智能家居是在当下家庭中越来越流行的一种配置方案，它通过物联网技术将家中的各种设备（如音视频设备、照明系统、窗帘控制、空调控制、安防系统、数字影院系统、影音服务器、影柜系统、网络家电等）连接到一起，提供家电控制、照明控制、电话远程控制、室内外遥控、防盗报警、环境监测、暖通控制、红外转发以及可编程定时控制等多种功能和手段。与普通家居相比，智能家居不仅具有传统的居住功能，兼备建筑、网络通信、信息家电、设备自动化，提供全方位的信息交互功能。请根据如下要去设计一个智能家居强电电路模拟系统。以下题目介绍中加粗的部分为本次迭代在“家居强电电路模拟程序-3”的基础上增加的功能要求。
1、控制设备
本题模拟的控制设备包括：开关、分档调速器、连续调速器、互斥开关。
开关：包括0和1两种状态。
开关有两个引脚，任意一个引脚都可以是输入引脚（接往电源端），而另一个则是输出引脚（接网接地端）。开关状态为0时，无论输入电位是多少，输出引脚电位为0。当开关状态为1时，输出引脚电位等于输入电位。
互斥开关：
互斥开关有3个引脚：1个是汇总引脚，另两个是分支引脚。
开关电路示意图如图1所示，左边是汇总引脚，编号为1；右边两个是分支引脚，右上的输出引脚为2，右下输出引脚为3。图中1、2、3引脚均可以是输入引脚，当1为输入引脚时，2、3引脚为输出引脚；1为输出引脚时，2、3引脚为输入引脚。
互斥开关只有两种状态：开关接往上面的2号引脚、接往下面的3号引脚。开关每次只能接通其中一个分支引脚，而另一个分支引脚处于断开状态。
互斥开关的默认状态为1、2引脚接通，1、3引脚断开。
图1中所示的互斥开关可以反过来接入电路，即汇总引脚接往接地端，两个分支引脚接往电源端。
图1 互斥开关
为避免短路，互斥开关设置了限流电阻，1、2引脚之间默认电阻为5，1、3引脚之间默认电阻为10。
分档调速器
按档位调整，常见的有3档、4档、5档调速器，档位值从0档-2（3/4）档变化。本次迭代模拟4档调速器，每个档位的输出电位分别为0、0.3、0.6、0.9倍的输入电压。
连续调速器
没有固定档位，按位置比例得到档位参数，数值范围在[0.00-1.00]之间，含两位小数。输出电位为档位参数乘以输入电压。
所有调速器都有两个引脚，一个固定的输入（引脚编号为1）、一个输出引脚（引脚编号为2）。当输入电位为0时，输出引脚输出的电位固定为0，不受各类开关调节的影响。
开关、调速器的初始状态/档位为0。
开关的两个引脚编号为1、2。
除互斥开关外，其他控制设备的电阻为 0。
2、受控设备
本题模拟的受控设备包括：灯、风扇。两种设备都有两根引脚，通过两根引脚电压的电压差驱动设备工作。
灯有两种工作状态：亮、灭。在亮的状态下，有的灯会因引脚电位差的不同亮度会有区别。
风扇在接电后有两种工作状态：停止、转动。风扇的转速会因引脚间电位差的不同而有区别。
本次迭代模拟两种灯具。
白炽灯：
亮度在0~200lux（流明）之间。
电位差为0-9V时亮度为0,其他电位差按比例，电位差10V对应50ux，220V对应200lux，其他电位差与对应亮度值成正比。白炽灯超过220V。
日光灯：
亮度为180lux。
只有两种状态，电位差为0时，亮度为0，电位差不为0，亮度为180。
本次迭代模拟两种风扇。
吊扇：
工作电压区间为80V-150V，对应转速区间为80-360转/分钟。80V对应转速为80转/分钟，150V对应转速为360转/分钟，超过150V转速为360转/分钟（本次迭代暂不考虑电压超标的异常情况）。其他电压值与转速成正比，输入输出电位差小于80V时转速为0。
落地扇：
工作电压区间为 80V-150V，对应转速区间为 80-360 转/分钟；[80V,100V) 对应转速为 80 转/分钟；[100,120)V 对应转速为 160 转/分钟；[120,140)V 对应转速为 260 转/分钟；大于等于 140V 转速 为 360 转/分钟（本次迭代暂不考虑电压超标的异常情况）。
本次迭代模拟一种受控窗帘：
受控串联的电路符号为S，其最低工作电压为50V，电压达到或超过50V，窗帘即可正常工作，不考虑室外光照强度和室内空间大小等因素，窗帘受室内灯光的光照强度控制。
当电路中所有灯光的光照强度总和在[0,50)lux范围内，窗帘全开；
在[50,100)lux范围内，窗帘打开比例为0.8；
在[100,200)lux范围内，窗帘打开比例为0.6；
在[200,300)lux范围内，窗帘打开比例为0.4；
在[300,400)lux范围内，窗帘打开比例为0.2；
在400lux及以上范围内，窗帘关闭。
窗帘默认为关闭状态。
受控设备电阻：白炽灯的电阻为 10，日光灯的电阻为 5，吊扇的电阻为 20，落地扇的电阻为 20，窗帘电阻为15。
3、输入信息
