本文假装修理电脑开机键，其实是在解决无线电遥控研究的一个基础问题：怎样用廉价的方案持续监听ASK/OOK信号并自动解码。ASK/OOK广泛应用于各种无线电遥控设备，包括家电、卷帘门、车门……
背景
我的台式机的开机键确实是坏了。曾经买过一个尝试替换，但因规格不同装不上去；还用复位键代替开机键用过一阵子，但复位键太小，按得不爽。本来有小米的WiFi开关，但还不知如何整合。万般无奈，用无线电遥控按钮加上网络唤醒成了最后简便可行的方案。
另一方面，以前文章说过用软件无线电（比如HackRF + Inspectrum）可以接收ASK/OOK信号并解码，但有几个缺点：
- 成本高；
- 不能自动解码：如果要解码大量数据（比如研究滚码），用Inspectrum手动解码是非常烦琐的；
- 不能用于长期监听：因为GNU Radio储存的是高采样率的原始信号，每秒数MB。
所以，还是要再找一条路。
所需材料
- ASK接收/解调模块：图左上, 有两种，都是5元左右；
- 树莓派：图右上；
- 无线按钮：图下, 本来可以用其它无线遥控器代替，但这种比较像按钮。假货宝上不多见，略贵，15元。
ASK接收/解调模块的作用是将315/433MHz的调幅信号解调。除了电源，它有一个数据脚，输出解调的高低电平；有的模块有一个使能脚，但不接也行（因为浮动为高电平，即启用状态）。
图中有一个模块没接天线，其实也可以收到信号；也可以用一根20cm左右的导线做天线。感觉差别不大。
无线按钮的作用则相反：将一组数据编码，然后用315/433MHz调幅发射出去。这组数据是芯片预置的，据说每个芯片都不一样。编码方式实测是脉宽编码（PWM），这是无线电遥控器里最常用的。
认识接收模块
把这两个接收模块加上5V电源，然后用示波器观察数据引脚。
然后发现杯具了，怎么总是有“信号”？——这，就是传说中的噪声。便宜无好货? 也许。但电路噪声、空中拥挤的无线电、甚至树莓派产生的射频……要完全消除噪声，并不是那么容易的。所以，保持平常心。
再看有信号时：按一下无线按钮。这次倒比较像样。
为了验证其正确性，用树莓派发射一个信号。黄色是发射的，绿色是接收的。可以看到波形基本一致，有一丢丢的延时。
认识无线按钮
从图4可以看出，无线按钮的信号是脉宽调制（PWM）的，即一对高低电平的组合表示1bit，高电平较宽的代表1，低电平较宽的代表0。图中的波形可以解读为 1000 1010 1001 10...
缩小比例，看看整体。
可以看到，以一段大约10ms的低电平作为分隔，我们可以将其作为信号开始的标志，即 start0 + data (+ start0)。
在上一篇文章中，我们建立的遥控信号的模型是：先有一段较长的高电平作为开始，然后一小段低电平，然后是数据，最后有一段低电平作为结束，即 start1 + start0 + data + stop0。
显然后者是更合理的。因为没有信号时，接收模块的输出就是低电平。这个无线按钮有偷工之嫌。但我们能适应，硬件不够，软件来补。
关键代码
初始化
接收模块的驱动能力一般很弱，所以，不要使用上拉或下拉电阻。
# do NOT use pull_up_down=GPIO.PUD_UP nor GPIO.PUD_DOWN
GPIO.setup(pin_rx, GPIO.IN)
如何采样
树莓派有提供 callback（即 add_event_detect） 和 wait_for_edge，用于在每个电平跳变时进行响应/处理。但实际试了下，效果并不好。感觉它们更适合于低速的场合，比如检测传统的开关状态。
最后，回归到最朴素的轮询式。另一方面也是因为电路中有噪声，即使无信号时，数据脚也一直存在电平的跳变，用callback并不会更快。
实测采样周期设置为 0.1ms 或 0.05ms 都处理得过来。由于ASK/OOK数据频率通常在1~2KHz，所以 0.05ms相当于20KHz的采样率，足够了。
下面的代码保证间隔一个采样周期进行一次采样，返回采样时的电平及当时的时间。
def get_sample(self):
self.sample_time += self.sample_period
now = time.time()
wait = self.sample_time - now
if wait > 0:
time.sleep(wait)
b = GPIO.input(self.pin_rx)
now = time.time()
return (b, now)
接收一段信号
根据前面的分析，有的信号会以高电平作为前导，有的会以低电平作为前导。所以，下面的代码等待一段足够宽的电平（比如3~10ms）作为信号的开始，而不管它是高电平还是低电平。之所以忽略太长的电平，是因为没有信号（万一也没有噪声）时，将会一直是低电平。
我们记录起始时的电平，然后将每个电平翻转时对应的时间记入一个时间戳数组。我们忽略太窄的脉宽，因为它通常是毛刺（也意味着这多半是一段噪声）；此时，我们直接丢弃这段“信号”。
直到下一段较宽的电平时，我们认为这段信号结束。将时间戳数组和起始电平作为一个波形对象返回。这相当于这个信号的物理层表示。
太短的“信号”也将被丢弃，因为它通常也是噪声；有意义的数据不会那么短。太长的“信号”也将被丢弃，因为这也可能是噪声，而且它会使数组过大，可能导致程序崩溃。
def receive(self):
wave = BitWave()
ts = wave.timestamp
b = GPIO.input(self.pin_rx)
now = time.time()
ch = GPIO.wait_for_edge(self.pin_rx, GPIO.BOTH, timeout=self.min_gap)
if ch is not None:
return None
b0 = b
t0 = now
ts.append(t0)
ch = GPIO.wait_for_edge(self.pin_rx, GPIO.BOTH, timeout=self.max_gap-self.min_gap)
b = GPIO.input(self.pin_rx)
now = time.time()
if ch is None:
return None
if b == b0:
return None
wave.startbit = b0
self.bit = b
self.sample_time = now
self.edge_time = now
