0 引言
報警系統(tǒng)" title="報警系統(tǒng)">報警系統(tǒng)作為智能家居的一個重要組成部分，正在日常生活中起著越來越重要的作用,。當(dāng)今常用的報警系統(tǒng)都是通過單片機(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際生活中的應(yīng)用價值，所以報警系統(tǒng)急需進(jìn)行設(shè)計" title="設(shè)計">設(shè)計方案的改進(jìn)和優(yōu)化,，以推進(jìn)其發(fā)展,。
本文設(shè)計了一種以增強(qiáng)型單片機(jī)為控制核心，結(jié)合傳感技術(shù),、數(shù)字" title="數(shù)字">數(shù)字無線技術(shù),、GSM移動通信網(wǎng)絡(luò)、固定電話網(wǎng)絡(luò),、嵌入式" title="嵌入式">嵌入式技術(shù)和計算機(jī)控制技術(shù)的智能報警系統(tǒng),。相對以往電話報警系統(tǒng)，該系統(tǒng)以GPRS" title="GPRS">GPRS短信功能彌補(bǔ)固定電話報警的缺陷,，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,，簡化用戶管理系統(tǒng)時的操作,。
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)的誤報和漏報率,。系統(tǒng)通過煤氣、煙霧、門磁,、紅外,、超聲波等多路傳感器的協(xié)同工作，對環(huán)境的安全狀況進(jìn)行實時監(jiān)測,，并結(jié)合固定電話網(wǎng)絡(luò)和GSM網(wǎng)絡(luò),，實現(xiàn)火災(zāi)、盜情和各種緊急情況的語音報警和短信提示,。該系統(tǒng)還為用戶提供了易于操作的計算機(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)有報警日志,，用戶通過系統(tǒng)終端界面輸入口令并驗證成功后可選擇日期查看當(dāng)天系統(tǒng)報警日志，在一定程度上實現(xiàn)了報警取證,。系統(tǒng)主要有6項具體功能：
(1)數(shù)字無線技術(shù)與傳感技術(shù)結(jié)合,，實時監(jiān)控家庭環(huán)境安全狀況；
(2)中央控制器接收到報警信號后,，通過固定電話網(wǎng)絡(luò)自動撥打預(yù)置電話號碼進(jìn)行語音報警或通過GPRS通信模塊發(fā)送短信提示,；
(3)具有自動摘機(jī)和DTMF解碼功能，用戶可以撥打電話遠(yuǎn)程控制系統(tǒng),，如：報警預(yù)處理,、解除系統(tǒng)報警監(jiān)控；
(4)通過系統(tǒng)終端界面或系統(tǒng)鍵盤進(jìn)行設(shè)置或修改密碼,、預(yù)置或修改電話號碼,；
(5)記錄和查詢報警日志；
(6)斷線檢測功能,，自動檢測系統(tǒng)到電話網(wǎng)絡(luò)的連接異常,。
2 系統(tǒng)設(shè)計與實現(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)的電磁輻射對數(shù)字無線電路造成的干擾,，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性,。傳感器組和數(shù)字無線收發(fā)模塊組成環(huán)境監(jiān)控電路，監(jiān)測環(huán)境安全狀況,。GPRS通信模塊和DTMF雙音多頻編解碼電路組成系統(tǒng)的報警信息傳輸通道,。 G-PRS通信模塊通過GSM網(wǎng)絡(luò)，向用戶手機(jī)發(fā)送短信,，傳遞報警信息,。DTMF雙音多頻編解碼電路通過固定電話網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)自動撥號和遠(yuǎn)程控制。電話接口電路包括斷線檢測電路,、振鈴檢測電路,、自動摘機(jī)電路，實現(xiàn)斷線檢測,、振鈴檢測,、自動摘機(jī)。語音電路則用于報警提示音存儲和放音控制,。圖1為系統(tǒng)總體設(shè)計框圖,。
2．1 系統(tǒng)硬件設(shè)計
該系統(tǒng)主要由5個硬件模塊組成：數(shù)字無線收發(fā)電路、GPRS接口電路,、DTMF雙音多頻編解碼電路,、電話接口電路、語音電路,。
2．1．1 數(shù)字無線收發(fā)電路
