本期末專題要求使用 DeviceAlpha 開發板撰寫一支 C 程式，模擬一套可運作的家庭保全系統（Home Security System）。專題整合按鈕（PB1–PB4）、LED 指示燈、蜂鳴器、溫度感測器與七段顯示器，展示真實嵌入式系統的核心原理。程式運作流程規定如下：

1. 啟動驗證：程式開始時提示使用者輸入字元 ’Y’ 才能啟動，大小寫皆可（’Y’ 或 ’y’）。輸入其他字元時必須持續重新提示，直到收到有效回覆為止。

2. 初始化：啟動後初始化開發板上所有元件，並立刻在七段顯示器顯示目前攝氏溫度，讓使用者觀察環境狀況；短暫延遲後清除顯示器，系統進入待機（解除警戒 disarmed）狀態，等待按鈕輸入。

3. PB1 — 布防（Arm）：按下 PB1 啟動布防程序。七段顯示器顯示 3 秒倒數，倒數期間黃色 LED 閃爍表示系統準備布防；倒數到 0 時綠色 LED 亮起，確認系統已布防（armed）、可偵測動作。

4. PB2 — 動作偵測（Motion）：系統在布防狀態下按 PB2 模擬「偵測到動作」事件，觸發警報狀態：紅色 LED 亮起、蜂鳴器響起表示有人入侵。警報持續作用，直到使用者解除警戒。

5. PB3 — 解除警戒（Disarm）：按 PB3 立即重置系統：關閉所有 LED、蜂鳴器靜音、清除七段顯示器，系統回到解除警戒狀態，可再次進行下一輪操作。（選做：可加入密碼序列解除警戒以增加複雜度。）

6. PB4 — 離開程式（Exit）：按 PB4 結束程式；但若系統在布防中或警報作用中，按 PB4 只會顯示提醒訊息，要求使用者先解除警戒。

問題分析

核心觀念：有限狀態機（Finite State Machine）

保全系統本質上是一個有限狀態機：系統任一時刻只會處於三種狀態之一，按鈕事件觸發狀態轉移。這正是題目要求 switch 敘述的最佳應用場景——用 switch (currentState) 分派各狀態的行為。

硬體裝置與其角色

關鍵設計決策

1. 主迴圈＋輪詢（polling）架構：嵌入式系統的典型寫法。while (systemRunning) 主迴圈裡不斷用 GetPushButtonState() 輪詢按鈕，再交給 switch 依目前狀態決定反應。每輪加 Wait(50) 作為簡單的防彈跳（debounce）與降低輪詢頻率。

2. 狀態常數用 #define 命名：STATE_DISARMED、STATE_ARMED、STATE_ALARM，可讀性遠勝魔術數字，簡報答詢時也更容易說明。

3. 「一次按壓只處理一次」：偵測到 PRESSED 後先呼叫 waitForButtonRelease() 等按鈕放開，否則同一次按壓會在下一輪迴圈被重複讀到（例如 PB1 按一次卻布防兩次）。

4. 啟動輸入驗證：getchar() 讀入第一個字元後，把該行剩餘字元全部讀掉（清空輸入緩衝區），再判斷是否為 ’Y’／’y’。這樣輸入 "Yes"、"yes" 也能正確啟動，輸入 "no"、數字、空白行則重新提示。

5. PB4 的條件式行為：同一顆按鈕在不同狀態有不同意義——DISARMED 時離開程式；ARMED／ALARM 時只印提醒訊息。這由狀態機自然實現：每個 case 裡對 PB4 寫不同的處理。

6. 五個自訂函式分工：waitForStartCommand（啟動驗證）、initializeSystem（初始化＋顯示溫度）、waitForButtonRelease（等待放開）、runArmingCountdown（倒數＋黃燈閃爍）、activateAlarm 與 resetSystem（警報開／全部重置）。main 只負責狀態機骨架，結構清晰。

逐步解題過程

步驟 1：啟動驗證函式 waitForStartCommand

用 while 迴圈持續提示，直到輸入 ’Y’ 或 ’y’。重點是清空輸入緩衝區：使用者可能輸入一整行（如 "yes" 或 "abc"），只取第一個字元、其餘讀掉，才不會影響下一輪判斷：

while (!validStart)
{
    printf("Enter 'Y' to start the Home Security System: ");
    startCharacter = (char)getchar();

    if (startCharacter != '\n')             /* 清掉該行剩餘字元 */
    {
        extraCharacter = getchar();
        while (extraCharacter != '\n' && extraCharacter != EOF)
            extraCharacter = getchar();
    }

    if (startCharacter == 'Y' || startCharacter == 'y')
        validStart = 1;
    else
        printf("Invalid input! You must enter 'Y' or 'y' to start.\n");
}

