一．研究背景與意義

隨著(zhù)智能電網(wǎng)理念的提出，基于家庭智能交互終端的電能計量和營(yíng)銷(xiāo)方案已逐步形成，這意味著(zhù)家居控制將邁向智能化。智能家居是近幾年產(chǎn)生并迅速崛起的一種新型家居住宅，家居的智能化為住戶(hù)提供了一種更加安全、舒適、方便、快捷和開(kāi)放的智能化、信息化的生活空間，極大的方便了用戶(hù)。因此，組建一套以家庭交互終端為核心的家居控制系統，對智能電網(wǎng)的改造和實(shí)施有重大的意義。

但目前的家居智能化系統存在一個(gè)很大的局限，即只是實(shí)現了局部的智能化。而真正意義上的家居智能化則應該是擁有一個(gè)集中的終端控制系統，通過(guò)該終端對家居的所有設備進(jìn)行智能化的控制和監控，這也將是智能家居系統未來(lái)的發(fā)展方向。

本設計以MIPS公司的32位處理器為核心來(lái)組建智能顯示終端，并以具備無(wú)線(xiàn)通訊的智能插座為被控節點(diǎn)，搭建了一套簡(jiǎn)易的智能家居控制系統。該系統可通過(guò)遠程（手機短信），和本地（智能顯示終端）兩種方式進(jìn)行控制。下面將對本系統的構成和實(shí)現方案，以及各模塊中涉及的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行分析。

二．系統的構成與工作原理

1 系統構成與原理

本系統由手機，智能顯示終端，智能插座構成。手機與智能顯示終端之間通過(guò)GSM模塊進(jìn)行通訊，智能顯示終端和智能插座之間采用Zigbee進(jìn)行通訊。

智能插座作為基本的控制單元，能夠實(shí)時(shí)采集每個(gè)房間的用電信息，并將信息實(shí)時(shí)傳送到智能顯示終端。當發(fā)現用電異常時(shí)，智能插座自動(dòng)斷電并將執行結果發(fā)送到智能顯示終端。智能顯示終端也將這一結果發(fā)送到用戶(hù)手機。

手機實(shí)現用戶(hù)的遠程控制和信息接收。用戶(hù)外出時(shí)，通過(guò)手機發(fā)送的指令（如預啟動(dòng)，預關(guān)閉，限時(shí)供電等）將被智能終端接收并下發(fā)到智能插座。另外，智能插座的所有執行動(dòng)作都將通過(guò)智能顯示終端發(fā)送到手機。

智能顯示終端既能夠接收手機發(fā)送的指令，也能夠接收智能插座發(fā)送的數據。智能顯示終端接受智能插座上傳的數據后，數據將被存儲下來(lái)。當用戶(hù)啟動(dòng)查詢(xún)功能時(shí)，智能顯示終端將調用這些數據，并進(jìn)行分析計算，將各種類(lèi)型的用電信息顯示出來(lái)。

2 功能簡(jiǎn)介

1 實(shí)時(shí)用電監控

2 用電器的預啟動(dòng)和預關(guān)閉

3 限時(shí)供電

4 限功率供電

5 溫度監控

6 故障報警

7 短信遠程操控

8 本地觸摸屏操控

9 各種類(lèi)型的查詢(xún)功能。包括月用電，日用電，時(shí)段用電，任意時(shí)段累計用電，以及任一單個(gè)用電器的用電情況。

10 人性化的觸摸屏操作和語(yǔ)音輸出

三．項目技術(shù)方案

1 系統構成

本系統設備主要由三部分組成：手機，智能顯示終端，智能插座。如圖1.1所示。

圖1.1 系統示意圖

1.1 系統結構

本系統設備主要由三部分組成：手機，智能顯示終端，智能插座。

根據戶(hù)主的是否在家，設計了兩種方式進(jìn)行控制。

1 手機短信。這種方式主要針對戶(hù)主出差在外的情況而設計，便于遠程操控。手機可向智能顯示終端下發(fā)命令，智能顯示終端接收到命令后，對命令進(jìn)行解碼并向各個(gè)智能插座下發(fā)命令。智能插座接收到控制命令后，執行對應操作，并將執行結果反饋至智能顯示終端，智能顯示終端再將接收到的信息發(fā)送給手機。

