多功能无线遥控装置设计 . ...................................................................................................... 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 technology[1]）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。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 communication [6]）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2.4GHz 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，Special Interest Group) 所发起的一种短距离(10cm～10m ，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，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0.75~25μ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、Philips 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875±30nm ，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4～16Mbit/s[8]。
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。
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。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2.4bps~16Mbps。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 ，即亮度调制/直接探测) 信道，因为载波的波长短，而且探测器面积相对较大，就能有效地避免多径衰减，所以应用红外链路组网相对简单。
红外线波长与可见光接近，它不能穿透不透明的障碍物，所以红外传输范围被限制在同一个房间内，但这种局限性却使通信的安全性增强，也避免了不同房间的交叉千扰. 要想在多个房间之间进行通信，就得通过有线途径增加红外接入点(Access Point)。
红外线易受环境噪声的影响，如太阳光，电灯等。红外探测器的信噪比正比于接收光功率的平方，这就意味着IM/DD链路能承受的路径损耗很小，为了提高信噪比，降低误码率，就必须增大发射功率[9]。
2.2.2蓝牙技术
蓝牙(Bluetooth)是由东芝、爱立信、IBM, Intel和诺基亚于1998年5月共同提出的近距离无线数据通信技术标准。
蓝牙的英文名称是Bluetooth ，是1998年由Ericsson, IBM, Intel, Nokia,
Toshiba 等5家公司联合发起制订的低成本、低功耗、短距离无线通信技术，工作在全球通用的2.4GHz ISM(工业、科学、医疗) 频段，目标建立最高数据传输速率1Mb/s(最新版蓝牙标准为2Mb/s、最大传输距离为100m 的无线数据和语音通信链路，替代移动设备、固定设备之间的近距离连接电缆，建立真真意义的无线个人局域网(WPAN ) 。
Bluetooth 原为欧洲中世纪丹麦国王Harald II的名字，他为统一四分五裂的瑞典、芬兰、丹麦立下了不朽的功勋。所以，采用Bluetooth 命名希望使该技术成为全球统一的标准，蕴涵一统天下的意义[10]。
蓝牙是一种短距无线通信的技术规范，它起初的目标是取代现有的计算机外设、掌上电脑和移动电话等各种数字设备上的有线电缆连接。蓝牙规范在制定之初，就建立了统一全球的目标，其规范向全球公开，工作频段为全球统一开放的2. 4GHz工业、医学和科学(工ndustry,Scientific andMedical, ISM)频段。从目前的应用来看，由于蓝牙在小体积和低功耗方面的突出表现，它儿乎可以被集成到任何的数字设备之中，特别是那些对数据传输速率要求不高的移动设备和便携设备。蓝牙设备根据其在网络中的角色，可以分为主设备(Master)与从设备(Slave)o蓝牙设备建立连接时，主动发起连接请求为主设备，响应方为从设备。当儿个蓝牙设备连接成一个微微网(Piconet)时，其中只有一个土设备，其余的均为从设备。微微网是蓝牙最基才的一种网络，由一个主设备和一个从设备所组成的点对点的通信是最简单的微微网。蓝牙恺微网的结构如图1所示。