1）输入设备信息
分别用设备标识符K、F、L、B、R、D、A、H、S、P分别表示开关、分档调速器、连续调速器、白炽灯、日光灯、吊扇、落地扇、互斥开关、受控窗帘、二极管（见第6部分说明）。
设备标识用标识符+编号表示，如K1、F3、L2等。
引脚格式：
设备标识-引脚编号，例如：K1-1标识编号为1的开关的1号引脚。
开关、分档调速器、连续调速器的两个引脚编号为1、2。
受控设备的两个引脚编号分别为1、2。
互斥开关的引脚编号已经在互斥开关的介绍部分说明。约束条件：
不同设备的编号可以相同。
设备信息不单独输入，包含在连接信息中。
2）输入连接信息
一条连接信息占一行，用[]表示一组连接在一起的设备引脚，引脚与引脚之间用英文空格" "分隔。
格式：
"["+引脚号+" "+引脚号+"]"
例如：[K1-1 K3-2]表示K1的1号引脚，K3的2号引脚连接在一起。约束条件：
不考虑调速器串联到其他调速器的情况。
考虑各类设备的并联接入。例如，K1 的输出接到 L2 的输入，L2 的输出再接其他设备属于串联接线。K1 的输出接到 L2 的输出，同时 K1 的输入接到 L2 的输入，这种情况属于并联。
连接信息不单独输入，包含在线路信息中。
3）输入控制设备调节信息
开关、互斥开关调节信息格式：
#+设备标识K+设备编号，例如：#K2，代表切换K2开关的状态。
#+设备标识H+设备编号，例如：#H2，代表切换H2互斥开关的状态。
分档调速器的调节信息格式：
#+设备标识F+设备编号+"+" 代表加一档，例如：#F3+，代表F3输出加一档。
#+设备标识F+设备编号+"-" 代表减一档，例如：#F1-，代表F1输出减一档。
连续调速器的调节信息格式：
#+设备标识L+设备编号+":" +数值 代表将连续调速器的档位设置到对应数值，例如：#L3:0.6，代表L3输出档位参数0.6。
4）电源接地标识：
VCC，电压220V，GND，电压0V。没有接线的引脚默认接地，电压为0V。
5）输入串联电路信息
一条串联电路占一行，串联电路信息由 n 个连接信息组成，连接信息按从靠电源端到接地端顺序依次输入，连接信息之间用英文空格" "分隔。
串联电路信息格式：
"#T"+电路编号+":"+连接信息+" "+连接信息+...+" "+连接信息
例如：#T1:[IN K1-1] [K1-2 D2-1] [D2-2 OUT] 一个串联电路的第一个引脚是 IN，代表起始端，靠电源。最后一个引脚是 OUT，代表结尾端， 靠接地。约束条件：
不同的串联电路信息编号不同。
输入的最后一条电路信息必定是总电路信息，总电路信息的起始引脚是 VCC，结束引脚是 GND。
连接信息中的引脚可能是一条串联或并联电路的 IN 或者 OUT。例如：
#T1:[IN K1-1] [K1-2 T2-IN] [T2-OUT OUT]
#T1:[IN K1-1] [K1-2 T2-IN] [T2-OUT M2-IN] [M2-OUT OUT]
6）输入并联电路信息
一条并联电路占一行，并联电路由其包含的几条串联电路组成，串联电路标识之间用英文空格" "分隔。
格式：
"#M"+电路编号+":"+”[”+串联电路信息+" "+....+" "+串联电路信息+”]”
例如：#M1:[T1 T2 T3]
该例声明了一个并联电路，由 T1、T2、T3 三条串联电路并联而成，三条串联电路的 IN 短接在一起构成 M1 的 IN，三条串联电路的 OUT 短接在一起构成 M1 的 OUT。
在本题中，并联电路M中的串联电路可以包含别的并联电路。
约束条件：
本题不考虑输入电压或电压差超过220V的情况。
输入信息以end为结束标志，忽略end之后的输入信息。
本题中的并联信息所包含的串联电路的信息都在并联信息之前输入，不考虑乱序输入的情况。
只要不因短路而造成无穷大的电流烧坏电路(如电路中的部分短接)，都是合理情况。
本次迭代考虑多个并联电路串联在一起的情况。
本题考虑一条串联电路中包含其他串联电路和并联电路的情况。例如：
#T3:[VCC K1-1] [K1-2 T2-IN] [T2-OUT K2-1] [K2-2 T1-IN] [T1-OUT GND]
本例中T1\T2两条串联电路是T3的一个部分，本题考虑这种类型的输入。
4、输出信息：
按开关、分档调速器、连续调速器、白炽灯、日光灯、吊扇、互斥开关、受控窗帘、二极管（见第6部分说明）的顺序依次输出所有设备的状态或参数。每个设备一行。同类设备按编号顺序从小到大输出。
输出格式：
@设备标识+设备编号+":" +设备参数值（控制开关的档位或状态、灯的亮度、风扇的转速，只输出值，不输出单位）+" "+设备所有引脚的电压（按编号从小到大顺序依次输出，电压的小数部分直接丢弃，保留整数输出，电压之间用”-”分隔）