步驟 2：初始化函式 initializeSystem

關閉所有 LED 與蜂鳴器（確保起始狀態乾淨），讀取溫度並以 2 位小數顯示在七段顯示器；停留 2 秒讓使用者觀察後清除顯示器，進入待機狀態：

SetLEDState(YELLOW_LED, OFF);
SetLEDState(GREEN_LED, OFF);
SetLEDState(RED_LED, OFF);
SetBuzzerState(BUZZER, OFF);

currentTemperature = GetTemperature(TEMPERATURE_SENSOR);
printf("Current temperature: %.2f degrees Celsius\n", currentTemperature);
DisplayDoubleValue(currentTemperature, 2);
Wait(2000);
ClearSevenSegmentDisplay();

步驟 3：主迴圈與狀態機

main 的核心是 while 主迴圈包住 switch 狀態機。以 DISARMED 狀態為例：

case STATE_DISARMED:
    if (GetPushButtonState(PB1) == PRESSED)
    {
        waitForButtonRelease(PB1);       /* 一次按壓只處理一次 */
        runArmingCountdown();            /* 3 秒倒數 + 黃燈閃爍 */
        currentState = STATE_ARMED;
    }
    else if (GetPushButtonState(PB4) == PRESSED)
    {
        waitForButtonRelease(PB4);
        printf("Exiting the Home Security System. Goodbye!\n");
        systemRunning = 0;               /* 結束主迴圈 */
    }
    break;

ARMED 狀態多了 PB2（觸發警報）與 PB3（解除）的判斷，且 PB4 改為印出提醒；ALARM 狀態只接受 PB3（解除）與 PB4（提醒），完整程式碼見第 4 節。

步驟 4：布防倒數 runArmingCountdown（for 迴圈）

外層 for 從 3 倒數到 1，每一秒內層 for 讓黃燈閃爍兩次（4 段 250 ms 恰好等於 1 秒），同時七段顯示器顯示目前秒數；倒數結束顯示 0、點亮綠燈：

for (countdownSecond = 3; countdownSecond >= 1; countdownSecond--)
{
    DisplayIntValue(countdownSecond);
    for (blinkNumber = 0; blinkNumber < 2; blinkNumber++)
    {
        SetLEDState(YELLOW_LED, ON);
        Wait(250);
        SetLEDState(YELLOW_LED, OFF);
        Wait(250);
    }
}
DisplayIntValue(0);
SetLEDState(GREEN_LED, ON);              /* 系統已布防 */

步驟 5：警報與重置

activateAlarm()：綠燈滅、紅燈亮、蜂鳴器響——警報會一直持續，因為狀態機停在 STATE_ALARM，只有 PB3 能離開這個狀態。
resetSystem()：關閉所有 LED、蜂鳴器靜音、清除七段顯示器，回到 DISARMED。兩個轉移（ARMED \(\rightarrow\) DISARMED、ALARM \(\rightarrow\) DISARMED）共用同一個函式，避免重複程式碼。

完整程式碼（finalproject.c）

如何編譯與執行

在學校的 DeviceAlpha 環境（正式繳交）

1. 在實驗室電腦開啟 DeviceAlpha 開發環境，建立專案並加入 finalproject.c，確認專案包含課程提供的官方 deviceAlpha.h（本解答附的模擬用標頭檔不要一起繳交）。

2. 若官方函式庫中「清除七段顯示器」的函式名稱與 ClearSevenSegmentDisplay() 不同，請改成官方名稱（僅需修改該一處呼叫；若無清除函式，也可以顯示空白或 0 代替）。

3. 編譯執行後依序測試：

   1. 啟動驗證：先輸入 n、5、直接按 Enter，確認都被拒絕；輸入 y 或 Y 成功啟動。

   2. 觀察七段顯示器顯示目前溫度約 2 秒後清除。

   3. 按 PB1：顯示器倒數 3、2、1，黃燈閃爍，然後綠燈亮（已布防）。

   4. 按 PB4：應顯示「請先解除警戒」提醒而不會結束。

   5. 按 PB2：紅燈亮、蜂鳴器響（警報）；此時按 PB4 同樣只有提醒。

   6. 按 PB3：全部關閉、回到待機；最後在待機狀態按 PB4 正常結束程式。

4. 確認無誤後，把檔頭註解的姓名與日期改成自己的，將 finalproject.c 上傳到 Blackboard 的 Assignments 資料夾，並準備現場簡報（見第 7 節）。

