ラズパイPicoでテレビを操作（リモコンの赤外線通信を解析して送受信）

今回はラズパイPicoを使って、

・赤外線通信で受信（リモコン → テレビの通信データを解析＆コピー）

・赤外線通信で送信（テレビの操作）

を行う方法について紹介します。

まずは、リモコン → テレビの通信で「どのような赤外線通信フォーマットが使用されているか？」を解析する必要があります。

一応、NEC・家製協（AEHA）・SONYといった基本フォーマットが存在していますが、実際に解析してみないことには、どのフォーマットが採用されているかは分かりません。

赤外線リモコンの通信フォーマット

ちなみに、私のテレビ（三菱電機 REAL LCD-40MZW300）は、さきほどの３つの基本フォーマットにも当てはまらない三菱独自のフォーマットが採用されていました。

配線・回路図

使用パーツ

• Raspberry Pi Pico
• 赤外線リモコン受信モジュール（OSRB38C9AA）－ 秋月電子通商

プログラム（MicroPython）

# アナログ－デジタル変換のライブラリを読み込む
from machine import ADC

# 時間関連のライブラリを読み込む
import utime

# ADC0（31Pin）をアナログ－デジタル変換の入力ピンに設定
adc = ADC(0)

# センサーの状態（HIGHか？LOWか？）
st = 1

# カウンタ
cnt = 0

# 稼働時間の計測開始
start = utime.ticks_us()

# 永久ループ
while True:
    
        # read_u16() ・・・アナログ値を読込み［0-65535］の整数を返す関数
        # 16bit・2進数の最大値：1111111111111111 ⇒ 10進数の最大値：65535
        # 電圧の最大値3.3Vを「65535」に置き換え
        sens = adc.read_u16()* (3.3 / 65535)
        
