一.研究背景與意義

　　隨著智能電網(wǎng)理念的提出，基于家庭智能交互終端的電能計量和營銷方案已逐步形成，這意味著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提供了一種更加安全、舒適、方便、快捷和開放的智能化、信息化的生活空間，極大的方便了用戶。因此，組建一套以家庭交互終端為核心的家居控制系統(tǒng)，對智能電網(wǎng)的改造和實施有重大的意義。

　　但目前的家居智能化系統(tǒng)存在一個很大的局限，即只是實現(xiàn)了局部的智能化。而真正意義上的家居智能化則應(yīng)該是擁有一個集中的終端控制系統(tǒng)，通過該終端對家居的所有設(shè)備進(jìn)行智能化的控制和監(jiān)控，這也將是智能家居系統(tǒng)未來的發(fā)展方向。

　　本設(shè)計以MIPS公司的32位處理器為核心來組建智能顯示終端，并以具備無線通訊的智能插座為被控節(jié)點，搭建了一套簡易的智能家居控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可通過遠(yuǎn)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(tǒng)的構(gòu)成和實現(xiàn)方案，以及各模塊中涉及的關(guān)鍵問題進(jìn)行分析。

　　二.系統(tǒng)的構(gòu)成與工作原理

　　1 系統(tǒng)構(gòu)成與原理

　　本系統(tǒng)由手機，智能顯示終端，智能插座構(gòu)成。手機與智能顯示終端之間通過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?qū)崟r采集每個房間的用電信息，并將信息實時傳送到智能顯示終端。當(dāng)發(fā)現(xiàn)用電異常時，智能插座自動斷電并將執(zhí)行結(jié)果發(fā)送到智能顯示終端。智能顯示終端也將這一結(jié)果發(fā)送到用戶手機。

　　手機實現(xiàn)用戶的遠(yuǎn)程控制和信息接收。用戶外出時，通過手機發(fā)送的指令(如預(yù)啟動，預(yù)關(guān)閉，限時供電等)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(zhí)行動作都將通過智能顯示終端發(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(shù)據(jù)。智能顯示終端接受智能插座上傳的數(shù)據(jù)后，數(shù)據(jù)將被存儲下來。當(dāng)用戶啟動查詢功能時，智能顯示終端將調(diào)用這些數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分析計算，將各種類型的用電信息顯示出來。

　　2 功能簡介

　　1 實時用電監(jiān)控

　　2 用電器的預(yù)啟動和預(yù)關(guān)閉

　　3 限時供電

　　4 限功率供電

　　5 溫度監(jiān)控

　　6 故障報警

　　7 短信遠(yuǎn)程操控

　　8 本地觸摸屏操控

　　9 各種類型的查詢功能。包括月用電，日用電，時段用電，任意時段累計用電，以及任一單個用電器的用電情況。

　　10 人性化的觸摸屏操作和語音輸出

　　三.項目技術(shù)方案

　　1 系統(tǒng)構(gòu)成

　　本系統(tǒng)設(shè)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。

　　1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　本系統(tǒng)設(shè)備主要由三部分組成：手機，智能顯示終端，智能插座。

　　根據(jù)戶主的是否在家，設(shè)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主出差在外的情況而設(shè)計，便于遠(yuǎn)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)行解碼并向各個智能插座下發(fā)命令。智能插座接收到控制命令后，執(zhí)行對應(yīng)操作，并將執(zhí)行結(jié)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。這種方式針對戶主居家的情況而設(shè)計。戶主可直接在觸摸屏上完成相應(yīng)操作，根據(jù)界面提示，進(jìn)行操控。