图1蓝牙微微网
几个微微网在时间和空间上相互重叠，进一步组成了更加复杂的网络拓扑
结构，成为散射网(Scatternet)。散射网中的蓝牙设备可能是某个微微网的从设备，也可能同时是另一个微微网的土设备，如图2所示。
图2 蓝牙散射网
不同的微微网之间的跳频各自独立，互不相关，其中每个微微网可由不同的跳频序列来标识，参与同一微微网的所有设各都与此微微网的跳频序列同步。尽管在开放的工SM 频段原则上不允许有多个微微网的同步，但通过时分复用技术，一个蓝牙设备便可以同时与儿个不同的微微网保持同步，具体来说，就是该设备按照一定的时间顺序参与不同的微微网，即某一时刻参与某一微微网，而下一时刻参与另一微微网[11]。
2.2.3射频技术
射频技术（RFID ）是Radio Frequency Identification的缩写，即射频识别。常称为感应式电子晶片或近接卡、感应卡、非接触卡、电子标签、电子条码等。其原理为由扫描器发射一特定频率之无线电波能量给接收器，用以驱动接收器电路将内部的代码送出，此时扫描器便接收此代码。接收器的特殊在于免用电池、免接触、免刷卡故不怕脏污，且晶片密码为世界唯一无法复制，安全性高、长寿命。RFID 的应用非常广泛，目前典型应用有动物晶片、汽车晶片防盗器、门禁管制、停车场管制、生产线自动化、物料管理。RFID 标签有两种：有源标签和无源标签[12]。
近30年来无线移动通信是电子信息产业中发展最为迅速的一个分支。利用灵巧的无线手机进行双向通信是当前消费的一种时尚。1896年由英国科学家马可尼实现无线电信号横越大西洋，这被视为射频电子(radio)技术正式诞生的标
志，同时这一成功使人们认识到可以利用电波通过“以太”代替电线来传输电话、电报等信息。无线通信发展到今天，不仅实现了千百万用户同时利用一段无线电频谱进行双向通信，而且此通信可以随时移动。
许多科学和技术对于无线通信的发展作出了贡献，但是造就当今移动通信辉煌局面的应首推射频技术和微电子技术。要实现移动通信，必须采用无线传输; 同时要实现有效的移动也必须要求设备体积小、重量轻、耗电省。无庸置疑，射频微电子是当代无线通信的基础。我们谈到无线通信技术就必须谈射频微电子技术，而谈到射频微电子技术也必然落实到无线通信。
广义上讲，射频频率是指无线通信所用的频段在250 MHz到3 0 GHz的范围内，微波是射频频率的高端部分。图3是射频技术的典型收发模型。
图3 射频发射与接收电路
从图中可以看出一个典型的射频电路分为发射和接收两个部分。每个部分包括以下几个模块:开关(功率分配器) 、低噪声放大器(LNA)、混频器(MIXER:降频器和升频器) 、射频滤波器和本地振荡器，功率放大器((PA)、中频滤波器和中频放大器。
在发送信号时，从基带模块送出的模拟信号，经中频放大、混频器中的升频器、功率放大器((PA),然后再通过天线发送出去。通过天线接收进来的射频信号经滤波和低噪声放大器((LNA)放大后，与本地振荡器所产生的本地振荡信号经混频器混频(这里是降频器) ，产生固定的中频信号IF ，然后，经放大后送到基带部分。
典型的射频收发设备除了功耗、速度、成品率等性能要求外，还要面对噪声、线性范围、增益等指标。
分析整个射频通信系统主要的器件就是放大器，混频器和振荡器。[13] 射频收发系统大致可分为直接升降频结构和超外差升降频结构。直接升降频结构所需元件少，但是会有直流偏移、偶次阶失真、相位与振幅不平衡、颤动
噪声等问题。超外差升降频结构的优点是提供较大的动态范围和较高的灵敏度。但是需要较多的元件，而且在选择中频时，要避免因交互调制造成接收灵敏度变差的情形。
图4接收机接收频谱
图5发射机发射频谱
图4所示为接收机必须能够在所要信道附近有强大的干扰时，还可以对所要信道进行解调(Modulation )。图5所示为发射机必须在所要信道处有足够的功率和滤波的能力以避免邻近信道的泄漏(Leakage)。而在天线前一级加上射频滤波器，可以先抑制通带(Out一Band )的信号[14]。
3. 国内外发展动态
由于无线光通信所具有的灵活、便捷及高速等特性，在国外，如美国，日本等国家，许多研究所和企业长期进行该领域的研究，并陆续有产品从实验室走向商用。
世界上第一套室内无线光通信系统产生于1979年，是由美国IBM 公司的F. R. Gfeller和U. H. Bapst主持研发的. 该系统属于一种漫射式红外通信系统，使用的是950nm 波长的红外光，通信距离可以达到50m ，当采用PCM 和FSK 两种不同调制方式时，通信速率分别为125kbps 和64kbps 。但该系统仅仅局限于实验室内，并未投入商用。