        # 赤外線を受信している（センサーにかかる電圧が1Vより小さいとき）
        if(sens < 1.0):
             
            # センサーの状態がLOW→HIGHに切り替わった瞬間の処理
            if (st == 1):
                
                # センサーの状態がLOWを示す
                st = 0
                
                # カウントアップ
                cnt += 1
                
                # 稼働時間の計測終了
                end = utime.ticks_us()
                
                # 稼働時間の開始と終了の差を表示
                tics = utime.ticks_diff(start,end)
                
                # 計測終了時間を次の稼働時間の開始時間に設定
                start = end
                   
                # 周期の計測結果を出力
                print(tics)

        # 赤外線を受信していない（センサーにかかる電圧が1Vより大きいとき）
        else:
            
            # センサーの状態がHIGH→LOWに切り替わった瞬間の処理
            if (st == 0):
                
                # センサーの状態がHIGHを示す
                st = 1
                
                # カウントアップ
                cnt += 1
                
                # 稼働時間の計測終了
                end = utime.ticks_us()
                
                # 稼働時間の開始と終了の差を表示
                tics = utime.ticks_diff(end, start)
                
                # 計測終了時間を次の稼働時間の開始時間に設定
                start = end
                
                # 周期の計測結果を出力
                print(tics)

        # 100個のデータを取得したら計測終了
        if (cnt >= 100):
            
            # 永久ループを抜ける
            break

技術解説

リモコンのボタンを押すと、リモコンの発信部（赤外線LED）から、以下のような信号がテレビの受信部に送られます。

このパターンを読み取るため『赤外線受信モジュール』を使用します（※以下、センサーと略します）

センサーに向かってリモコンのボタンを押したとき、

「センサーの電圧がどのように変化するか？」

「HIGH状態の時間、LOW状態の時間」

をラズパイPicoで読み取っていきます。

※リモコンのボタンを押すのは一瞬で大丈夫です。

ボタンを押している時間が長いと、同じ信号が繰り返し送信されてしまいます。

解析する上で特に問題はないのですが、データは短い方が扱いやすいです。

赤外線受信モジュールの電圧を読み取る

センサーが赤外線を受信していないときの電圧は「1.5V」くらい（電源3.3Vの場合）

赤外線を受信すると「0.1V以下」に変化します。

※凄いスピードで点滅しているので、テスターで測ったときは1.5V → 1.3Vくらいの変化しか確認できません。

ただし「1.5V」という値は、マイコンによっては「HIGH」とでも「LOW」とでも取れる微妙な数値です。

そこで、ADC（アナログ→デジタル変換機能）を使い、ラズパイPicoで正確な電圧を読み取れるようにしてから、処理の振り分けを行っています。

ADCについてはこちらの記事を参考にしてください↓

CDS光センサーでAD変換（アナログ→デジタル変換）

これでセンサーの状態を読み取る準備ができました。

赤外線受信モジュールのHIGH・LOW時間を読み取る

次は、センサーが「HIGH状態の時間」と「LOW状態の時間」を計測していきます。

プログラムでは、HIGH→LOWに切り替わった瞬間、LOW→HIGHに切り替わった瞬間を検知して、その状態が続いた時間を記録しています。

ただし、状態が変わった瞬間をできるだけ早く検知しなければ、正確な情報とはなりません。

そのために、できるだけ短い間隔でループ処理を行うことが重要です。

ところが、ADCのサンプリングレートだけで100usほどの時間を取られます。

その他、変数を使ったり、途中で計算式が入るたびに実行速度が遅くなります。

よって、計測結果はある程度の誤差を含んでいるものと考えて下さい。

後で、エクセルを使い目視で調整していきます。

時間の「マイクロ秒」を取得する関数について

時間の計測には、「utime.ticks」関数を使っています。

# 稼働時間の計測開始
start = utime.ticks_us()

# 稼働時間の開始と終了の差を表示
tics = utime.ticks_diff(end, start)

utime — BBC micro:bit MicroPython 1.0.1 ドキュメント

※Pythonでマイクロ秒単位の時間を取得する場合は、timeやdatetimetimeライブラリを使うのが一般的なようですが、どちらも使えませんでした。

time.time_ns() → 1609466911000000000（秒以下が全て0）

import datetime → ImportError: no module named datetime（モジュールが入ってないよ）

受信した赤外線の結果を出力

100個のデータを取得したら、読み取りが終了します。

私の三菱テレビリモコンの場合は、以下のような結果となりました↓

-10289654
551
-1933
308
-2105
366
-2095
367
-898
272
-961
295
-909
303
-2148
372
-830
371
-891
294
-2151
369
-894
307
-911
301
-906
308
-899
377
-903
311
-907
308
-27799

符号のない数値：リモコンからHIGHの信号が出力されていた時間（センサーの状態がLOWになっていた時間）

「ー」が付いた数値：リモコンから何も信号が出ていなかった時間（センサーの状態がHIGHになっていた時間）

これで、赤外線通信の受信解析は終了です。

リモコンから解析したデータの誤差を調整。

そのデータを元に、ラズパイPicoで赤外線LEDを制御して、テレビの操作を行います。

配線・回路図

使用パーツ

• Raspberry Pi Pico
• 5mm赤外線LED（OSI5FU5111C-40）－ 秋月電子通商

プログラム（MicroPython）

# GPIOピン制御・PWM制御のライブラリを読み込む
from machine import Pin, PWM

# 時間関連のライブラリを読み込む
import time

# PWM制御を行うピンの設定
ir = PWM(Pin(17, Pin.OUT))

# PWM制御の動作周波数を設定
# 一般的なリモコンで使用されている周波数 = 38KHz
f = 38000
ir.freq(f)

# PWM制御の周期（波が上下に1回振動するのにかかる時間）
# 周期 = 1/周波数（38kHz）= 26μs

# PWMのデューティー比（HIGHとLOWの比率）
# 一般的なリモコンのデューティー比 = HIGH：1/3、LOW：2/3
# 16bitの最大値 = FFFF（16進数）= 65535(10進数）
# 65535 * 0.3333 = 21845(10進数）= 5555（16進数）
dty = 0x5555

# 解析したデータが信号を一つ送るのに掛かっていた時間 = 300us
# 300usの長さの信号になるようにPWM信号を繰り返す
# 300us/26us = 11.5回
# しかしtime.ticksで赤外線通信の稼働時間を計測した結果、
# 理想のフレーム長（53ms～55ms）に足りない
# よって稼働時間が53ms以上になるように「20」と調整した
adj = 20