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

　　系統(tǒng)框圖如圖1.2所示：

　　圖1.2 系統(tǒng)總體框圖

　　1.2 功能描述

　　1通過該系統(tǒng)可以實現(xiàn)對家電的實時監(jiān)控，定時啟動，限功率供電等重要功能，輕松對各個房間的用電設(shè)備進(jìn)行管理。

　　2 通過智能插座和在智能顯示終端的無線通信，用戶可以查看家中每個用電設(shè)備的詳細(xì)用電信息。用戶可以對每個設(shè)備的每月，每天，甚至某個時段的用電量進(jìn)行查詢。

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

　　圖1.3 系統(tǒng)功能框圖

　　2 關(guān)鍵模塊分析

　　本設(shè)計擬采用Digilent Cerebot? 32MX4開發(fā)板的32位控制芯片。Cerebot 32MX4的主要特點是具有一個全新Microchip? PIC32?微控制器。PIC32可提供工作頻率80MHz的32位MIPS處理器內(nèi)核、512KB的編程FLASH、32KB的RAM內(nèi)存以及眾多的外圍設(shè)備，包括USB控制器、定時器/計數(shù)器、串口控制器、A/D轉(zhuǎn)換器以及更多的設(shè)備。

　　該板具有大量的I/O接口可以滿足本系統(tǒng)的需求，另外USB電源，以及與Microchip MPLAB開發(fā)軟件相兼容的內(nèi)置編程使得調(diào)試電路非常方便。

　　本系統(tǒng)中RTCC和AD電路采用單片機內(nèi)置的模塊，無需單獨設(shè)計，下面就其他模塊的軟硬件設(shè)計進(jìn)行分析。

　　2.1 GSM模塊分析

　　2.1.1 硬件設(shè)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(dāng)目的GSM終端沒開機時信息也不會丟失。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(dá)的原因。每個短消息的信息量限制為140字節(jié)。

　　目前GSM芯片和GSM收發(fā)模塊的技術(shù)已經(jīng)比較成熟，市場上也已經(jīng)有現(xiàn)成的模塊可供選用。這些芯片和模塊一般都具備GSM無線通信的全部功能，提供標(biāo)準(zhǔn)的RS一232接口，支持GSM07.05所定義的AT命令集的指令，很容易實現(xiàn)系統(tǒng)的集成，二次開發(fā)也比較方便，本設(shè)計選擇了一款性價比較高的西門子MC39i無線收發(fā)模塊。

　　MC39i是西門子的新一代雙頻GSM/GPRS無線模塊，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(shè)計，為用戶提供了簡單、內(nèi)嵌式的無線連接。MC39i有豐富的AT命令，功能強大，操作靈活方便，是傳統(tǒng)調(diào)制解調(diào)器與GSM無線移動通信系統(tǒng)相結(jié)合的一種數(shù)據(jù)終端設(shè)備。該模塊集射頻電路和基帶于一體，向用戶提供標(biāo)準(zhǔn)的AT命令接口，為傳輸數(shù)據(jù)、語音、短消息、和傳真提供快速、可靠、安全的傳輸，方便用戶的應(yīng)用開發(fā)及設(shè)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(shù)據(jù)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(biāo)準(zhǔn)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(nèi)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基帶處理器是整個模塊的核心，它由一個C166CPU和一個DSP處理器內(nèi)核控制著模塊內(nèi)各種信號的傳輸、轉(zhuǎn)換、放大等處理過程。GSM射頻部分是一個單片收發(fā)器，它由一個外差式接收器、上變頻調(diào)制環(huán)路發(fā)送器、一個射頻鎖相環(huán)路和一個全集成中頻合成器4個功能塊組成，共同完成對射頻信號的接收和發(fā)送等處理。

　　圖2.1 Mc39i結(jié)構(gòu)框圖

　　該模塊主要硬件設(shè)計包括下面兩部分。

　　1 用戶識別卡(SIM卡)。

　　Mc39i的基帶處理器集成了一個與ISO 7816-3 IC Card標(biāo)準(zhǔn)兼容的SIM接口。為了適合外部的SIM接口，該接口通過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(yù)留了6個引腳，所添加的CCIN引腳用來檢測SIM卡支架中是否插有SIM卡。當(dāng)插入SIM卡，該引腳置為高電平，系統(tǒng)方可進(jìn)入正常工作狀態(tài)。