2 本地觸摸屏。這種方式針對戶(hù)主居家的情況而設計。戶(hù)主可直接在觸摸屏上完成相應操作，根據界面提示，進(jìn)行操控。

其中智能顯示終端和手機通過(guò)GSM模塊進(jìn)行通訊，智能顯示終端和智能插座之間通過(guò)Zigbee進(jìn)行數據通訊。

系統框圖如圖1.2所示：

圖1.2 系統總體框圖

1.2 功能描述

1通過(guò)該系統可以實(shí)現對家電的實(shí)時(shí)監控，定時(shí)啟動(dòng)，限功率供電等重要功能，輕松對各個(gè)房間的用電設備進(jìn)行管理。

2 通過(guò)智能插座和在智能顯示終端的無(wú)線(xiàn)通信，用戶(hù)可以查看家中每個(gè)用電設備的詳細用電信息。用戶(hù)可以對每個(gè)設備的每月，每天，甚至某個(gè)時(shí)段的用電量進(jìn)行查詢(xún)。

3本地遠程操作。即便是出差在外也能對家中的用電情況了如指掌。各部分實(shí)現的功能如圖1.3所示：

圖1.3 系統功能框圖

2 關(guān)鍵模塊分析

本設計擬采用Digilent Cerebot™ 32MX4開(kāi)發(fā)板的32位控制芯片。Cerebot 32MX4的主要特點(diǎn)是具有一個(gè)全新Microchip® PIC32™微控制器。PIC32可提供工作頻率80MHz的32位MIPS處理器內核、512KB的編程FLASH、32KB的RAM內存以及眾多的外圍設備，包括USB控制器、定時(shí)器/計數器、串口控制器、A/D轉換器以及更多的設備。

該板具有大量的I/O接口可以滿(mǎn)足本系統的需求，另外USB電源，以及與Microchip MPLAB開(kāi)發(fā)軟件相兼容的內置編程使得調試電路非常方便。

本系統中RTCC和AD電路采用單片機內置的模塊，無(wú)需單獨設計，下面就其他模塊的軟硬件設計進(jìn)行分析。

2.1 GSM模塊分析

2.1.1 硬件設計

GSM的短信息業(yè)務(wù)SMS利用信令信道傳輸，提供了一種有保證的雙向服務(wù)，這是GSM通信網(wǎng)所特有的。它不用撥號建立連接，把要發(fā)的信息加上目的地址發(fā)送到短消息服務(wù)中心，經(jīng)服務(wù)中心完成存儲后再發(fā)送給最終的信宿。所以即使當目的GSM終端沒(méi)開(kāi)機時(shí)信息也不會(huì )丟失。發(fā)送方發(fā)出一條短消息后，得到一條傳遞成功或失敗的消息，以及不可到達的原因。每個(gè)短消息的信息量限制為140字節。

目前GSM芯片和GSM收發(fā)模塊的技術(shù)已經(jīng)比較成熟，市場(chǎng)上也已經(jīng)有現成的模塊可供選用。這些芯片和模塊一般都具備GSM無(wú)線(xiàn)通信的全部功能，提供標準的RS一232接口，支持GSM07.05所定義的AT命令集的指令，很容易實(shí)現系統的集成，二次開(kāi)發(fā)也比較方便，本設計選擇了一款性?xún)r(jià)比較高的西門(mén)子MC39i無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊。

MC39i是西門(mén)子的新一代雙頻GSM/GPRS無(wú)線(xiàn)模塊，是目前使用廣泛的MC39i模塊的環(huán)保型升級換代產(chǎn)品。它采用緊湊型設計，為用戶(hù)提供了簡(jiǎn)單、內嵌式的無(wú)線(xiàn)連接。MC39i有豐富的AT命令，功能強大，操作靈活方便，是傳統調制解調器與GSM無(wú)線(xiàn)移動(dòng)通信系統相結合的一種數據終端設備。該模塊集射頻電路和基帶于一體，向用戶(hù)提供標準的AT命令接口，為傳輸數據、語(yǔ)音、短消息、和傳真提供快速、可靠、安全的傳輸，方便用戶(hù)的應用開(kāi)發(fā)及設計。

