2019年3月1日 星期五

【IR #03】紅外線發射 @Arduino @ESP8266 @ESP8285


網頁最後修改時間:2019/03/01

前兩篇(〔1〕〔2〕)已經說明了關於紅外線遙控的編碼和解碼的格式,這一篇將來繼續說說以 Arduino UNO / Nano 開發板以及 ESP8266(ESP-01 / 01S)為主的紅外線 LED 發射的線路以及實際應用;當然,ESP8285(ESP-01M)同樣可用,作法參照下面網頁中的說明。

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網頁中用到的零件可到下面網址購買:
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依據所使用的的紅外線遙控/接收套件中的零件,基本上有幾種使用的方式:
  • 利用紅外線接收模組,解碼套件中紅外線(或其它)遙控器的按鍵值;
  • 接收特定紅外線遙控器訊號,並產生相對應的動作;
  • 自定義或由解碼紅外線裝置的'遙控訊號,編碼發射紅外線訊號控制遠端裝置;

Arduino UNO / Nano 和 ESP8266 對於紅外線的處理基本上都是來自於同一個函式庫,但是作者為 ESP8266 另外開了一個分支,將裡面程式碼進行了新增與修改以符和晶片需求。

兩者在發射與接收上的不同之處為:
  • 紅外線接收,兩者都是採用中斷方式;
  • 紅外線發射編碼:
    • Arduino UNO / Nano 採用 Hardware PWM;
    • ESP8266 採用 Software PWM;
其它的在函式的使用上面,兩者沒有什麼太大的差別,有的話會提示在說明中,程式碼互換相同容易!

【紅外線 LED 發射電路】

基本上,大可以把紅外線 LED 當作一般 R/G/B LED 來處理,限制電流不超過 20 mA 來做使用。但是,在【IR#02】已說過:「IR LED...其順向電流可以從 100mA 變化至遠遠超過 1A...」(例如,億光 IR333-A),所以我採用下面的電路作為紅外線 LED 發射之用。

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【請注意】
  • Arduino UNO / Nano:只能接在 <D3>,其他的接腳都不行。
  • ESP8266 / ESP8285:基本上只要能做 digitalWrite() 的都可以;程式範例是接到 <GPIO 2><VCC> 接 3.3V 或 5V 都可以
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紅外線 LED 發射電路(Arduino UNO / Nano)
例如 Arduino Nano 的實際佈線可參考下面這張照片。
紅外線 LED 發射電路(Arduino Nano)實際接線
完成 Arduino UNO/Nano 佈線之後,根據【IR#02】所介紹的方式,可取得紅外線遙控器各按鍵的解碼值。

NEC 紅外線遙控器按鍵解碼輸出訊息
正確解碼之後,每個按鍵會得到下面幾個資料的輸出:
  • Encoding:代表紅外線訊號所使用的通訊協定為何;
  • Code:接收的紅外線訊號解碼值,由 Timing 陣列中的原始數據計算後得到,後面括號表示的是位元(bit)數;
  • Timing[#]:接收的紅外線訊號解碼的原始數據。其值表示的是時間(µs)、# 表示的是原始數據的數目;
  • unsigned int rawData[67]:這裡是定義上面的原始數據為一個陣列,用來作為 sendRaw() 函式的引數,控制被解碼的紅外線裝置;
  • unsigned int data = 0xFDA857:將 Code 整理成一個可用於程式的變數定義;
上面的解碼資料在實際的使用上,個人的見解是這樣的:
  1. Encoding 有被辨識出來時(例如 NEC),則建議使用 sendNEC( data, 32 ) 函式來進行紅外線訊號的編碼發射;
  2. Encoding 沒有被辨識出來時,以 sendRaw( rawData[#], #, kHz ) 函式來進行紅外線訊號的編碼發射(不過由於函式庫持續的更新,因此辨識不出來的情況不多!); 
兩種方式都可以使用,但是建議以第一個為主要的編碼發射方式,比較簡單!

第二個編碼發射方式用在無法辨識出紅外線採用的通訊協定才用,而且必須確定得到的解碼原始數據是正確的,否則有可能會失敗。另外,sendRaw() 需要按鍵解碼的原始數據,一但要處理的按鍵數量變多,則微控制器的記憶體就會不夠用,此時就需要考慮將其儲存到 flash 記憶體中,等到要用的時候再取出來。

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[ ESP8266 / ESP8285 接收解碼程式 ]

前面系列網頁的沒有說到 ESP8266 接收解碼程式的部分,在這裡補上。

這部分的解碼程式可參考函式庫裡面的範例 IRrecvDumpV2,它所輸出的紅外線解碼資料類似於 IRremote 函式庫,可相互比對。
IRremoteESP8266 範例 ESP8266_IRrecvDumpV2 測試輸出
實際的應用上,我自己還是偏向於去修改【IR#02】裡面的接收解碼程式來用,因為可以產生相同的輸出格式
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* 相同輸出格式的 ESP8266 / ESP8285 紅外線接收解碼版本(ESP8266_IRremoteReceiveV02):