说明：
连续调速器的档位信息保留两位小数，即使小数为0，依然显示两位小数.00。
开关状态为0（打开）时显示turned on，状态为1（合上）时显示closed
如：
@K1:turned on 32-15
@B1:190 68-17
@L1:0.60 220-176
互斥开关按1、2引脚的接通状态显示，1，2接通-1，3断开时显示closed，1，3接通-1，2断开时显示turned on。
如：
@H1:turned on
受控窗帘显示窗帘打开的百分比，如：
@S1:80%
5、家居电路模拟系列所有题目的默认规则
1）当计算电压值等数值的过程中，最终结果出现小数时，用截尾规则去掉小数部分，只保留整数部分。为避免精度的误差，所有有可能出现小数的数值用double类型保存并计算，不要作下转型数据类型转换，例如电压、转速、亮度等，只有在最后输出时再把计算结果按截尾规则，舍弃尾数，保留整数输出。
2）所有连接信息按电路从靠电源端到靠接地端的顺序依次输入，不会出现错位的情况。VCC/IN一定是第一个连接的第一项，GND/OUT一定是最后一个连接的后一项。
3）连接信息如果只包含两个引脚，靠电源端的引脚在前，靠接地端的在后。
4）调速器的输入端只会直连VCC，不会接其他设备。整个电路最多只有连接在电源上的一个调速器，且不包含在并联单路中。
5）本系列题目中元件的管脚除了互斥开关的1引脚，其他所有引脚在电路中最多只出现一次。
6、本题新增内容：
1）增加管脚电压的显示
在输出每个电器的状态信息后，再依次输出该电器每个管脚的电压。（格式详见输出信息部分）
2）电流限制
电器在工作时，过大的电流会引起电器过热，从而烧坏电路。本次迭代，每个元器件都有最大电流的设置，当实时电流超过最大电流时，在该电器输出信息的最后加入提示“exceeding current limit error”，与前面的信息之间用英文空格分隔。
例如：@B1:190 68-17 exceeding current limit error
本题各类电器的最大限定电流如下：
开关20、分档调速器18、连续调速器18、白炽灯9、日光灯5、吊扇12、落地扇14、互斥开关20、受控窗帘12、二极管8。
3）短路检测
如果电路出现无穷大的电流造成短路，所有元器件信息不输出，仅输出提示“short circuit error”
4）并联电路中包含并联
本次迭代考虑并联电路中包含并联电路的情况，即构成并联电路的串联电路可以包含别的并联电路。例如如下输入的电路，并联电路M2的其中一条串联电路T4中包含了另一条并联电路M1：
#T1:[IN D2-1] [D2-2 H1-2] [H1-1 OUT]#T2:[IN D1-1] [D1-2 H1-3] [H1-1 OUT]#M1:[T1 T2]#T4:[IN K3-1] [K3-2 M1-IN] [M1-OUT OUT]#T5:[IN K1-1] [K1-2 B1-1] [B1-2 OUT]#M2:[T4 T5]
5）二极管
增加二极管元件，其电路特性为：正向导通，反向截止；其电器符号如图4所示，当电流从左至右流过时，二极管导通”conduction”，电阻为0；电流从右至左流动时，二极管截止”cutoff”，电阻无穷大，相当于开关打开。
图2 二极管符号
二极管的标识符为’P’，左侧管脚编号为1，右侧管脚编号为2。
二极管如果两端电压相等，没有电流流过，分以下两种情况输出：
1、如果两端电压为0，二极管的导通/截止状态由接入方向决定，1号引脚靠近电源则导通，反之截止。
2、如果两端电压不为0，二极管导通。
7、设计建议
本题包含以下电路图中的所有连接情况：
图3 电路示意图
1、电路设备类：描述所有电路设备的公共特征。
2、受控设备类、控制设备类：对应受控、控制设备
3、串联电路类：一条由多个电路设备构成的串联电路，也看成是一个独立的电路设备
4、并联电路类：继承电路设备类，也看成是一个独立的电路设备
其他类以及类的属性、方法自行设计。
图4：建议设计类图
输入样例1:
在这里给出一组输入。例如：
#T1:[IN P2-2] [P2-1 H1-2] [H1-1 OUT]
#T2:[IN D1-1] [D1-2 H1-3] [H1-1 OUT]
#M1:[T1 T2]
#T4:[IN K3-1] [K3-2 M1-IN] [M1-OUT OUT]
#T5:[IN K1-1] [K1-2 B1-1] [B1-2 OUT]
#M2:[T4 T5]
#T3:[VCC K2-1] [K2-2 M2-IN] [M2-OUT GND]
#K1
#K2
end
输出样例1:
在这里给出相应的输出。例如：
@K1:closed 220-220 exceeding current limit error