主要性能：

n 支持EGSM900/GSM1800雙頻；

n 適用于GSM2/2+；

n 輸出功率：功率級4(2W)，EGSM900；功率級1(IW)，GSM1800；

n 數據傳輸GPRS模式；

n 最大下行傳輸速率85.6kbps；

n 最大上行傳輸速率42.8kbps；

n 標準RS232雙向接口；

n AT命令控制；

n 電源電壓為單一電壓3.3～4.8V；

n 電流消耗：3.0 mA（睡眠）、10.0 mA（閑置）

MC39i模塊內部框圖如圖2.1所示，從功能上看主要由四部分組成：GSM基帶處理器、GSM射頻部分、電源、存儲器。GSM基帶處理器是整個(gè)模塊的核心，它由一個(gè)C166CPU和一個(gè)DSP處理器內核控制著(zhù)模塊內各種信號的傳輸、轉換、放大等處理過(guò)程。GSM射頻部分是一個(gè)單片收發(fā)器，它由一個(gè)外差式接收器、上變頻調制環(huán)路發(fā)送器、一個(gè)射頻鎖相環(huán)路和一個(gè)全集成中頻合成器4個(gè)功能塊組成，共同完成對射頻信號的接收和發(fā)送等處理。

圖2.1 Mc39i結構框圖

該模塊主要硬件設計包括下面兩部分。

1 用戶(hù)識別卡（SIM卡）。

Mc39i的基帶處理器集成了一個(gè)與ISO 7816-3 IC Card標準兼容的SIM接口。為了適合外部的SIM接口，該接口通過(guò)ZIF連接器連接到Mc39i的第24～29引腳。Mc39i在ZIF連接器上為SIM卡接口預留了6個(gè)引腳，所添加的CCIN引腳用來(lái)檢測SIM卡支架中是否插有SIM卡。當插入SIM卡，該引腳置為高電平，系統方可進(jìn)入正常工作狀態(tài)。

2 SYNC信號及電路設計。

在本電路設計中利用SYNC信號來(lái)控制一個(gè)狀態(tài)燈以檢測MC39i模塊當前處于何種狀態(tài)。由于MC39i模塊SYNC引腳輸出的驅動(dòng)能力不夠，所以設計采用一個(gè)三極管對輸入電流進(jìn)行放大以提高驅動(dòng)能力。

部分硬件設計圖如下：

圖2.2 SYNC信號原理圖

圖2.3 SIM卡接口

圖2.4 GSM部分硬件框圖

2.1.2 軟件設計

SMS短消息采用AT命令的PDU ModePDU模式是發(fā)送或接收手機SMS信息的一種方法，PDU串表面上是一串ASCII碼，由‘0’～‘9’、‘A’～‘F’這些數字和字母組成。它們是8位字節的十六進(jìn)制數，或者BCD碼十進(jìn)制數。PDU串不僅包含可顯示的消息本身，還包含很多其它信息，如SMS服務(wù)中心號碼、目標號碼、回復號碼、編碼方式和服務(wù)時(shí)間等。短信息正文經(jīng)過(guò)十六進(jìn)制編碼后被傳送出去。

PDU相當于一個(gè)數據包，它由構成消息(SMS)的信息組成。作為一種數據單一元，它必須包含源／目的地址、保護(有效)時(shí)間、數據格式、協(xié)議類(lèi)型和正文，正文長(cháng)度可達140字節，它們都以十六進(jìn)制表示。PDU結構根據短消息由移動(dòng)終端發(fā)起或以移動(dòng)終端為目的而不同。

1 移動(dòng)終端發(fā)起時(shí)，PDU的格式為：

SMSC PDU類(lèi)型脈DA PID DCS VP UDL UD(0~1400cted)

2 移動(dòng)終端為目的時(shí)，PDU的格式為：

SMSC PDU類(lèi)型OA PID DCS SCTS UDL LID(0~400cted)

其中，SMSC為短消息業(yè)務(wù)中心地址，DA／OA為源／目的地址，PID為協(xié)議識別，DCS為數據編碼，UDL為用戶(hù)數據長(cháng)度，UD為用戶(hù)數據，VP為有效時(shí)間，LID指明是發(fā)出信息，SCTS指明短消息到達業(yè)務(wù)中心的時(shí)間。

本系統中發(fā)送的短消息包含中文漢字和數字，所以選擇PDU串的用戶(hù)信息編碼方式TP-DCS是08，表示UCS2編碼方式，UCS2編碼是將每個(gè)字符(1-2個(gè)字節)按照ISO／IECl0646的規定，轉變?yōu)?6位的Unicode寬字符。但在GSM標準中，中文編碼采用UTF一8的編碼方式，不是目前國內常用的GB一2312編碼，故還需要進(jìn)行中文編碼的轉換，才能與采用GB-2313漢字庫相配合顯示漢字字型。由于UTF-8和GB-2312編碼之間不存在一一對應的線(xiàn)性關(guān)系，因此只能采用查表的方式進(jìn)行轉換。

