摘 要： 為了實(shí)現(xiàn)對(duì)家居環(huán)境安全狀況實(shí)時(shí)的監(jiān)控以及在發(fā)生警情時(shí)能自動(dòng)撥號(hào)進(jìn)行語(yǔ)音提示或發(fā)送報(bào)警短信,， 設(shè)計(jì)了一種基于GPRS 和數(shù)字無(wú)線技術(shù)的嵌入式電話報(bào)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)以SoC（ 在片系統(tǒng)） 單片機(jī)C8501F020 為控制與處理核心,， 并利用2. 4 GHz 數(shù)字無(wú)線傳輸技術(shù)連接傳感器,， 接收傳感器采集的信號(hào),， 對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控。同時(shí),， 該系統(tǒng)結(jié)合GPRS短信功能和固定電話網(wǎng)絡(luò),， 實(shí)現(xiàn)報(bào)警信息的可靠傳遞和遠(yuǎn)程控制。系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了終端界面,， 可方便用戶進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)置密碼或預(yù)置報(bào)警電話號(hào)碼， 以及生成和查詢系統(tǒng)報(bào)警日志,。

　　報(bào)警系統(tǒng)作為智能家居的一個(gè)重要組成部分,， 正在日常生活中起著越來(lái)越重要的作用。當(dāng)今常用的報(bào)警系統(tǒng)都是通過(guò)單片機(jī)控制固定電話網(wǎng)絡(luò)傳輸警情,， 穩(wěn)定性和可靠性都比較低,， 而且人機(jī)交互困難， 操作復(fù)雜,， 這就直接削弱了它在實(shí)際生活中的應(yīng)用價(jià)值,， 所以報(bào)警系統(tǒng)急需進(jìn)行設(shè)計(jì)方案的改進(jìn)和優(yōu)化， 以推進(jìn)其發(fā)展 ,。

　　本文設(shè)計(jì)了一種以增強(qiáng)型單片機(jī)為控制核心,， 結(jié)合傳感技術(shù)、數(shù)字無(wú)線技術(shù),、GSM 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò),、固定電話網(wǎng)絡(luò)、嵌入式技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的智能報(bào)警系統(tǒng),。相對(duì)以往電話報(bào)警系統(tǒng),， 該系統(tǒng)以GPRS 短信功能彌補(bǔ)固定電話報(bào)警的缺陷， 在功能上和性能上都進(jìn)行了加強(qiáng)和完善,， 提高了穩(wěn)定性和可靠性,， 而且改善了人機(jī)交互接口， 簡(jiǎn)化用戶管理系統(tǒng)時(shí)的操作,。

　　1  系統(tǒng)概述

　　該系統(tǒng)采用增強(qiáng)型單片機(jī)作為系統(tǒng)的處理器,， 提高系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和可靠性， 盡量減小系統(tǒng)的誤報(bào)和漏報(bào)率,。系統(tǒng)通過(guò)煤氣,、煙霧、門磁,、紅外,、超聲波等多路傳感器的協(xié)同工作， 對(duì)環(huán)境的安全狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),，并結(jié)合固定電話網(wǎng)絡(luò)和GSM 網(wǎng)絡(luò),， 實(shí)現(xiàn)火災(zāi),、盜情和各種緊急情況的語(yǔ)音報(bào)警和短信提示。該系統(tǒng)還為用戶提供了易于操作的計(jì)算機(jī)終端界面,， 降低用戶管理與設(shè)置的操作復(fù)雜度,。此外， 系統(tǒng)還設(shè)有報(bào)警日志,， 用戶通過(guò)系統(tǒng)終端界面輸入口令并驗(yàn)證成功后可選擇日期查看當(dāng)天系統(tǒng)報(bào)警日志,， 在一定程度上實(shí)現(xiàn)了報(bào)警取證。系統(tǒng)主要有6 項(xiàng)具體功能：