@K2:closed 220-220 exceeding current limit error
@K3:turned on 220-0
@B1:200 220-0 exceeding current limit error
@D1:0 0-0
@H1:closed 0-0-0
@P2:cutoff 0-0
输入样例2:
在这里给出一组输入。例如：
#T1:[IN P2-1] [P2-2 H1-2] [H1-1 OUT]
#T2:[IN D1-1] [D1-2 H1-3] [H1-1 OUT]
#M1:[T1 T2]
#T4:[IN K3-1] [K3-2 M1-IN] [M1-OUT OUT]
#T5:[IN K1-1] [K1-2 B1-1] [B1-2 OUT]
#M2:[T4 T5]
#T3:[VCC K2-1] [K2-2 M2-IN] [M2-OUT GND]
#K1
#K3
#K2
end
输出样例2:
在这里给出相应的输出。例如：
@K1:closed 220-220 exceeding current limit error
@K2:closed 220-220 exceeding current limit error
@K3:closed 220-220 exceeding current limit error
@B1:200 220-0 exceeding current limit error
@D1:0 220-220
@H1:closed 0-220-220 exceeding current limit error
@P2:conduction 220-220 exceeding current limit error
输入样例3:
在这里给出一组输入。例如：
#T1:[IN P2-2] [P2-1 H1-2] [H1-1 OUT]
#T2:[IN D1-1] [D1-2 H1-3] [H1-1 OUT]
#M1:[T1 T2]
#T4:[IN K3-1] [K3-2 M1-IN] [M1-OUT OUT]
#T5:[IN K1-1] [K1-2 B1-1] [B1-2 OUT]
#M2:[T4 T5]
#T3:[VCC K2-1] [K2-2 M2-IN] [M2-OUT GND]
#K1
#K3
#K2
end
输出样例3:
在这里给出相应的输出。例如：
@K1:closed 220-220 exceeding current limit error
@K2:closed 220-220 exceeding current limit error
@K3:closed 220-220
@B1:200 220-0 exceeding current limit error
@D1:0 220-220
@H1:closed 0-0-220
@P2:cutoff 0-220
输入样例4:
在这里给出一组输入。例如：
#T3:[VCC K2-1] [K2-2 GND]
#K2
end
输出样例4:
在这里给出相应的输出。例如：
short circuit errorimport java.util.*;
// 设备类，包括开关、分档调速器、连续调速器、白炽灯、日光灯、吊扇、互斥开关、受控窗帘等
class Device {
private String id;
private int state; // 状态，例如开关的状态（0/1）、调速器的档位、灯的亮度、风扇的转速等
public Device(String id) {
this.id = id;
this.state = 0; // 默认状态为0
}
public void setState(int state) {
this.state = state;
}
public int getState() {
return state;
}
public String getId() {
return id;
}
}
// 电路类
class Circuit {
private List<Device> devices; // 电路中包含的设备列表
public Circuit() {
devices = new ArrayList<>();
}
public void addDevice(Device device) {
devices.add(device);
}
// 根据设备标识查找设备
public Device getDeviceById(String id) {
for (Device device : devices) {
if (device.getId().equals(id)) {
return device;
}
}