在消息發(fā)送前，要將消息中ASCII字符及漢字統一編碼成UCS2碼，以PDU數據包的形式發(fā)送。接收到的數據是以7b的編碼形式存儲在Mc39i模塊或SIM卡內，在數據讀取時(shí)直接從Mc39i模塊中得到符合GSM規范的數據，需經(jīng)過(guò)提取得到7b編碼的有用數據。然而，這些7b編碼數據是以ASCII字符的形式存在的，要轉換成8位的十六進(jìn)制形式的7b編碼，再解碼成可用的ASCII碼數據，這樣得到GSM網(wǎng)絡(luò )發(fā)送來(lái)的原始數據，如圖2.5所示。

圖2.5 SMS數據傳輸過(guò)程

MC39i開(kāi)機后首先選擇端口，然后檢查SIM是否插入，成功檢測到SIM卡后即可啟動(dòng)串口發(fā)送，并點(diǎn)亮狀態(tài)燈。接著(zhù)設置短消息中心，并進(jìn)行連接測試，連接成功后發(fā)送開(kāi)機成功短信到主控器。如果以上步驟沒(méi)有執行成功，則轉向出錯處理。Mc39i模塊工作流程圖如圖2.6所示。

圖2.6 Mc39i工作流程圖

2.2 Zigbee通訊模塊分析

Zigbee是一種低速短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，是一種拓展性強、易布建的低成本無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，低耗電、雙向傳輸，適合用于自動(dòng)控制和遠程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設備，如今已被廣泛應用于家庭自動(dòng)化領(lǐng)域。

Zigbee技術(shù)有以下特點(diǎn)：

n 省電。由于工作周期很短、收發(fā)信息功耗較低，并且采用了休眠模式。

n 時(shí)延短。設備搜索時(shí)延典型值為30 ms，休眠激活時(shí)延典型值15 ms，活動(dòng)設備信道接入時(shí)延為15 ms。

n 節點(diǎn)通信設置易于配置。

n 近距離。傳輸范圍一般介于10～100 m 之間。

n 網(wǎng)絡(luò )容量大。Zigbee可以采用星形、網(wǎng)狀、串狀結構組網(wǎng)，而且可以通過(guò)任一節點(diǎn)連接組成更大的網(wǎng)絡(luò )結構。

n 安全。Zigbee提供了數據完整性檢查和鑒權功能，加密算法采用AES128，同時(shí)各個(gè)應用可以靈活確定其安全屬性。

n 全球通用性和完好的開(kāi)放性。Zigbee標準協(xié)議，使Zigbee設備間的通信成為輕而易舉的事情。

本系統中智能插座和智能終端需要進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通訊，雙向傳輸命令或數據，進(jìn)而控制家電，而Zigbee這種低功耗，低成本的無(wú)線(xiàn)方式，符合家居系統節能理念。Zigbee的數據的傳輸量不大，而我們的指令數據也是簡(jiǎn)短的數據包，足以滿(mǎn)足需求。另外，Zigbee安全，開(kāi)放的協(xié)議方式使得在此基礎上進(jìn)行設備擴充變得簡(jiǎn)單易行，這也為智能家居的多元化的發(fā)展奠定了基礎。

2.2.1 硬件設計

該系統由多個(gè)終端節點(diǎn)(智能插座)決定檢測區域的范圍，各終端節點(diǎn)監測到的用電數據通過(guò)自組織的多跳路網(wǎng)絡(luò )傳送至智能顯示終端進(jìn)行處理。從短信平臺或觸摸屏發(fā)送的命令通過(guò)智能顯示終端的分析解碼，在由此廣播傳送至每個(gè)智能插座。

1、芯片選型

本方案采用CC2430為核心構造數據采集節點(diǎn)，只需要在CC2430芯片外接少量晶振、電容、電阻等無(wú)源器件，不僅能夠滿(mǎn)足整個(gè)系統的數據采集、無(wú)線(xiàn)通信等功能的需求，而且具有功耗低，電路簡(jiǎn)單，節點(diǎn)體積小以及成本低廉等優(yōu)勢。