　　2 SYNC信號及電路設(shè)計。

　　在本電路設(shè)計中利用SYNC信號來控制一個狀態(tài)燈以檢測MC39i模塊當(dāng)前處于何種狀態(tài)。由于MC39i模塊SYNC引腳輸出的驅(qū)動能力不夠，所以設(shè)計采用一個三極管對輸入電流進(jìn)行放大以提高驅(qū)動能力。

　　部分硬件設(shè)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(shè)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(shù)字和字母組成。它們是8位字節(jié)的十六進(jìn)制數(shù)，或者BCD碼十進(jìn)制數(shù)。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(biāo)號碼、回復(fù)號碼、編碼方式和服務(wù)時間等。短信息正文經(jīng)過十六進(jìn)制編碼后被傳送出去。

　　PDU相當(dāng)于一個數(shù)據(jù)包，它由構(gòu)成消息(SMS)的信息組成。作為一種數(shù)據(jù)單一元，它必須包含源/目的地址、保護(hù)(有效)時間、數(shù)據(jù)格式、協(xié)議類型和正文，正文長度可達(dá)140字節(jié)，它們都以十六進(jìn)制表示。PDU結(jié)構(gòu)根據(jù)短消息由移動終端發(fā)起或以移動終端為目的而不同。

　　1 移動終端發(fā)起時，PDU的格式為：

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

　　2 移動終端為目的時，PDU的格式為：

　　SMSC PDU類型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(shù)據(jù)編碼，UDL為用戶數(shù)據(jù)長度，UD為用戶數(shù)據(jù)，VP為有效時間，LID指明是發(fā)出信息，SCTS指明短消息到達(dá)業(yè)務(wù)中心的時間。

　　本系統(tǒng)中發(fā)送的短消息包含中文漢字和數(shù)字，所以選擇PDU串的用戶信息編碼方式TP-DCS是08，表示UCS2編碼方式，UCS2編碼是將每個字符(1-2個字節(jié))按照ISO/IECl0646的規(guī)定，轉(zhuǎn)變?yōu)?6位的Unicode寬字符。但在GSM標(biāo)準(zhǔn)中，中文編碼采用UTF一8的編碼方式，不是目前國內(nèi)常用的GB一2312編碼，故還需要進(jìn)行中文編碼的轉(zhuǎn)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(yīng)的線性關(guān)系，因此只能采用查表的方式進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

　　在消息發(fā)送前，要將消息中ASCII字符及漢字統(tǒng)一編碼成UCS2碼，以PDU數(shù)據(jù)包的形式發(fā)送。接收到的數(shù)據(jù)是以7b的編碼形式存儲在Mc39i模塊或SIM卡內(nèi)，在數(shù)據(jù)讀取時直接從Mc39i模塊中得到符合GSM規(guī)范的數(shù)據(jù)，需經(jīng)過提取得到7b編碼的有用數(shù)據(jù)。然而，這些7b編碼數(shù)據(jù)是以ASCII字符的形式存在的，要轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)，這樣得到GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)送來的原始數(shù)據(jù)，如圖2.5所示。

　　圖2.5 SMS數(shù)據(jù)傳輸過程

　　MC39i開機后首先選擇端口，然后檢查SIM是否插入，成功檢測到SIM卡后即可啟動串口發(fā)送，并點亮狀態(tài)燈。接著設(shè)置短消息中心，并進(jìn)行連接測試，連接成功后發(fā)送開機成功短信到主控器。如果以上步驟沒有執(zhí)行成功，則轉(zhuǎn)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線通信技術(shù)，是一種拓展性強、易布建的低成本無線網(wǎng)絡(luò)，低耗電、雙向傳輸，適合用于自動控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備，如今已被廣泛應(yīng)用于家庭自動化領(lǐng)域。