return null;
}
// 其他方法根据具体需求进行添加
}
// 控制器类
class Controller {
private Map<String, Circuit> circuitMap; // 电路映射，根据电路标识符快速查找电路
public Controller() {
circuitMap = new HashMap<>();
}
// 添加电路
public void addCircuit(String id, Circuit circuit) {
circuitMap.put(id, circuit);
}
// 根据电路标识查找电路
public Circuit getCircuitById(String id) {
return circuitMap.get(id);
}
// 控制设备状态
public void controlDevice(String deviceId, int state) {
for (Circuit circuit : circuitMap.values()) {
Device device = circuit.getDeviceById(deviceId);
if (device != null) {
device.setState(state);
}
}
}
// 获取设备状态
public int getDeviceState(String deviceId) {
int state = -1;
for (Circuit circuit : circuitMap.values()) {
Device device = circuit.getDeviceById(deviceId);
if (device != null) {
state = device.getState();
break;
}
}
return state;
}
// 其他方法根据具体需求进行添加
}
public class Main {
public static void main(String[] args) {
Controller controller = new Controller();
// 添加电路和设备
Circuit circuit1 = new Circuit();
Device switch1 = new Device("K1");
circuit1.addDevice(switch1);
// 添加其他设备...
Circuit circuit2 = new Circuit();
Device switch2 = new Device("K2");
circuit2.addDevice(switch2);
// 添加其他设备...
controller.addCircuit("T1", circuit1);
controller.addCircuit("T2", circuit2);
// 控制设备状态
controller.controlDevice("K1", 1);
controller.controlDevice("K2", 0);
// 控制其他设备...
// 获取设备状态
int state1 = controller.getDeviceState("K1");
int state2 = controller.getDeviceState("K2");
// 获取其他设备状态...
// 输出设备状态
System.out.println("K1 state: " + state1);
System.out.println("K2 state: " + state2);
// 输出其他设备状态...
}
}
非常感谢您提供这么详细的智能家居强电电路模拟系统的设计需求。我将根据您的要求,分步设计一个模拟系统。
1. 控制设备设计:
- 开关、分档调速器、连续调速器的实现
- 互斥开关的实现,包括限流电阻的处理
- 各控制设备的初始状态/档位设置
2. 受控设备设计:
- 灯(白炽灯和日光灯)的亮度计算
- 风扇(吊扇和落地扇)的转速计算
- 受控窗帘的开合比例计算
3. 输入信息处理:
- 设备信息的解析
- 连接信息的解析
- 控制设备调节信息的解析
- 电源接地标识的处理
- 串联电路信息的解析
- 并联电路信息的解析
4. 输出信息生成:
- 各设备状态/参数的输出格式
- 管脚电压的输出
- 电流超限的提示信息
- 短路错误的提示信息
5. 并联电路中包含并联的处理
- 嵌套并联电路的解析
6. 二极管的实现
- 二极管导通/截止状态的判断
- 二极管电阻的处理
7. 整体系统设计
- 电路设备类、受控设备类、控制设备类的设计
- 串联电路类和并联电路类的设计
- 其他辅助类的设计