2、組網(wǎng)結構

Zigbee網(wǎng)絡(luò )支持星狀，樹(shù)狀和網(wǎng)狀三種網(wǎng)絡(luò )拓撲結構。

星狀網(wǎng)絡(luò )由一個(gè)ZigBee協(xié)調器和多個(gè)終端設備組成，只存在ZigBee協(xié)調器與終端設備之問(wèn)的通訊，終端設備間不能直接通信，都需要通過(guò)ZigBee協(xié)調器的轉發(fā)；樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò )由一個(gè)ZigBee協(xié)調器和多個(gè)星狀結構連接而成，靈活度高于星狀拓撲結構；網(wǎng)狀結構最為完善，任何網(wǎng)絡(luò )中的節點(diǎn)均可互聯(lián)，通訊量也最大，但是會(huì )造成存儲空間開(kāi)銷(xiāo)過(guò)大。

考慮到本系統的設備數量不多，網(wǎng)絡(luò )復雜度不高，因此擬采用較為經(jīng)濟適用的星狀結構。

本系統中智能顯示終端為協(xié)調器（即主節點(diǎn)），智能插座為設備終端（即子節點(diǎn)）。硬件框圖如圖2.7所示：

圖2.7節點(diǎn)硬件設計框圖

2.2.2 軟件設計

Zigbee的數據傳輸方式有幀模式與流模式兩種。幀模式是通過(guò)片上RAM來(lái)緩存處理的，而流模式則是通過(guò)數據寄存器來(lái)進(jìn)行單個(gè)字節處理的。系統設計采用可變幀長(cháng)的幀格式。一個(gè)完整的滿(mǎn)足1EEE 802.15.4規范的協(xié)議幀至少要包含9個(gè)字節的數據。同步頭包括4個(gè)字節的幀前導字節(Preamble)和1個(gè)字節的幀開(kāi)始標志SFD(Start of Frame Delimiter)、1個(gè)字節的幀長(cháng)度標志FLI(Frame Length Indicator)、l～125個(gè)字節的數據凈荷(Payload Data)、1個(gè)字節的幀校驗(FCS)組成的，具體格式如下表所示：

本監控系統中的智能插座是網(wǎng)絡(luò )中的子節點(diǎn)，智能顯示終端是網(wǎng)絡(luò )中的協(xié)調器（即主節點(diǎn)）。

1、主節點(diǎn)設計。智能顯示終端首先初始化，開(kāi)中斷，然后格式化當前的網(wǎng)絡(luò )子節點(diǎn)。監測zigbee信號，看當前是否有新的節點(diǎn)加入。若有，則為其分配網(wǎng)絡(luò )地址。然后，檢測并接收智能插座送過(guò)來(lái)的數據信息，并把命令解析出來(lái)執行相應操作。

2、子節點(diǎn)設計。子節點(diǎn)首先初始化CC2430和zigBee協(xié)議棧，然后發(fā)送網(wǎng)絡(luò )信號，等待網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器響應并給自己分配網(wǎng)絡(luò )地址。智能插座檢測當前狀態(tài)，并將數據打包發(fā)送到智能顯示終端，如果發(fā)送成功，智能插座進(jìn)入空閑狀態(tài)，否則重新向智能顯示終端提交一次信息。

Zigbee網(wǎng)絡(luò )的主節點(diǎn)、子節點(diǎn)軟件設計流程如圖2.8所示。

圖2.8 節點(diǎn)軟件設計流程圖

2.3 語(yǔ)音輸出模塊

語(yǔ)音輸出模塊實(shí)現菜單操作和用電異常過(guò)程中的報警功能，考慮到系統只需要輸出語(yǔ)音，這里我們采用中青世紀科技公司PM50SS50，該芯片由專(zhuān)用的語(yǔ)音單片機和FLASH RAM存儲器集合構成，它有50秒的128段語(yǔ)音播放功能，可選擇PWM和DAC兩種音頻輸出方式，PWM方式可直接驅動(dòng)喇叭，單片機可以方便的串行或者并行控制PM50SS50播放內部的語(yǔ)音。

本設計中采用串行控制的方式，選用DAC方式輸出音頻，再經(jīng)過(guò)音頻功率放大器，即可輸出語(yǔ)音。PM50SS50的引腳圖如圖2.9所示。

圖2.9 PM50SS50引腳圖

串行模式下最大可分128段，K1為數據端，K2為時(shí)鐘端，OUT1為忙信號端。時(shí)鐘上升沿時(shí)數據端有效。語(yǔ)音段的地址為80H~FFH，第一段的地址是80H，按順序排列，共128段語(yǔ)音。外部單片機直接送入要播放的段號數據，播放，結束時(shí)PM50的忙信號拉低，在判斷一段語(yǔ)音結束時(shí)，外部單片機再送下一段語(yǔ)音的段號。