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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 technology[1]）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。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 communication [6]）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2.4GHz 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，Special Interest Group) 所发起的一种短距离(10cm～10m ，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，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0.75~25μ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、Philips 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875±30nm ，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4～16Mbit/s[8]。
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。
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。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2.4bps~16Mbps。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 ，即亮度调制/直接探测) 信道，因为载波的波长短，而且探测器面积相对较大，就能有效地避免多径衰减，所以应用红外链路组网相对简单。
红外线波长与可见光接近，它不能穿透不透明的障碍物，所以红外传输范围被限制在同一个房间内，但这种局限性却使通信的安全性增强，也避免了不同房间的交叉千扰. 要想在多个房间之间进行通信，就得通过有线途径增加红外接入点(Access Point)。
红外线易受环境噪声的影响，如太阳光，电灯等。红外探测器的信噪比正比于接收光功率的平方，这就意味着IM/DD链路能承受的路径损耗很小，为了提高信噪比，降低误码率，就必须增大发射功率[9]。
2.2.2蓝牙技术
蓝牙(Bluetooth)是由东芝、爱立信、IBM, Intel和诺基亚于1998年5月共同提出的近距离无线数据通信技术标准。
蓝牙的英文名称是Bluetooth ，是1998年由Ericsson, IBM, Intel, Nokia,
Toshiba 等5家公司联合发起制订的低成本、低功耗、短距离无线通信技术，工作在全球通用的2.4GHz ISM(工业、科学、医疗) 频段，目标建立最高数据传输速率1Mb/s(最新版蓝牙标准为2Mb/s、最大传输距离为100m 的无线数据和语音通信链路，替代移动设备、固定设备之间的近距离连接电缆，建立真真意义的无线个人局域网(WPAN ) 。
Bluetooth 原为欧洲中世纪丹麦国王Harald II的名字，他为统一四分五裂的瑞典、芬兰、丹麦立下了不朽的功勋。所以，采用Bluetooth 命名希望使该技术成为全球统一的标准，蕴涵一统天下的意义[10]。
蓝牙是一种短距无线通信的技术规范，它起初的目标是取代现有的计算机外设、掌上电脑和移动电话等各种数字设备上的有线电缆连接。蓝牙规范在制定之初，就建立了统一全球的目标，其规范向全球公开，工作频段为全球统一开放的2. 4GHz工业、医学和科学(工ndustry,Scientific andMedical, ISM)频段。从目前的应用来看，由于蓝牙在小体积和低功耗方面的突出表现，它儿乎可以被集成到任何的数字设备之中，特别是那些对数据传输速率要求不高的移动设备和便携设备。蓝牙设备根据其在网络中的角色，可以分为主设备(Master)与从设备(Slave)o蓝牙设备建立连接时，主动发起连接请求为主设备，响应方为从设备。当儿个蓝牙设备连接成一个微微网(Piconet)时，其中只有一个土设备，其余的均为从设备。微微网是蓝牙最基才的一种网络，由一个主设备和一个从设备所组成的点对点的通信是最简单的微微网。蓝牙恺微网的结构如图1所示。