在一般電腦上測試（使用附帶的模擬標頭檔）

沒有實驗板時，可用本解答附的 deviceAlpha.h 模擬器。它把 LED／蜂鳴器動作印成 [SIM] 訊息、七段顯示器印成 [7SEG] 訊息；按鈕用鍵盤模擬——當程式輪詢按鈕而沒有待處理事件時，模擬器會等待你輸入一行文字：輸入 1 \(\sim\) 4 再按 Enter，即代表按下並放開 PB1 \(\sim\) PB4。

$ gcc -Wall -Wextra -std=c99 -o finalproject finalproject.c
$ ./finalproject

實際執行範例（模擬器輸出節錄）

測試腳本輸入依序為：x（無效）、7（無效）、y（啟動）、1（布防）、4（被拒）、2（警報）、4（被拒）、3（解除）、4（離開）：

Enter 'Y' to start the Home Security System: Invalid input! ...
Enter 'Y' to start the Home Security System: Invalid input! ...
Enter 'Y' to start the Home Security System: y
Current temperature: 22.18 degrees Celsius
        [7SEG] 22.18
        [7SEG] (cleared)
System is DISARMED. PB1 = arm, PB4 = exit.
        [SIM] PB1 pressed
Arming the system...
        [7SEG] 3
        [SIM] YELLOW LED ON  ... (blink) ...
        [7SEG] 2  ...  [7SEG] 1  ...
        [7SEG] 0
        [SIM] GREEN LED ON
System is ARMED. PB2 = motion event, PB3 = disarm.
        [SIM] PB4 pressed
System is ARMED! Please disarm the system (PB3) before exiting.
        [SIM] PB2 pressed
Motion detected! ALARM activated!
        [SIM] RED LED ON
        [SIM] BUZZER ON
        [SIM] PB4 pressed
ALARM is active! Please disarm the system (PB3) before exiting.
        [SIM] PB3 pressed
        [SIM] BUZZER OFF
System DISARMED. PB1 = arm, PB4 = exit.
        [SIM] PB4 pressed
Exiting the Home Security System. Goodbye!

常見錯誤與評分要點

1. 沒有等按鈕放開：偵測到 PRESSED 後立刻處理、不等放開，同一次按壓會被重複讀取多次（最常見的 bug）。務必在每次處理前呼叫 waitForButtonRelease()。

2. 啟動驗證不完整：只判斷 ’Y’ 漏掉 ’y’，或沒清空輸入緩衝區導致輸入 "yes" 之後的字元干擾下一輪讀取。

3. PB4 無條件結束程式：題目明確要求布防或警報中按 PB4 只能顯示提醒訊息，直接結束會被扣分。

4. 缺少必要的語言結構：忘了用 switch、或整支程式只用一種迴圈，違反硬性規定。本解法中 switch 用於狀態分派、for 用於倒數、while 用於主迴圈與驗證，天然覆蓋所有要求。

5. 警報自動解除：警報必須持續到使用者按 PB3，不可用計時自動關閉。

6. 檔名錯誤：必須是 finalproject.c，其他副檔名（.cpp、.txt）一律零分。

7. 結構與可讀性：Tab 縮排、描述性 camelCase 命名（currentState、countdownSecond）、函式各司其職——這些都直接影響評分與簡報表現。

現場簡報答詢準備（必讀）

本專題必須現場解釋程式碼，無法解釋即為零分。以下是最可能被問到的問題與建議回答方向：

1. 「為什麼用 switch 而不是全部用 if？」——系統是有限狀態機，switch (currentState) 讓「目前狀態決定行為」的結構一目了然；各狀態內的按鈕判斷才用 if / else if。

2. 「waitForButtonRelease 的作用是什麼？拿掉會怎樣？」——確保一次實體按壓只被處理一次；拿掉後主迴圈每 50 ms 輪詢一次，同一次按壓會觸發多次動作。

3. 「倒數的 1 秒是怎麼組成的？」——內層 for 執行兩次「亮 250 ms＋滅 250 ms」，共 \(4 \times 250 = 1000\) ms，同時完成閃爍與計時。

4. 「輸入 yes 為什麼能啟動？輸入空白行為什麼不會出錯？」——只取第一個字元判斷，其餘字元被清緩衝區的 while 讀掉；空白行的第一個字元是 ’\n’，不等於 ’Y’／’y’，直接重新提示。

5. 「警報狀態下按 PB1 會發生什麼？」——什麼都不會發生：STATE_ALARM 的 case 裡沒有 PB1 的判斷，事件被忽略，這正是狀態機的好處。

6. 「如何加入選做的密碼解除功能？」——把 STATE_ALARM 中 PB3 的處理改成要求依序按出特定按鈕序列（例如 PB1-PB2-PB1），用陣列記錄輸入並比對，全對才呼叫 resetSystem()。