　?。?1） 數(shù)字無(wú)線技術(shù)與傳感技術(shù)結(jié)合,， 實(shí)時(shí)監(jiān)控家庭環(huán)境安全狀況；

　?。?2） 中央控制器接收到報(bào)警信號(hào)后,， 通過(guò)固定電話網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)撥打預(yù)置電話號(hào)碼進(jìn)行語(yǔ)音報(bào)警或通過(guò)GPRS 通信模塊發(fā)送短信提示；

　?。?3） 具有自動(dòng)摘機(jī)和DT MF 解碼功能,， 用戶可以撥打電話遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)， 如： 報(bào)警預(yù)處理,、解除系統(tǒng)報(bào)警監(jiān)控,；

　　（ 4） 通過(guò)系統(tǒng)終端界面或系統(tǒng)鍵盤進(jìn)行設(shè)置或修改密碼,、預(yù)置或修改電話號(hào)碼,；

　　（ 5） 記錄和查詢報(bào)警日志,；

　?。?6） 斷線檢測(cè)功能， 自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)到電話網(wǎng)絡(luò)的連接異常,。

　　2  系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案

　　該系統(tǒng)以單片機(jī)C8051F020 最小系統(tǒng)為核心控制電路,， 減小單片機(jī)的電磁輻射對(duì)數(shù)字無(wú)線電路造成的干擾， 提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性,。傳感器組和數(shù)字無(wú)線收發(fā)模塊組成環(huán)境監(jiān)控電路,， 監(jiān)測(cè)環(huán)境安全狀況。GPRS 通信模塊和DT MF 雙音多頻編解碼電路組成系統(tǒng)的報(bào)警信息傳輸通道,。GPRS 通信模塊通過(guò)GSM 網(wǎng)絡(luò),， 向用戶手機(jī)發(fā)送短信， 傳遞報(bào)警信息,。DT MF 雙音多頻編解碼電路通過(guò)固定電話網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)撥號(hào)和遠(yuǎn)程控制,。電話接口電路包括斷線檢測(cè)電路、振鈴檢測(cè)電路、自動(dòng)摘機(jī)電路,， 實(shí)現(xiàn)斷線檢測(cè),、振鈴檢測(cè)、自動(dòng)摘機(jī),。語(yǔ)音電路則用于報(bào)警提示音存儲(chǔ)和放音控制,。圖1 為系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖。

圖1  系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

　　2. 1  系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　該系統(tǒng)主要由5 個(gè)硬件模塊組成： 數(shù)字無(wú)線收發(fā)電路,、GPRS 接口電路,、DTMF 雙音多頻編解碼電路、電話接口電路,、語(yǔ)音電路,。

　　2. 1. 1  數(shù)字無(wú)線收發(fā)電路

　　系統(tǒng)采用以nRF24L01 為核心的2. 4 GHz 半雙工數(shù)字無(wú)線傳輸模塊。nRF24L01 有6 根控制信號(hào)線,，SPI 總線4 個(gè)引腳： CSN （ SPI 使能） 、SCK （ SPI 時(shí)鐘） ,、MOSI（ 主出從入） 和MISO （ 主入從出） ; IRQ 為接受到數(shù)據(jù)后產(chǎn)生的中斷信號(hào),， 供單片機(jī)查詢； CE 為片選信號(hào),， 置低則開(kāi)啟數(shù)據(jù)傳輸模塊,。MCU 通過(guò)SPI 串行總線來(lái)配置nRF24L01 的內(nèi)部寄存器和進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)。

　　在與傳感器連接的無(wú)線發(fā)射電路中,， 警情發(fā)生時(shí)觸發(fā)節(jié)點(diǎn)MCU 控制nRF24L01 數(shù)字無(wú)線傳輸模塊發(fā)射本節(jié)點(diǎn)地址和采集到的報(bào)警信號(hào),； 在無(wú)線接收電路中，C8051F020 直接與nRF24L01 進(jìn)行通信,， 接收傳感器節(jié)點(diǎn)地址和報(bào)警信息,， 通過(guò)識(shí)別節(jié)點(diǎn)地址判斷報(bào)警類別。

