- 基于MIPS 32位处理器的简易智能家居控制系统设计详解

2.2.2 软件设计

Zigbee的数据传输方式有帧模式与流模式两种。帧模式是通过片上RAM来缓存处理的，而流模式则是通过数据寄存器来进行单个字节处理的。系统设计采用可变帧长的帧格式。一个完整的满足1EEE 802.15.4规范的协议帧至少要包含9个字节的数据。同步头包括4个字节的帧前导字节（Preamble）和1个字节的帧开始标志SFD（Start of Frame Delimiter）、1个字节的帧长度标志FLI（Frame Length Indicator）、l～125个字节的数据净荷（Payload Data）、1个字节的帧校验（FCS）组成的，具体格式如下表所示：

4字节1字节1字节1-125字节1字节

PreambleSFDFLIPayload DataFCS

本监控系统中的智能插座是网络中的子节点，智能显示终端是网络中的协调器（即主节点）。

1、主节点设计。智能显示终端首先初始化，开中断，然后格式化当前的网络子节点。监测zigbee信号，看当前是否有新的节点加入。若有，则为其分配网络地址。然后，检测并接收智能插座送过来的数据信息，并把命令解析出来执行相应操作。

2、子节点设计。子节点首先初始化CC2430和zigBee协议栈，然后发送网络信号，等待网络协调器响应并给自己分配网络地址。智能插座检测当前状态，并将数据打包发送到智能显示终端，如果发送成功，智能插座进入空闲状态，否则重新向智能显示终端提交一次信息。

Zigbee网络的主节点、子节点软件设计流程如图2.8所示。

图2.8 节点软件设计流程图

2.3 语音输出模块

语音输出模块实现菜单操作和用电异常过程中的报警功能，考虑到系统只需要输出语音，这里我们采用中青世纪科技公司PM50SS50，该芯片由专用的语音单片机和FLASH RAM存储器集合构成，它有50秒的128段语音播放功能，可选择PWM和DAC两种音频输出方式，PWM方式可直接驱动喇叭，单片机可以方便的串行或者并行控制PM50SS50播放内部的语音。

本设计中采用串行控制的方式，选用DAC方式输出音频，再经过音频功率放大器，即可输出语音。PM50SS50的引脚图如图2.9所示。

图2.9 PM50SS50引脚图

串行模式下最大可分128段，K1为数据端，K2为时钟端，OUT1为忙信号端。时钟上升沿时数据端有效。语音段的地址为80H~FFH，第一段的地址是80H，按顺序排列，共128段语音。外部单片机直接送入要播放的段号数据，播放，结束时PM50的忙信号拉低，在判断一段语音结束时，外部单片机再送下一段语音的段号。

本设计中涉及语音包括报警提示和语音菜单提醒。设计采用数字录音技术，工作前先将系统用到的语音输出内容通过麦克风录入电脑，然后将数字化后的语音通过下载器分别存入PM50SS50的FLASH中。当需要语音输出时，只需将要输出内容所对应的段码通过串行方式发送给PM50SS50，PM50SS50将输出对应的模拟语音信号，再通过功率放大器由扬声器输出。

2.4 触摸屏模块

触摸屏分电容式和电阻式两种，考虑到电容式触摸屏的功能原理是基于电容的测量，而当环境温度、湿度，或者环境电场发生改变时，都会引起电容屏的漂移，容易造成误操作，因此本设计采用电阻式触摸屏，采用LCD彩色液晶显示。

彩色液晶触摸屏可以显示字符图形及汉字，简单易用，界面友好，作为智能显示终端的人机交互界面非常合适。

2.4.1 硬件设计

Microchip公司特别针对PIC32MX系列还开发了图形软件库。该软件可以方便地把各种语言、各种字体的文字以及位图格式的图片转化为能够在软件中直接使用的数组矩阵，极大地方便了用户。本设计使用单片机的并行接口模块，按照8080时序驱动SSDl926芯片，实现数据输入/输出、数据存储、数据处理及传输等功能。

SSDl926是一款中小规模的显示控制芯片，支持SRAM接口与ARM系列连接、ISA接口与NEC系列连接外，还支持8/16位8080时序间接寻址方式，能够方便地与各种具有并口的MCU连接。

单片机通用I/O口可模拟控制信号的时序，数据总线也可直连。SSD1926对接收到的数据进行处理之后，再通过与LCD的接口驱动彩色液晶屏即可进行显示。

硬件框图如图2.10所示。

图2.10触摸屏驱动接口框图

2.4.2 软件设计

智能显示终端能直接控制所有家电的工作，因此信号输入的准确性至关重要，然而A/D采样信号为模拟量输入，还是易到现场环境的电磁干扰。为了避免误动作，我们拟设计了抗干扰算法。

本算法中首先对X相电压进行两次采样，每次采样过程中都要检验相电压是否为零（即是否存在输入），然后将两次采样的结果进行比较，当发现采集到的X相电压不相等时，说明是误动作，程序将不予理睬，将相电压视为零。在X相电压满足输入后，再对Y相电压进行同样的处理，只有在两次比较之后得到稳定电压的情况下，程序才将这次输入为有效输入，再执行相应功能。具体流程见图2.11。

用户的输入操作完全只需点击屏幕，当相应事件触发时，系统就会根据输入自动判断，进而更新界面，提醒用户，然后调用子函数，执行相应操作。

程序首先对SSD1926进行初始化，然后进入坐标检测状态，当执行预处理算法并发现有坐标变化时，程序进入消息处理模式，然后调用已存图片建立新的页面，相应的子函数功能程序也将被调用，从而完成了一次程序响应。触摸屏的主流程图见图2.12。

图2.11 抗干扰算法流程图

图2.12 触摸屏主程序流程图

2.5 电源模块

由于本设计中的智能显示终端在家庭环境中一般固定安放，故采用外接电源供电。但是考虑到通过稳压电源的电压在市电不稳（如浪涌，雷击）的情况下，可能会发生波动，因此加入了稳压芯片进一步稳定电压。采用9V外接电源加LM1117，能稳定输出3.3V的电压，稳压电源设计原理图见图2.13。

另外，市电供电异常时，系统将无电源输入，从而影响程序正常工作，丢失数据，严重影响系统的正常运行。因此，本设计对电源模块采取冗余措施，使用稳压电源加电池供电的双电源供电方案。在断电时，智能终端将自动切换到电池供电方式，保证系统的正常运行。

对于冗余方案，本设计拟采用TI公司的TPS2421，该芯片采用大功率的MOSFET管来阻断不同电源和负载直接的连接，MOSFET的导通内阻可以到几mΩ，能大大降低压降损耗，无需散热器，可节省电路板面积。双路电源以并联方式接入，正常情况下可同时对负载进行供电，当断电引起稳压电源掉电时，系统自动切换到电池供电模式，而由于MOSFET的反相高阻特性，稳压电源不会受到反向冲击电压的影响。当市电恢复供电后，系统再次进入双电源供电模式，从而实现了电源的不间断供电。冗余电源设计原理图见图2.14。

图2.13 稳压电源设计原理图

图2.14 冗余电源设计原理图