　　Zigbee技術(shù)有以下特點：

　　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 時延短。設(shè)備搜索時延典型值為30 ms，休眠激活時延典型值15 ms，活動設(shè)備信道接入時延為15 ms。

　　n 節(jié)點通信設(shè)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(jié)構(gòu)組網(wǎng)，而且可以通過任一節(jié)點連接組成更大的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

　　n 安全。Zigbee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，加密算法采用AES128，同時各個應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。

　　n 全球通用性和完好的開放性。Zigbee標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，使Zigbee設(shè)備間的通信成為輕而易舉的事情。

　　本系統(tǒng)中智能插座和智能終端需要進(jìn)行無線通訊，雙向傳輸命令或數(shù)據(jù)，進(jìn)而控制家電，而Zigbee這種低功耗，低成本的無線方式，符合家居系統(tǒng)節(jié)能理念。Zigbee的數(shù)據(jù)的傳輸量不大，而我們的指令數(shù)據(jù)也是簡短的數(shù)據(jù)包，足以滿足需求。另外，Zigbee安全，開放的協(xié)議方式使得在此基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)備擴充變得簡單易行，這也為智能家居的多元化的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

　　2.2.1 硬件設(shè)計

　　該系統(tǒng)由多個終端節(jié)點(智能插座)決定檢測區(qū)域的范圍，各終端節(jié)點監(jiān)測到的用電數(shù)據(jù)通過自組織的多跳路網(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)送的命令通過智能顯示終端的分析解碼，在由此廣播傳送至每個智能插座。

　　1、芯片選型

　　本方案采用CC2430為核心構(gòu)造數(shù)據(jù)采集節(jié)點，只需要在CC2430芯片外接少量晶振、電容、電阻等無源器件，不僅能夠滿足整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、無線通信等功能的需求，而且具有功耗低，電路簡單，節(jié)點體積小以及成本低廉等優(yōu)勢。

　　2、組網(wǎng)結(jié)構(gòu)

　　Zigbee網(wǎng)絡(luò)支持星狀，樹狀和網(wǎng)狀三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

　　星狀網(wǎng)絡(luò)由一個ZigBee協(xié)調(diào)器和多個終端設(shè)備組成，只存在ZigBee協(xié)調(diào)器與終端設(shè)備之問的通訊，終端設(shè)備間不能直接通信，都需要通過ZigBee協(xié)調(diào)器的轉(zhuǎn)發(fā);樹狀網(wǎng)絡(luò)由一個ZigBee協(xié)調(diào)器和多個星狀結(jié)構(gòu)連接而成，靈活度高于星狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu);網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)最為完善，任何網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點均可互聯(lián)，通訊量也最大，但是會造成存儲空間開銷過大。

　　考慮到本系統(tǒng)的設(shè)備數(shù)量不多，網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度不高，因此擬采用較為經(jīng)濟適用的星狀結(jié)構(gòu)。

　　本系統(tǒng)中智能顯示終端為協(xié)調(diào)器(即主節(jié)點)，智能插座為設(shè)備終端(即子節(jié)點)。硬件框圖如圖2.7所示：

　　圖2.7節(jié)點硬件設(shè)計框圖

　　2.2.2 軟件設(shè)計

　　Zigbee的數(shù)據(jù)傳輸方式有幀模式與流模式兩種。幀模式是通過片上RAM來緩存處理的，而流模式則是通過數(shù)據(jù)寄存器來進(jìn)行單個字節(jié)處理的。系統(tǒng)設(shè)計采用可變幀長的幀格式。一個完整的滿足1EEE 802.15.4規(guī)范的協(xié)議幀至少要包含9個字節(jié)的數(shù)據(jù)。同步頭包括4個字節(jié)的幀前導(dǎo)字節(jié)(Preamble)和1個字節(jié)的幀開始標(biāo)志SFD(Start of Frame Delimiter)、1個字節(jié)的幀長度標(biāo)志FLI(Frame Length Indicator)、l～125個字節(jié)的數(shù)據(jù)凈荷(Payload Data)、1個字節(jié)的幀校驗(FCS)組成的，具體格式如下表所示：