本設計中涉及語(yǔ)音包括報警提示和語(yǔ)音菜單提醒。設計采用數字錄音技術(shù)，工作前先將系統用到的語(yǔ)音輸出內容通過(guò)麥克風(fēng)錄入電腦，然后將數字化后的語(yǔ)音通過(guò)下載器分別存入PM50SS50的FLASH中。當需要語(yǔ)音輸出時(shí)，只需將要輸出內容所對應的段碼通過(guò)串行方式發(fā)送給PM50SS50，PM50SS50將輸出對應的模擬語(yǔ)音信號，再通過(guò)功率放大器由揚聲器輸出。

2.4 觸摸屏模塊

觸摸屏分電容式和電阻式兩種，考慮到電容式觸摸屏的功能原理是基于電容的測量，而當環(huán)境溫度、濕度，或者環(huán)境電場(chǎng)發(fā)生改變時(shí)，都會(huì )引起電容屏的漂移，容易造成誤操作，因此本設計采用電阻式觸摸屏，采用LCD彩色液晶顯示。

彩色液晶觸摸屏可以顯示字符圖形及漢字，簡(jiǎn)單易用，界面友好，作為智能顯示終端的人機交互界面非常合適。

2.4.1 硬件設計

Microchip公司特別針對PIC32MX系列還開(kāi)發(fā)了圖形軟件庫。該軟件可以方便地把各種語(yǔ)言、各種字體的文字以及位圖格式的圖片轉化為能夠在軟件中直接使用的數組矩陣，極大地方便了用戶(hù)。本設計使用單片機的并行接口模塊，按照8080時(shí)序驅動(dòng)SSDl926芯片，實(shí)現數據輸入/輸出、數據存儲、數據處理及傳輸等功能。

SSDl926是一款中小規模的顯示控制芯片，支持SRAM接口與ARM系列連接、ISA接口與NEC系列連接外，還支持8/16位8080時(shí)序間接尋址方式，能夠方便地與各種具有并口的MCU連接。

單片機通用I/O口可模擬控制信號的時(shí)序，數據總線(xiàn)也可直連。SSD1926對接收到的數據進(jìn)行處理之后，再通過(guò)與LCD的接口驅動(dòng)彩色液晶屏即可進(jìn)行顯示。

硬件框圖如圖2.10所示。

圖2.10觸摸屏驅動(dòng)接口框圖

2.4.2 軟件設計

智能顯示終端能直接控制所有家電的工作，因此信號輸入的準確性至關(guān)重要，然而A/D采樣信號為模擬量輸入，還是易到現場(chǎng)環(huán)境的電磁干擾。為了避免誤動(dòng)作，我們擬設計了抗干擾算法。

本算法中首先對X相電壓進(jìn)行兩次采樣，每次采樣過(guò)程中都要檢驗相電壓是否為零（即是否存在輸入），然后將兩次采樣的結果進(jìn)行比較，當發(fā)現采集到的X相電壓不相等時(shí)，說(shuō)明是誤動(dòng)作，程序將不予理睬，將相電壓視為零。在X相電壓滿(mǎn)足輸入后，再對Y相電壓進(jìn)行同樣的處理，只有在兩次比較之后得到穩定電壓的情況下，程序才將這次輸入為有效輸入，再執行相應功能。具體流程見(jiàn)圖2.11。

用戶(hù)的輸入操作完全只需點(diǎn)擊屏幕，當相應事件觸發(fā)時(shí)，系統就會(huì )根據輸入自動(dòng)判斷，進(jìn)而更新界面，提醒用戶(hù)，然后調用子函數，執行相應操作。

程序首先對SSD1926進(jìn)行初始化，然后進(jìn)入坐標檢測狀態(tài)，當執行預處理算法并發(fā)現有坐標變化時(shí)，程序進(jìn)入消息處理模式，然后調用已存圖片建立新的頁(yè)面，相應的子函數功能程序也將被調用，從而完成了一次程序響應。觸摸屏的主流程圖見(jiàn)圖2.12。