　　2. 1. 2  GPRS 模塊接口電路

　　中央處理器接收到傳感器發(fā)送的報(bào)警信號(hào)后,， 控制GPRS 通信模塊,， 通過(guò)GSM 網(wǎng)絡(luò)， 向用戶手機(jī)終端發(fā)送短信進(jìn)行報(bào)警提示,。

　　單片機(jī)控制電路與GPRS 通信模塊通過(guò)UART 接口相連,。但是， 由于GPRS 模塊信號(hào)線上為12 V S232電平,， 而單片機(jī)電平為3. 3 V, 所以必須采用MAX3232進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換,。當(dāng)報(bào)警時(shí)， 單片機(jī)通過(guò)串口將控制指令和短信內(nèi)容發(fā)送到GPRS 通信模塊,； GPRS 通信模塊識(shí)別出控制指令,， 根據(jù)短信內(nèi)容向用戶發(fā)送短信。

　　2. 1. 3  DTMF 雙音多頻編解碼電路

　　DT MF 雙音多頻編解碼電路主要由MT 8888 構(gòu)成， 包括DTMF 編碼電路,、DTMF 解碼電路和鈴音識(shí)別電路,。編碼電路實(shí)現(xiàn)自動(dòng)撥號(hào)， 解碼電路實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制指令識(shí)別,。鈴音識(shí)別電路能正確進(jìn)行撥號(hào)音,、忙音、回鈴音的識(shí)別,。

　　自動(dòng)撥號(hào)時(shí),， 單片機(jī)將被叫號(hào)碼發(fā)送到發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器， 合成DTMF 信號(hào),， 經(jīng)放大后通過(guò)電話接口傳輸?shù)诫娫捑W(wǎng)絡(luò)中的程控交換機(jī),， 實(shí)現(xiàn)撥號(hào)。遠(yuǎn)程控制時(shí),， 遠(yuǎn)程DT MF 控制信號(hào)經(jīng)過(guò)高頻和低頻濾波器濾波后,， 再經(jīng)過(guò)數(shù)字編碼器編碼， 得到相應(yīng)控制指令的二進(jìn)制編碼,， 存放于接收數(shù)據(jù)寄存器,， 同時(shí)在MT 8888 的IRQ 端口產(chǎn)生中斷信號(hào)； 單片機(jī)響應(yīng)中斷后,， 讀出接收數(shù)據(jù)寄存器的數(shù)據(jù),， 識(shí)別控制指令。鈴音識(shí)別時(shí),， 450 Hz 的正弦鈴音信號(hào)從DTMF IN 端口輸入,， 經(jīng)過(guò)一個(gè)中心頻率為450 Hz、帶寬為250 Hz 的濾波器,， 如果信號(hào)落在濾波器的通帶內(nèi),， 則IRQ 端口輸出同頻率的方波。