IRremot 和 IRremoteESP8266 這兩個函式庫範例(都是叫做 IRrecvDumpV2),但由上面的測試中可以看到,兩者對於 rawData[] 的取得的結果有所不同,但這不表示有問題,是因為 IRremoteESP8266 函式庫增加了對於冷氣紅外線遙控器的支援,導致它會接收某個時間區隔的訊號。但接來的網頁中,為了讓程式保持一致並不考慮空調紅外線遙控器的部分,我們會使用 IRremote 的 IRrecvDumpV2 的程式進行修改為 IRremoteESP8266 適用的版本,這樣的修改可以保證得到的數據格式兩者都是相同的。

另外在接線上,ESP-01/01S 不像 ESP8285 ESP-01M 有著較多的接腳可以用,因此可供選擇的接腳只有 <UTXD><URxD><GPIO0><GPIO2> 這四根但一定要注意燒錄的與開機的時候,什麼接腳需要拔掉?避免無法進入燒錄與正常執行模式。

另外要提醒的是,<UTxD><URxD> 作為紅外線發射或是接收接腳時,若要同時使用 HardwareSerial ,則需要加上以下指令:

// 使用 <URxD>
Serial.begin(115200, SERIAL_8N1, SERIAL_TX_ONLY);
// 使用 <UTxD>
Serial.begin(115200, SERIAL_8N1, SERIAL_RX_ONLY);
// 其他接腳
Serial.begin(115200);

完整的接收程式碼如下所示,

程式碼下載

執行程式後,同樣發送相同的紅外線按鍵,會得到類似下面的輸出。其中 Code 和 rawData 就是分別餵給 sendNEC() 和 sendRaw() 這兩個函式的資料,其中 sendEncoding()要根據 Encoding 解碼出的通訊協定選用不同的函式。

上面用的紅外線接收解碼程式,將會用到接下來部落格撰寫的 IR Web Server 的程式中,有興趣的請先花點時間看。

ESP8266_IRremoteReceiveV02 程式執行輸出

【紅外線發射測試程式碼】

下面以 【IR#01】網頁中的 AdaIRemoteIRKeyDecode.ino 程式碼來做為接收端,負責接收並解碼紅外線訊號。

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* Arduino 開發板:

程式碼中的 line 26 - 42 要填入紅外線遙控器按鍵對應的解碼值,然後編譯上傳至 Arduino 開發板,只要兩者的編解碼正確,接收端就會輸出相對應的文字訊息與顯示在 OLED 上。

程式碼下載

/*--*//**---/*///**---*-*////***--*/*///***----*///--*/*///**--*/*//**--**/*//
* ESP8266 / ESP8285 模組:

同樣與 Arduino 開發板使用相同的發射程式,但採用不同的函式庫,比較兩者就能看出不同之處,IRremoteESP8266 函式庫需要:
  • 程式宣告(line 8)時,要同時指定使用於發射(或接收)的接腳;
  • 作為紅外線發射之前,必須要先下(line 13) .begin() 的指令,才能開始使用發射的其他指令;
程式碼下載

/*--*//**---/*///**---*-*////***--*/*///***----*///--*/*///**--*/*//**--**/*//
* 原始數據(raw data)的發送:

使用原始數據發送紅外線訊號是比較不建議的方式,看看上面的 rawData[] 所佔據的位元組數目就知道這個方式很佔記憶體,建議可以將資料移動到程式記憶體中,要不直接使用晶片的 SRAM 一下子就會增量很多,尤其是 Arduino 一下就爆掉了,所以下面的範例用 ESP8266 (ESP8285 也可以)來做,將紅外線遙控器上按鍵的原始解碼數據全部填入到程式中,然後利用 UART 輸入相對應的按鍵值來發射紅外線訊號。

程式碼下載

實際的應用比較少直接使用原始數據來做紅外線訊號的發射,但在這邊就是只是說明紅外線解碼原始數據要和哪一個函式來搭配使用而已,主要還是以各通訊協定搭配的函式為主。

至於 Arduino 的部分,請自行參考 IRremote 函式庫裡面的範例。

【結論】

到這篇為止,對於紅外線的發射/接收以及通訊協定什麼的,基本的都已經說明完畢。

接下來我將利用這個套件的所有東西,結合 ESP8266 和 Google Spreadsheet 建置一個以網頁做為管理紅外線訊號的介面的 IR Web Server, 學習網站的前端、後端和雲端三方怎麼做結合。


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