　　本監(jiān)控系統(tǒng)中的智能插座是網(wǎng)絡(luò)中的子節(jié)點，智能顯示終端是網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器(即主節(jié)點)。

　　1、主節(jié)點設(shè)計。智能顯示終端首先初始化，開中斷，然后格式化當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)子節(jié)點。監(jiān)測zigbee信號，看當(dāng)前是否有新的節(jié)點加入。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來的數(shù)據(jù)信息，并把命令解析出來執(zhí)行相應(yīng)操作。

　　2、子節(jié)點設(shè)計。子節(jié)點首先初始化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(diào)器響應(yīng)并給自己分配網(wǎng)絡(luò)地址。智能插座檢測當(dāng)前狀態(tài)，并將數(shù)據(jù)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(jié)點、子節(jié)點軟件設(shè)計流程如圖2.8所示。

　　圖2.8 節(jié)點軟件設(shè)計流程圖

　　2.3 語音輸出模塊

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

　　本設(shè)計中采用串行控制的方式，選用DAC方式輸出音頻，再經(jīng)過音頻功率放大器，即可輸出語音。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(shù)據(jù)端，K2為時鐘端，OUT1為忙信號端。時鐘上升沿時數(shù)據(jù)端有效。語音段的地址為80H~FFH，第一段的地址是80H，按順序排列，共128段語音。外部單片機直接送入要播放的段號數(shù)據(jù)，播放，結(jié)束時PM50的忙信號拉低，在判斷一段語音結(jié)束時，外部單片機再送下一段語音的段號。

　　本設(shè)計中涉及語音包括報警提示和語音菜單提醒。設(shè)計采用數(shù)字錄音技術(shù)，工作前先將系統(tǒng)用到的語音輸出內(nèi)容通過麥克風(fēng)錄入電腦，然后將數(shù)字化后的語音通過下載器分別存入PM50SS50的FLASH中。當(dāng)需要語音輸出時，只需將要輸出內(nèi)容所對應(yīng)的段碼通過串行方式發(fā)送給PM50SS50，PM50SS50將輸出對應(yīng)的模擬語音信號，再通過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(dāng)環(huán)境溫度、濕度，或者環(huán)境電場發(fā)生改變時，都會引起電容屏的漂移，容易造成誤操作，因此本設(shè)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(shè)計

　　Microchip公司特別針對PIC32MX系列還開發(fā)了圖形軟件庫。該軟件可以方便地把各種語言、各種字體的文字以及位圖格式的圖片轉(zhuǎn)化為能夠在軟件中直接使用的數(shù)組矩陣，極大地方便了用戶。本設(shè)計使用單片機的并行接口模塊，按照8080時序驅(qū)動SSDl926芯片，實現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入/輸出、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理及傳輸?shù)裙δ堋?/p>

　　SSDl926是一款中小規(guī)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序，數(shù)據(jù)總線也可直連。SSD1926對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理之后，再通過與LCD的接口驅(qū)動彩色液晶屏即可進(jìn)行顯示。

　　硬件框圖如圖2.10所示。

　　圖2.10觸摸屏驅(qū)動接口框圖

　　2.4.2 軟件設(shè)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(zhǔn)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(xiàn)場環(huán)境的電磁干擾。為了避免誤動作，我們擬設(shè)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(jié)果進(jìn)行比較，當(dāng)發(fā)現(xiàn)采集到的X相電壓不相等時，說明是誤動作，程序?qū)⒉挥枥聿?，將相電壓視為零。在X相電壓滿足輸入后，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(wěn)定電壓的情況下，程序才將這次輸入為有效輸入，再執(zhí)行相應(yīng)功能。具體流程見圖2.11。