　　2. 1. 4  電話接口電路

　　電話接口電路包括自動(dòng)摘機(jī)電路,、振鈴檢測(cè)電路和斷線檢測(cè)電路,。

　　自動(dòng)摘機(jī)電路實(shí)現(xiàn)模擬自動(dòng)摘機(jī)， 當(dāng)撥號(hào)報(bào)警或遠(yuǎn)程控制時(shí),， 系統(tǒng)自動(dòng)摘機(jī),， 接入電話網(wǎng)絡(luò)。在遠(yuǎn)程控制時(shí),， 振鈴檢測(cè)電路能檢測(cè)到電話振鈴信號(hào),， 從而自動(dòng)摘機(jī)。振鈴檢測(cè)電路主要由高速光耦6N138 和電壓比較器LM393 構(gòu)成,。根據(jù)程控交換機(jī)協(xié)議,， 交流振鈴信號(hào)為25 Hz, 90 V 的正弦波,。振鈴信號(hào)經(jīng)過(guò)直流隔離電容和限壓電阻后， 驅(qū)動(dòng)光電耦合器,， 光電耦合器的邏輯輸出端產(chǎn)生脈沖,， 經(jīng)過(guò)電壓比較器整形后， 得到方波脈沖,。脈沖信號(hào)輸入單片機(jī),， 單片機(jī)可以對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)， 計(jì)到一定的脈沖數(shù)后,， 自動(dòng)摘機(jī),。當(dāng)系統(tǒng)沒(méi)有正常連接到電話網(wǎng)絡(luò)時(shí)， 斷線檢測(cè)電路能自動(dòng)檢測(cè)到故障并進(jìn)行提示,。

　　2. 1. 5  語(yǔ)音電路

　　系統(tǒng)采用ISD1760 作為語(yǔ)音錄放芯片,。單片機(jī)通過(guò)SPI 串行總線與ISD1760 相連， 傳輸SPI 指令,， 配置內(nèi)部寄存器和實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音錄放,。ISD1700 作為SPI 從機(jī)，幾乎所有的按鍵操作都可以通過(guò)這些SPI 指令來(lái)實(shí)現(xiàn),。

　　一些SPI 命令： 如PLAY, REC, ERASE, FWD, RESET , GLOBAL_ERA SE 的運(yùn)行類似于相應(yīng)的獨(dú)立按鍵操作,， 另外SET_REC, SET _PLAY, SET _ERASE 命令允許用戶指定錄音、放音和擦除的起始和結(jié)束地址,。

　　系統(tǒng)初始化設(shè)置時(shí)， 應(yīng)該首先根據(jù)各種提示音的長(zhǎng)度,，用查表的方法分配好相應(yīng)的存儲(chǔ)起止地址,。并且通過(guò)硬件為用戶提供錄音接口與控制接口。撥號(hào)報(bào)警時(shí),， 根據(jù)報(bào)警類型尋址并播放相應(yīng)的提示音,。

　　2. 2  系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　2. 2. 1  系統(tǒng)主程序

　　系統(tǒng)上電后， 首先延時(shí)100 ms, 讓單片機(jī)和外圍電路有充分的時(shí)間復(fù)位,。在系統(tǒng)初始化過(guò)程中,， 使能C8051F020 的外部中斷6, 7 和串口中斷， 并將各個(gè)中斷請(qǐng)求標(biāo)志位復(fù)位,。外部中斷6 處理遠(yuǎn)程控制,， 外部中斷7處理報(bào)警， 串口中斷處理PC 控制命令,。循環(huán)掃描各路中斷標(biāo)志位,， 如果中斷請(qǐng)求標(biāo)志位置位， 則轉(zhuǎn)入相應(yīng)的中斷服務(wù)程序,。如圖2 所示,。

圖2  系統(tǒng)主程序流程圖

　　2. 2. 2  報(bào)警子程序

　　當(dāng)報(bào)警時(shí)， 調(diào)用摘機(jī)函數(shù)模擬摘機(jī)， 并進(jìn)行鈴音檢測(cè),。鈴音檢測(cè)時(shí)單片機(jī)計(jì)數(shù)器T 0 定時(shí)4 s, 計(jì)數(shù)器T 1對(duì)MT 8888 IRQ 輸出方波進(jìn)行4 s 計(jì)數(shù),。據(jù)程控交換機(jī)協(xié)議， 鈴音信號(hào)為誤差+ 25 H z 的450 Hz連續(xù)正弦波,， 撥號(hào)音是連續(xù)的,， 忙音為0. 35 s 通、0. 35 s斷,， 回鈴音為1 s 通,、4 s 斷?？稍O(shè)定計(jì)數(shù)門限,， 據(jù)計(jì)數(shù)值的不同進(jìn)行鈴音識(shí)別。如,， 撥號(hào)音的計(jì)數(shù)上下門限為（ 450+25） * 4= 1 900 和（ 450- 25） * 4= 1 700,。如圖3 所示。