圖2.11 抗干擾算法流程圖

圖2.12 觸摸屏主程序流程圖

2.5 電源模塊

由于本設計中的智能顯示終端在家庭環(huán)境中一般固定安放，故采用外接電源供電。但是考慮到通過(guò)穩壓電源的電壓在市電不穩（如浪涌，雷擊）的情況下，可能會(huì )發(fā)生波動(dòng)，因此加入了穩壓芯片進(jìn)一步穩定電壓。采用9V外接電源加LM1117，能穩定輸出3.3V的電壓，穩壓電源設計原理圖見(jiàn)圖2.13。

另外，市電供電異常時(shí)，系統將無(wú)電源輸入，從而影響程序正常工作，丟失數據，嚴重影響系統的正常運行。因此，本設計對電源模塊采取冗余措施，使用穩壓電源加電池供電的雙電源供電方案。在斷電時(shí)，智能終端將自動(dòng)切換到電池供電方式，保證系統的正常運行。

對于冗余方案，本設計擬采用TI公司的TPS2421，該芯片采用大功率的MOSFET管來(lái)阻斷不同電源和負載直接的連接，MOSFET的導通內阻可以到幾mΩ，能大大降低壓降損耗，無(wú)需散熱器，可節省電路板面積。雙路電源以并聯(lián)方式接入，正常情況下可同時(shí)對負載進(jìn)行供電，當斷電引起穩壓電源掉電時(shí)，系統自動(dòng)切換到電池供電模式，而由于MOSFET的反相高阻特性，穩壓電源不會(huì )受到反向沖擊電壓的影響。當市電恢復供電后，系統再次進(jìn)入雙電源供電模式，從而實(shí)現了電源的不間斷供電。冗余電源設計原理圖見(jiàn)圖2.14。

圖2.13 穩壓電源設計原理圖

圖2.14 冗余電源設計原理圖

3 智能插座

隨著(zhù)智能電網(wǎng)的發(fā)展，電表成為家庭用電的智能終端已是大勢所趨。插座作為用電設備控制的最基本單元，將會(huì )起到越來(lái)越重要的作用，因此本設計中的智能插座，嵌入了單片機，實(shí)現電能測量和數據通訊，智能控制等功能。

3.1 硬件設計

通過(guò)電壓采集，電流采集和溫度采集對用電設備的工作電壓、工作電流以及插座內部環(huán)境溫度進(jìn)行監測，并在LCD上實(shí)時(shí)顯示，以便實(shí)時(shí)讀取信息。此外，設計中嵌入了Zigbee模塊，能與智能顯示終端實(shí)時(shí)通訊，將用電異常信息和控制執行結果反饋給智能顯示終端，實(shí)現數據的雙向傳輸。

當發(fā)現過(guò)電壓，過(guò)電流，過(guò)功率或者內部溫度過(guò)高等異常情況時(shí)，處理器將控制繼電器動(dòng)作，斷開(kāi)該路電源，并發(fā)送異常信息給智能終端。智能終端以短信的方式告知用戶(hù)。當收到智能顯示終端的預啟動(dòng)和預關(guān)閉命令時(shí)，智能插座也將執行相應動(dòng)作，并將執行結果反饋給智能顯示終端。

系統的整體框圖如圖3.1所示。

圖3.1 系統整體框圖

溫度測量使用DS1624，電壓電流采樣使用低成本的電阻網(wǎng)絡(luò )法，采集信息由液晶1602顯示，Zigbee無(wú)線(xiàn)通訊模塊在上一章已經(jīng)介紹，下面詳述電源供電方案設計。

對于智能插座，顯然外接穩壓電源的方式，已經(jīng)不再適用。為減少連線(xiàn)以兼容傳統插座外觀(guān)，必須從火線(xiàn)和零線(xiàn)中取電，得到滿(mǎn)足單片機和各個(gè)子模塊的供電電壓。傳統的取電方法是通過(guò)變壓器隔離加穩壓芯片，但考慮到變壓器的體積過(guò)大，影響智能插座的外觀(guān)和實(shí)用性，因此本設計擬選用一種簡(jiǎn)單可靠的阻容降壓法，可以滿(mǎn)足系統需求。市電通過(guò)電容C1的阻抗分壓，然后D1和D2構成半波整流電路，穩壓二極管D3得到的浮動(dòng)直流電壓，經(jīng)過(guò)LM317的線(xiàn)性穩壓后能得到穩定的5V輸出。硬件電路如圖3.2所示。