　　圖2.11 抗干擾算法流程圖

　　用戶的輸入操作完全只需點擊屏幕，當(dāng)相應(yīng)事件觸發(fā)時，系統(tǒng)就會根據(jù)輸入自動判斷，進(jìn)而更新界面，提醒用戶，然后調(diào)用子函數(shù)，執(zhí)行相應(yīng)操作。

　　程序首先對SSD1926進(jìn)行初始化，然后進(jìn)入坐標(biāo)檢測狀態(tài)，當(dāng)執(zhí)行預(yù)處理算法并發(fā)現(xiàn)有坐標(biāo)變化時，程序進(jìn)入消息處理模式，然后調(diào)用已存圖片建立新的頁面，相應(yīng)的子函數(shù)功能程序也將被調(diào)用，從而完成了一次程序響應(yīng)。觸摸屏的主流程圖見圖2.12。

　　圖2.12 觸摸屏主程序流程圖

　　2.5 電源模塊

　　由于本設(shè)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。但是考慮到通過穩(wěn)壓電源的電壓在市電不穩(wěn)(如浪涌，雷擊)的情況下，可能會發(fā)生波動，因此加入了穩(wěn)壓芯片進(jìn)一步穩(wěn)定電壓。采用9V外接電源加LM1117，能穩(wěn)定輸出3.3V的電壓，穩(wěn)壓電源設(shè)計原理圖見圖2.13。

　　圖2.13 穩(wěn)壓電源設(shè)計原理圖

　　另外，市電供電異常時，系統(tǒng)將無電源輸入，從而影響程序正常工作，丟失數(shù)據(jù)，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的正常運行。因此，本設(shè)計對電源模塊采取冗余措施，使用穩(wěn)壓電源加電池供電的雙電源供電方案。在斷電時，智能終端將自動切換到電池供電方式，保證系統(tǒng)的正常運行。

　　對于冗余方案，本設(shè)計擬采用TI公司的TPS2421，該芯片采用大功率的MOSFET管來阻斷不同電源和負(fù)載直接的連接，MOSFET的導(dǎo)通內(nèi)阻可以到幾mΩ，能大大降低壓降損耗，無需散熱器，可節(jié)省電路板面積。雙路電源以并聯(lián)方式接入，正常情況下可同時對負(fù)載進(jìn)行供電，當(dāng)斷電引起穩(wěn)壓電源掉電時，系統(tǒng)自動切換到電池供電模式，而由于MOSFET的反相高阻特性，穩(wěn)壓電源不會受到反向沖擊電壓的影響。當(dāng)市電恢復(fù)供電后，系統(tǒng)再次進(jìn)入雙電源供電模式，從而實現(xiàn)了電源的不間斷供電。冗余電源設(shè)計原理圖見圖2.14。

　　圖2.14 冗余電源設(shè)計原理圖

　　3 智能插座

　　隨著智能電網(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(shè)備控制的最基本單元，將會起到越來越重要的作用，因此本設(shè)計中的智能插座，嵌入了單片機，實現(xiàn)電能測量和數(shù)據(jù)通訊，智能控制等功能。

　　3.1 硬件設(shè)計

　　通過電壓采集，電流采集和溫度采集對用電設(shè)備的工作電壓、工作電流以及插座內(nèi)部環(huán)境溫度進(jìn)行監(jiān)測，并在LCD上實時顯示，以便實時讀取信息。此外，設(shè)計中嵌入了Zigbee模塊，能與智能顯示終端實時通訊，將用電異常信息和控制執(zhí)行結(jié)果反饋給智能顯示終端，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸。

