绕所选用的单片机完成各个电路模块控制的过程。总体电路通过模块化设计，实现蓝牙语音遥控器的功能。整体系统主要包括了主控制器模块、语音输入模块、红外发射模块、按键扫描矩阵模块、电源稳压模块。
三、 系统主要硬件模块的设计
（一） 主控制器模块的硬件设计
主控模块包含了本系统的单片机主控制电路及外围电路（如图1所示）。主要包括了32MHz的主控晶振以及32KHz用于低功耗睡眠模式下的晶振、系统内512KB可编程闪存以及片上64KB随机存储器，本模块还包含了多达30个可编程输入输出端口、蓝牙发射器以及PDM麦克风接口（用于语音输入）。
本系统的主控制芯片选用德州仪器的CC2640芯片，这是一款无线微控制器（MCU），主要适用于蓝牙低功耗的应用。这款芯片属于SimpleLinkTMCC26xx系列，具有经济、高效和超低功耗，主频2.4GHz。此微控制器的设计是基于强大的ARMCortex-M3，它具有高达48MHz的时钟频率和512KB的系统内可编程Flash。
（二） 语音输入模块的硬件设计
语音输入作为蓝牙语音遥控器的重要特性，对于设计指标有着非常高的要求，下表展示了本系统设计对于语音参数的规范要求，以及和安卓7.1语音识别规范的比较。
在语音输入模块（如图2所示）中，本设计采用楼氏的硅麦克风芯片SPK0415HM4H-B。该麦克风采用适合高度制造再现性和稳定（可预测）声学性能的硅结构，“自由浮动”振动膜不受传统驻极体电容麦克风振动膜机械张力变化引起麦克风灵敏度偏移的影响，优异的RFI和EMI抑制，绝佳的额定工作温度和存储温度：负四十摄氏度到一百摄氏度，非常适用于高性能语音输入的应用场景。
（三） 红外发射模块的硬件设计
红外光是电磁波的一种，其波长长于可见光而短于微波，是一种人的肉眼无法看到的光线。通常将电磁波中波长0.76～1000μm的波谱段称为红外光谱区。一般把红外光波谱细分为四个区域，即近红外（0.76～3.0μm）、中红外（3.0～6.0μm）、中远红外（6.0～20μm）和远红外（20～1000μm）区。这里说的“近”和“远”是根据红外光在电磁波谱中与可见光的距离而言。我们实际的红外遥控系统中所使用的红外光主要集中在0.76～1.6μm的近红外区。红外线的波长比微波短，更适合用于短距离控制系统中。
近红外光可以通过红外光发光二极管（LED）获得。红外光发光二极管是一种由对红外辐射敏感的材料（通常选用砷化镓）来制作成PN结，注入电流以此来激发红外光的发光器件，再加上合适的正向偏置电压后，就可以发出一定波长的近红外光。本系统采用的红外发射模块如图3所示。
（四） 按键扫描矩阵模块的硬件设计
本系统采用5×5键盘扫描矩阵电路（如图4所示）用于用户按键输入，电路具体的实现方法是：将所有的列线I/O口线均置成低电平，然后将行线电平状态读入到单片机中，如果有键按下，就会有一根行线电平被拉至低电平，根据此原理就可以检测到是哪个键被按下。
（五） 电源稳压模块的硬件设计
本系统为确保遥控器所安装电池的稳定性，在电池弹簧附近增加了一对反向串联的稳压二极管进行稳压，同时针对静电放电现象，设置了一个100微法的电解电容进行静电放电保护，电路原理图如图5所示。
四、 系统性能测试
在硬件设计中，预留了测试引脚用于射频电路和软件的相关调试。对于蓝牙语音遥控器的系统性能测试，最重要的测试项目是测试麦克风输入的灵敏度、频率响应特性和总谐波失真等性能参数。同时为了消除环境噪声对于测试效果的影响，需要在静音的环境下，对麦克风输入标准正弦波扫频信号进行测试，并分析麦克风采集到的语音数据。
在本设计中，我们采用隔音箱来隔离外界环境的噪声。该测试通过标准治具将扬声器输出的20Hz-20KHz扫频正弦波信号加至蓝牙遥控器的麦克风进音孔，扬声器距麦克风距离为50厘米。麦克风接收到扫频信号后，对信号进行相应处理，并转化成电信号输送至遥控器单片机主控，通过蓝牙功能传输到测试电脑进行PCM数据编解码处理和为每个频率点输出SPLdB数值用于数据分析。
针对蓝牙语音遥控器的测试，主要测试项目为麦克风灵敏度，以及麦克风总谐波失真。在测试中，我们选用5个蓝牙语音遥控器进行测试，分别验证设计。并在工厂投入大批量生产后，选择500个蓝牙语音遥控器进行麦克风语音灵敏度测试数据搜集，来验证数据的一致性和过程能力指数。
通过测试，我们可以验证到此蓝牙语音遥控器的设计符合要求，灵敏度和麦克风总谐波失真具有较为一致的扫频响应。通过大批量生产测试数据我们可以看到该设计的语音灵敏度符合麦克风 /-3dB的规范，并且具有非常优异的生产过程能力，CPK达到4.95。
五、 总结
本次设计主要是针对蓝牙家居遥控器进行硬件电路方面的研究。考虑到现有的智能家居系统发展现状，结合蓝牙无线通信技术，设计出符合系统要求的蓝牙智能家居遥控器，并通过小批量设计测试验证和大批量生产性测试验证，证明该蓝牙语音遥控器不仅具有非常良好的设计指标，同时具有非常优异的生产过程控制能力。
参考文献：
[1]严后选，孙健国，张天宏.无线红外智能遥控器的设计[M].测控技术，2003.
[2]卢官明，宗昉.数字音频应用原理[M].机械工业出版社，2005，1.
[3]刘守义.单片机应用技术[M].陕西：西安电子科技大学出版社，2007.
作者简介：
吴迪，江苏省苏州市，苏州高等职业技术学校江苏苏州。