圖3.2 阻容電源設計原理圖

4 軟件總體流程

本系統智能顯示終端和智能插座中各嵌入了單片機，其中智能顯示終端中為主控單片機，智能插座中為從控單片機，因此，需要分別對二者進(jìn)行軟件設計。

4.1主控單片機軟件設計

1 主程序設計。程序開(kāi)始后，主控單片機首先需要對管理的各個(gè)模塊，以及IO口進(jìn)行初始化配置，然后進(jìn)入監測狀態(tài)。單片機將不斷讀取從智能插座傳送過(guò)來(lái)的用電信息，并保存到自己的RAM中。RAM中會(huì )預留一段存儲空間來(lái)保存用電信息，當用電信息超過(guò)RAM空間時(shí)，數據將刷新一次，覆蓋原有數據空間。然后，單片機判斷是否有來(lái)自上方GSM的短信指令，若有，則執行短信接收命令，進(jìn)入串口中斷接收狀態(tài)。接著(zhù)，單片機判斷觸摸屏是否有輸入，若有，執行觸屏操作程序。最后單片機判斷是否有來(lái)自下方智能插座的反饋信息，若有，則將該信息編碼發(fā)送至GSM模塊，否則進(jìn)入下一次循環(huán)。

2 串口中斷設計。串口中斷首先接收完整的短信指令，然后進(jìn)行短信解析，從中提取用戶(hù)的短信信息。然后分析指令內容，根據不同的指令執行相應功能。

3 定時(shí)器中斷。定時(shí)器中斷配合串口進(jìn)行數據接收，以防傳輸數據鎖死。當在指定時(shí)間段內沒(méi)有接收到數據時(shí)，定時(shí)器中斷將結束本次接收任務(wù)。

主控單片機的流程圖如圖4.1所示。

圖4.1 主控單片機程序流程圖

4.2從控單片機軟件設計

1 主程序設計。從控單片機首先對其外圍模塊進(jìn)行初始化配置，然后檢查是否有上方下發(fā)的指令信號。若有，則進(jìn)入串口中斷處理，進(jìn)行指令的與解析和相關(guān)操作。若無(wú)，則開(kāi)始采集系統的溫度，電壓，電流等信息，并通過(guò)LCD進(jìn)行顯示。同時(shí)將這些信息上傳給智能顯示終端。

2 中斷處理程序設計。中斷處理程序主要是接收下發(fā)的指令，并進(jìn)行解析，通過(guò)判斷相應的指令內容，執行對應操作，并且將執行的操作結果上傳給智能顯示終端。

主控單片機的流程圖如圖4.2所示。

圖4.2 從控單片機程序流程圖

四．項目創(chuàng )新點(diǎn)

1 允許本地，遠程操作。智能顯示終端雖然能滿(mǎn)足居家的各種功能需求，但用戶(hù)肯定希望出差是也能隨時(shí)遙控家中電器。為了彌補家庭顯示終端的這一不足之處，我們設計了手機短信的方式，通過(guò)短信GSM方式控制用電器，解決了這一問(wèn)題。

2 實(shí)現單個(gè)用電器的用電分析。傳統的電表只能讀出用戶(hù)每月的總用電量。而用戶(hù)對自己究竟如何消費這筆電費根本沒(méi)有清晰的認識。本設計中通過(guò)智能插座對每個(gè)用電的用電情況進(jìn)行采集，然后用智能顯示終端進(jìn)行顯示，用戶(hù)可以清楚的了解到自家的用電結構，從而對以后的用電進(jìn)行和合理規劃。

3 圖形化的查詢(xún)結果。智能顯示終端能提供各種報表類(lèi)型的顯示結果。用戶(hù)無(wú)需從眼花繚亂的數字中尋找各類(lèi)數據，也無(wú)需對此分別進(jìn)行統計。智能顯示終端能夠呈現精簡(jiǎn)的畫(huà)面，

4 短信反饋。遠程控制時(shí)，智能插座所執行的每個(gè)動(dòng)作，都能以短信的方式反饋給手機，這樣用戶(hù)就能知道自己發(fā)送的命令是否成功執行，不用擔心用電器是否已正常工作。

5 分布式布局，集中式處理。智能顯示終端通過(guò)無(wú)線(xiàn)通訊將各智能插座聯(lián)系起來(lái)。這樣既能對所有的用電設備進(jìn)行統一的管理，又能對各個(gè)用電設備進(jìn)行逐一分析。