　　當(dāng)發(fā)現(xiàn)過電壓，過電流，過功率或者內(nèi)部溫度過高等異常情況時，處理器將控制繼電器動作，斷開該路電源，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。當(dāng)收到智能顯示終端的預(yù)啟動和預(yù)關(guān)閉命令時，智能插座也將執(zhí)行相應(yīng)動作，并將執(zhí)行結(jié)果反饋給智能顯示終端。

　　系統(tǒng)的整體框圖如圖3.1所示。

　　圖3.1 系統(tǒng)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無線通訊模塊在上一章已經(jīng)介紹，下面詳述電源供電方案設(shè)計。

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

　　圖3.2 阻容電源設(shè)計原理圖

　　4 軟件總體流程

　　本系統(tǒng)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(shè)計。

　　4.1主控單片機軟件設(shè)計

　　1 主程序設(shè)計。程序開始后，主控單片機首先需要對管理的各個模塊，以及IO口進(jìn)行初始化配置，然后進(jìn)入監(jiān)測狀態(tài)。單片機將不斷讀取從智能插座傳送過來的用電信息，并保存到自己的RAM中。RAM中會預(yù)留一段存儲空間來保存用電信息，當(dāng)用電信息超過RAM空間時，數(shù)據(jù)將刷新一次，覆蓋原有數(shù)據(jù)空間。然后，單片機判斷是否有來自上方GSM的短信指令，若有，則執(zhí)行短信接收命令，進(jìn)入串口中斷接收狀態(tài)。接著，單片機判斷觸摸屏是否有輸入，若有，執(zhí)行觸屏操作程序。最后單片機判斷是否有來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(shè)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，從中提取用戶的短信信息。然后分析指令內(nèi)容，根據(jù)不同的指令執(zhí)行相應(yīng)功能。

　　3 定時器中斷。定時器中斷配合串口進(jìn)行數(shù)據(jù)接收，以防傳輸數(shù)據(jù)鎖死。當(dāng)在指定時間段內(nèi)沒有接收到數(shù)據(jù)時，定時器中斷將結(jié)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(shè)計

　　1 主程序設(shè)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，則開始采集系統(tǒng)的溫度，電壓，電流等信息，并通過LCD進(jìn)行顯示。同時將這些信息上傳給智能顯示終端。

　　2 中斷處理程序設(shè)計。中斷處理程序主要是接收下發(fā)的指令，并進(jìn)行解析，通過判斷相應(yīng)的指令內(nèi)容，執(zhí)行對應(yīng)操作，并且將執(zhí)行的操作結(jié)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

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

　　2 實現(xiàn)單個用電器的用電分析。傳統(tǒng)的電表只能讀出用戶每月的總用電量。而用戶對自己究竟如何消費這筆電費根本沒有清晰的認(rèn)識。本設(shè)計中通過智能插座對每個用電的用電情況進(jìn)行采集，然后用智能顯示終端進(jìn)行顯示，用戶可以清楚的了解到自家的用電結(jié)構(gòu)，從而對以后的用電進(jìn)行和合理規(guī)劃。

　　3 圖形化的查詢結(jié)果。智能顯示終端能提供各種報表類型的顯示結(jié)果。用戶無需從眼花繚亂的數(shù)字中尋找各類數(shù)據(jù)，也無需對此分別進(jìn)行統(tǒng)計。智能顯示終端能夠呈現(xiàn)精簡的畫面，

　　4 短信反饋。遠(yuǎn)程控制時，智能插座所執(zhí)行的每個動作，都能以短信的方式反饋給手機，這樣用戶就能知道自己發(fā)送的命令是否成功執(zhí)行，不用擔(dān)心用電器是否已正常工作。

　　5 分布式布局，集中式處理。智能顯示終端通過無線通訊將各智能插座聯(lián)系起來。這樣既能對所有的用電設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一的管理，又能對各個用電設(shè)備進(jìn)行逐一分析。

　　原標(biāo)題:基于MIPS32設(shè)計的智能電網(wǎng)家庭用電監(jiān)控系統(tǒng)