图1蓝牙微微网
几个微微网在时间和空间上相互重叠，进一步组成了更加复杂的网络拓扑
结构，成为散射网(Scatternet)。散射网中的蓝牙设备可能是某个微微网的从设备，也可能同时是另一个微微网的土设备，如图2所示。
图2 蓝牙散射网
不同的微微网之间的跳频各自独立，互不相关，其中每个微微网可由不同的跳频序列来标识，参与同一微微网的所有设各都与此微微网的跳频序列同步。尽管在开放的工SM 频段原则上不允许有多个微微网的同步，但通过时分复用技术，一个蓝牙设备便可以同时与儿个不同的微微网保持同步，具体来说，就是该设备按照一定的时间顺序参与不同的微微网，即某一时刻参与某一微微网，而下一时刻参与另一微微网[11]。
2.2.3射频技术
射频技术（RFID ）是Radio Frequency Identification的缩写，即射频识别。常称为感应式电子晶片或近接卡、感应卡、非接触卡、电子标签、电子条码等。其原理为由扫描器发射一特定频率之无线电波能量给接收器，用以驱动接收器电路将内部的代码送出，此时扫描器便接收此代码。接收器的特殊在于免用电池、免接触、免刷卡故不怕脏污，且晶片密码为世界唯一无法复制，安全性高、长寿命。RFID 的应用非常广泛，目前典型应用有动物晶片、汽车晶片防盗器、门禁管制、停车场管制、生产线自动化、物料管理。RFID 标签有两种：有源标签和无源标签[12]。
近30年来无线移动通信是电子信息产业中发展最为迅速的一个分支。利用灵巧的无线手机进行双向通信是当前消费的一种时尚。1896年由英国科学家马可尼实现无线电信号横越大西洋，这被视为射频电子(radio)技术正式诞生的标
志，同时这一成功使人们认识到可以利用电波通过“以太”代替电线来传输电话、电报等信息。无线通信发展到今天，不仅实现了千百万用户同时利用一段无线电频谱进行双向通信，而且此通信可以随时移动。
许多科学和技术对于无线通信的发展作出了贡献，但是造就当今移动通信辉煌局面的应首推射频技术和微电子技术。要实现移动通信，必须采用无线传输; 同时要实现有效的移动也必须要求设备体积小、重量轻、耗电省。无庸置疑，射频微电子是当代无线通信的基础。我们谈到无线通信技术就必须谈射频微电子技术，而谈到射频微电子技术也必然落实到无线通信。
广义上讲，射频频率是指无线通信所用的频段在250 MHz到3 0 GHz的范围内，微波是射频频率的高端部分。图3是射频技术的典型收发模型。
图3 射频发射与接收电路
从图中可以看出一个典型的射频电路分为发射和接收两个部分。每个部分包括以下几个模块:开关(功率分配器) 、低噪声放大器(LNA)、混频器(MIXER:降频器和升频器) 、射频滤波器和本地振荡器，功率放大器((PA)、中频滤波器和中频放大器。
在发送信号时，从基带模块送出的模拟信号，经中频放大、混频器中的升频器、功率放大器((PA),然后再通过天线发送出去。通过天线接收进来的射频信号经滤波和低噪声放大器((LNA)放大后，与本地振荡器所产生的本地振荡信号经混频器混频(这里是降频器) ，产生固定的中频信号IF ，然后，经放大后送到基带部分。
典型的射频收发设备除了功耗、速度、成品率等性能要求外，还要面对噪声、线性范围、增益等指标。
分析整个射频通信系统主要的器件就是放大器，混频器和振荡器。[13] 射频收发系统大致可分为直接升降频结构和超外差升降频结构。直接升降频结构所需元件少，但是会有直流偏移、偶次阶失真、相位与振幅不平衡、颤动
噪声等问题。超外差升降频结构的优点是提供较大的动态范围和较高的灵敏度。但是需要较多的元件，而且在选择中频时，要避免因交互调制造成接收灵敏度变差的情形。
图4接收机接收频谱
图5发射机发射频谱
图4所示为接收机必须能够在所要信道附近有强大的干扰时，还可以对所要信道进行解调(Modulation )。图5所示为发射机必须在所要信道处有足够的功率和滤波的能力以避免邻近信道的泄漏(Leakage)。而在天线前一级加上射频滤波器，可以先抑制通带(Out一Band )的信号[14]。
3. 国内外发展动态
由于无线光通信所具有的灵活、便捷及高速等特性，在国外，如美国，日本等国家，许多研究所和企业长期进行该领域的研究，并陆续有产品从实验室走向商用。
世界上第一套室内无线光通信系统产生于1979年，是由美国IBM 公司的F. R. Gfeller和U. H. Bapst主持研发的. 该系统属于一种漫射式红外通信系统，使用的是950nm 波长的红外光，通信距离可以达到50m ，当采用PCM 和FSK 两种不同调制方式时，通信速率分别为125kbps 和64kbps 。但该系统仅仅局限于实验室内，并未投入商用。