ts.append(now)
min_gap = 1e-3 * self.min_gap
while True:
(b, now) = self.get_sample()
if b == self.bit:
if now - self.edge_time > min_gap:
if b == 0:
ts.append(now)
return wave if len(ts) > 5 else None
else:
if now - self.edge_time < self.sample_period:
return None
self.edge_time = now
self.bit = b
ts.append(now)
if len(ts) > self.max_len:
return None
return wave
PWM解码
解码是指，从物理层的波形，解码出数据链路层的比特流。
我们将接收到的波形按PWM来解码。但要注意，信号可能并不是PWM的，而且噪声可能带来毛刺或波形宽度的变化。所以，一旦碰到任何不符合预期的地方，我们毫不留情地返回失败。
首先我们要排除起始的高/低电平，最后一个bit也要排除，因为它通常带有结束时的低电平，而使得宽度不同于别的bit。用这一段数据，我们可以计算出每个符号（bit）的平均时长，作为周期。
在解码的过程中，任何一个电平宽度超过周期的，都被视为不合法。
同时，我们还把每对电平中较宽的脉宽累加起来，用其平均值/周期作为占空比。占空比太大也被视为不合法。因为对于1KHz的数据，如果占空比为95%，意味着窄的电平是0.05ms，这已经是我们采样精度的极限了。而且事实上，没人会用这么高的占空比，通常70%左右比较合理，这样误码率更低。
def decode(self, wave):
ts = wave.timestamp
size = len(ts) - 1
if size < 17: # 8 bits at least
return False
if wave.startbit == 1:
self.start1 = ts[1] - ts[0]
i1 = 2
else:
self.start1 = 0
i1 = 1
self.start0 = ts[i1] - ts[i1 - 1]
cbits = size - i1
if (cbits % 2) > 0:
return False
self.bits = BitArray()
csym = cbits / 2 - 1
dur = ts[-3] - ts[i1]
self.period = dur / csym
self.stop0 = ts[-1] - ts[-3] - self.period
if self.stop0 < 0:
return False
sum1 = 0
c1 = 0
for i in range(i1, size - 2):
w = ts[i + 1] - ts[i]
if w >= self.period:
return False
if w + w > self.period:
sum1 += w
c1 += 1
if (c1 == 0):
return False
self.duty = sum1 / c1 / self.period
if self.duty > 0.9:
return False
for i in range(i1, size - 1, 2):
w = ts[i + 1] - ts[i]
b = '0b1' if w + w > self.period else '0b0'
self.bits.append(b)
return True
效果
因为代码是轮询式，所以要关心一下CPU占用率。在树莓派3代上，采样周期设置为0.05ms时，用top查看，CPU占用率大约25%；而且改变采样周期，基本没有变化。换不同的电路板时倒有有差别（另一块电路板在10%以下，可惜已经挂了），可能和噪声水平有关系。
其实在同一个树莓派上，开两个进程，一个发送，一个接收，完全没有压力，收到的数据能正确解码。
至于噪声，虽然示波器上一直有噪声电平，但经过层层检验，几乎没出现把噪声解码为信号的情况。
但有信号时会出现误码，表现在：
- 如果发射端比较远或信号比较弱时，有一定的误码；
- 在按一下键时，通常会将信号重复发送3~5次，其中可能会有解码错误的；尤其是最后一个信号。其实最后一个信号可能根本没有完整发送。因为有的遥控器在按下键时会一直发送，松开时就立即停止发送。
- 经过博联(Broadlink）RM2这样的万能遥控器学习后、再发送的“二手码”，误码会更高一些。
下图是实际运行效果，简单说明下：
- [WAV] 表示原始波形信息。44.4ms/0/51 表示总长44.4ms，以低电平开始，总共51段，后面是每段电平的时长，单位ms。
- [PWM] 表示PWM解码成功，后面是其信息：起始高电平/低电平时长/结束低电平时长、比特周期、占空比、总位数、数据。
- 绿色框表示解码符合预期；橙色框表示虽然是正确的PWM码，但数据有丢失，不同于发射数据；红色框则是噪声了（不能成功解码）。
另外，对于按一下键，连续发射的多个信号，并不能全部接收到。因为接收到一个信号后，程序就会去解码，而解码耗费的时间可能会错过一个信号（的起始电平）。用多线程也许能解决这个问题。但并没有多大必要，因为发射端本来就会重复发送多次同样的信号，只要能接收到其中一个完整的就行了。
成果
有了这个自动接收／解码机，首先解码了无线电按钮，据此触发WOL，实现了按键就能开电脑的效果！（我容易吗我）
然后，很容易地解码了家里的所有无线电遥控器，做成字典。一方面，配合发射模块，可以程序控制所有设备；另一方面，可以监视家里的所有无线电活动（作为日志嘛）。当然，也许会收到别的信号（你懂的）。
结语
用树莓派+5元钱的ASK接收模块，即可实现对ASK/OOK信号的自动接收和解码。相比于软件无线电套件（HackRF, GNU Radio, Inspectrum），轻巧低廉。而且在这一领域，可以说更强大。实测用脚本语言就可以满足数据采集和解码的性能要求，开发调试非常方便。主要的问题是处理噪声，增加一些有效性检查。
在修好电脑开机键的同时，顺便完成了发射/接收，解码/编码的整套工具集，可以用于ASK/OOK的研究。
代码已开源：https://github.com/loblab/rfask
目前支持PWM和曼彻斯特编码。