圖3 報(bào)警子程序流程圖

　　2. 2. 3  遠(yuǎn)程控制子程序

　　當(dāng)與遠(yuǎn)程控制相應(yīng)的外部中斷6 中斷請(qǐng)求標(biāo)志置位時(shí),， 系統(tǒng)由主程序轉(zhuǎn)入遠(yuǎn)程控制子程序,。首先，MT8888 設(shè)置為DT MF 模式,， 然后解碼遠(yuǎn)程輸入的密碼,， 與本地的密碼進(jìn)行比較， 如果不匹配,， 則掛機(jī),； 否則身份驗(yàn)證通過(guò)。通過(guò)身份驗(yàn)證后,， MT8888 解碼遠(yuǎn)程控制指令并傳遞給單片機(jī),。單片機(jī)根據(jù)控制指令執(zhí)行相應(yīng)的控制操作， 執(zhí)行完成之后,， 自動(dòng)掛機(jī),。

　　2. 3  系統(tǒng)終端界面

　　系統(tǒng)終端界面如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)終端界面

　　當(dāng)系統(tǒng)處于待機(jī)狀態(tài)時(shí),， 安全指示燈亮,； 當(dāng)處于報(bào)警狀態(tài)時(shí)， 相應(yīng)的報(bào)警狀態(tài)指示燈會(huì)閃爍指示報(bào)警狀態(tài),。修改密碼時(shí)需要輸入原密碼,， 以防被人非法篡改，從而提高系統(tǒng)安全性,； 修改號(hào)碼時(shí)也需要輸入密碼,， 否則不能修改,。查詢系統(tǒng)日志時(shí)需要輸入密碼； 選擇日期,， 雙擊日期可以查詢當(dāng)天的報(bào)警日志,。報(bào)警日志可以以文本文件格式進(jìn)行存儲(chǔ)， 并且可以更改存儲(chǔ)目錄,， 便于日后查看和調(diào)用,。

　　3  結(jié) 語(yǔ)

　　該系統(tǒng)采用美國(guó)Silabs 公司的增強(qiáng)型8 位單片機(jī)C8051F020 為控制核心， 減小電磁輻射對(duì)系統(tǒng)數(shù)字無(wú)線收發(fā)電路的干擾,； 采用以2. 4 GHz 公共頻率為載波頻率的數(shù)字無(wú)線收發(fā)電路,， 相對(duì)于傳統(tǒng)的433 MHz 和315 MHz的無(wú)線收發(fā)電路具有抗干擾能力強(qiáng)， 發(fā)射距離遠(yuǎn)和電路體積小的優(yōu)點(diǎn),； 并結(jié)合多節(jié)點(diǎn)傳感組,， 能實(shí)時(shí)對(duì)家庭安全狀況進(jìn)行監(jiān)控， 及時(shí)通報(bào)安全隱患,。同時(shí),， 在固定電話網(wǎng)的基礎(chǔ)上， 增加GPRS 短信報(bào)警的功能,， 彌補(bǔ)了通過(guò)固定電話網(wǎng)絡(luò)傳遞報(bào)警信息功能上的不足,， 提高系統(tǒng)的安全性能。還設(shè)計(jì)了個(gè)人電腦終端桌面程序,， 改善人機(jī)接口,， 更加方便用戶設(shè)置/ 修改密碼、預(yù)置/ 修改電話號(hào)碼,、查詢報(bào)警日志等,。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明， 該系統(tǒng)具有成本低,、穩(wěn)定,、功能齊全,、人機(jī)接口友好的特點(diǎn),， 具有很強(qiáng)的研究意義和社會(huì)實(shí)用價(jià)值， 以及廣闊的市場(chǎng)前景,。