# 上位8bitは共通コード（11100010）
# 下位8bitは操作ボタン（01000000 = 電源ON/OFF
data =[1,1,1,0,0,0,1,0,0,1,0,0,0,0,0,0]

# 赤外線通信の稼働時間を計測開始
start = time.ticks_us()

# 16bitのコードを読み込む
for bit in data:
       
    # コードの値が「1」のときの処理
    if(bit == 1):
        
        # デューティー比1/3がHIGHのPWM信号を送信（adj回分）
        for i in range(1, 1*adj):
            ir.duty_u16(dty)
            
        # LOWのPWM信号を送信（7×adj回分）
        for i in range(1, 7*adj):
            ir.duty_u16(0)
         
    # コードの値が「0」のときの処理
    else:
        
        # デューティー比1/3がHIGHのPWM信号を送信（adj回分）
        for i in range(1, 1*adj):
            ir.duty_u16(dty)
            
        # LOWのPWM信号を送信（7×adj回分）
        for i in range(1, 3*adj):
                ir.duty_u16(0)
    
# ストップビット（データの終端を示す信号）
for l in range(1,1*adj):
    ir.duty_u16(dty)

# トレーラー（通信の終わりを示す信号）
for l in range(1,1*adj):
    for i in range(1,97):
        ir.duty_u16(0)
              
# 赤外線通信の稼働時間を出力（53000us以上になっていればOK）
print(time.ticks_diff(time.ticks_us(), start))

技術解説

まずは結論から。

私の三菱テレビの場合、下記のように信号を送ることで電源のON・OFFに成功しました。

コマンド	データビット
電源オン・オフ	1110001001000000
音量アップ	1110001001000100
音量ダウン	1110001001010100

エクセルを使って正確なデータに復元する

センサーで解析したデータから、リモコンだけが持っている正確なデータの復元を行います。

まずは、データをエクセルに貼りつけ。

※先頭の値が大きな数字は省いてください（最初にリモコンのボタンが押されるまでの時間です）

この数値は、リモコンから信号が出ていたとき・出ていなかったときの時間です。

300 / 900 / 2100付近の数値が多く、300の倍数がベースとなっていそうです。

そこで300で割って、小数点を四捨五入した整数が【B列】になります。

=ROUND(A2/300,0)

B列には「2,-6,1,-7,1,-7,1,-3,1,-3・・・1,93」という数字が並びました。

この中で規則性があるのは「1,-7」「1,-3」

この２つの数字を一セットとして、以下のように２進数に置き換えます。

1,-7  ⇒ 「1」

1,-3  ⇒ 「0」

※どちらが0か１かの決まりはありませんが、今回のプログラムは上記の置き換えで動くようになっています。

しかし、先頭の「2,-6」という数字は「1,-7」「1,-3」のどちらにも当てはまっていません。

この数字に関しては、「2,-6」⇒「1,-7」の誤差とみなしました。

リモコンのボタンを長押しすると、同じ信号が繰り返し出力されるようになっているのですが、2回目以降、先頭の数値は「1,-7」となっていたからです。

仕様なのか？センサーの精度が悪いのか？分かりませんが、一応、これで問題なく動いています。

最後の「1,93」という数字は、ストップビットとトレーラー信号です。

1    ⇒ ストップビット（データの終端を示す信号）

93  ⇒ トレーラー（通信の終わりを示す信号）

ということで、三菱製のテレビリモコンが一回の赤外線通信で送信するデータの数は36個。

以下のようなフォーマットで構成されていることが分かりました。

共通コード（8bit）＋ 操作コード（8bit）＋ ストップ（1bit）＋ トレーラー

もちろん、どれか1つでもデータが欠けると正常に動きません。

そして、最後はフレーム長（一回の赤外線通信にかける時間）について。

エクセルに貼りつけた【A列】のデータを全て足して割り出します。

私の三菱テレビの場合は、数個のサンプルを準備して試した結果、5200us～53000usに収まりました。

プログラムを実行すると、データ送信後に赤外線通信の稼働時間が表示されます。

もし数字が大幅に違う場合は、adjの値を調整してください。

adj = 20

送信テスト

赤外線が正常に出力されているかどうかは、スマホを動画撮影モードにして、赤外線LEDを覗き込めば確認できます。

一瞬だけ「ピカピカッ」と紫の光が点滅します。

なお、赤外線到達距離は約30cmでした。

届く範囲が短いので、チェックの際は赤外線LEDをできるだけテレビの受信部に近づけてください。

赤外線が届く距離を伸ばすには、

• トランジスタを使って赤外線LEDへ流す電流を増幅する
• 赤外線LEDの数を増やす
• 指向性が狭いタイプの赤外線LEDに変える

など、方法は色々あります。

• 赤外線リモコンの信号解析：三菱 : とりあえず「何でもぶろぐ」Ⅱ
• Arduinoを使った赤外線リモコンの作り方～信号解析編 | T&H.work
• Arduinoを使った赤外線リモコンの作り方～送信機編 | T&H.work
• Arduinoで赤外線リモコンの信号を解析する
• Arduinoで赤外線リモコン信号を発信する
• iRemo2 リモコン・データベース – FUTABA HOME