系統(tǒng)采用以nRF24L01為核心的2．4 GHz半雙工數(shù)字無線傳輸模塊,。nRF24L01有6根控制信號線，SPI總線4個引腳：CSN(SPI使能),、SCK(SPI時鐘),、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,，供單片機(jī)查詢,；CE為片選信號，置低則開啟數(shù)據(jù)傳輸模塊,。MCU通過SPI串行總線來配置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線發(fā)射電路中，警情發(fā)生時觸發(fā)節(jié)點MCU控制nRF24L01數(shù)字無線傳輸模塊發(fā)射本節(jié)點地址和采集到的報警信號,；在無線接收電路中,，C8051F020直接與nRF24L01進(jìn)行通信，接收傳感器節(jié)點地址和報警信息,，通過識別節(jié)點地址判斷報警類別,。
2．1．2 GPRS模塊接口電路
中央處理器接收到傳感器發(fā)送的報警信號后，控制GPRS通信模塊,，通過GSM網(wǎng)絡(luò),，向用戶手機(jī)終端發(fā)送短信進(jìn)行報警提示。
單片機(jī)控制電路與GPRS通信模塊通過UART接口相連,。但是,，由于GPRS模塊信號線上為12V 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)報警時，單片機(jī)通過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
DTMF雙音多頻編解碼電路主要由MT8888構(gòu)成，包括DTMF編碼電路,、DTMF解碼電路和鈴音識別電路,。編碼電路實現(xiàn)自動撥號，解碼電路實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制指令識別,。鈴音識別電路能正確進(jìn)行撥號音,、忙音、回鈴音的識別,。
自動撥號時,，單片機(jī)將被叫號碼發(fā)送到發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器，合成DTMF信號,，經(jīng)放大后通過電話接口傳輸?shù)诫娫捑W(wǎng)絡(luò)中的程控交換機(jī),，實現(xiàn)撥號。遠(yuǎn)程控制時,，遠(yuǎn)程DTMF控制信號經(jīng)過高頻和低頻濾波器濾波后,，再經(jīng)過數(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,，同時在MT8888的IRQ端口產(chǎn)生中斷信號；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),，識別控制指令。鈴音識別時,，450 Hz的正弦鈴音信號從DTMF IN端口輸入,，經(jīng)過一個中心頻率為450 Hz、帶寬為250 Hz的濾波器,，如果信號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摘機(jī)電路,、振鈴檢測電路和斷線檢測電路,。
自動摘機(jī)電路實現(xiàn)模擬自動摘機(jī)，當(dāng)撥號報警或遠(yuǎn)程控制時,，系統(tǒng)自動摘機(jī),，接入電話網(wǎng)絡(luò)。在遠(yuǎn)程控制時,，振鈴檢測電路能檢測到電話振鈴信號,，從而自動摘機(jī)。振鈴檢測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,，交流振鈴信號為25 Hz,，90 V的正弦波。振鈴信號經(jīng)過直流隔離電容和限壓電阻后,，驅(qū)動光電耦合器,，光電耦合器的邏輯輸出端產(chǎn)生脈沖，經(jīng)過電壓比較器整形后,，得到方波脈沖,。脈沖信號輸入單片機(jī)，單片機(jī)可以對脈沖進(jìn)行計數(shù),，計到一定的脈沖數(shù)后，自動摘機(jī),。當(dāng)系統(tǒng)沒有正常連接到電話網(wǎng)絡(luò)時,，斷線檢測電路能自動檢測到故障并進(jìn)行提示。
2．1．5 語音電路
系統(tǒng)采用ISD1760作為語音錄放芯片,。單片機(jī)通過SPI串行總線與ISD1760相連,，傳輸SPI指令，配置內(nèi)部寄存器和實現(xiàn)語音錄放,。ISD176 0作為SPI從機(jī),，幾乎所有的按鍵操作都可以通過這些SPI指令來實現(xiàn)。一些SPI命令：如PLAY,，REC,，ERASE，F(xiàn)WD,，RESET,，GLOBAL_ERASE的運行類似于相應(yīng)的獨立按鍵操作，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,，應(yīng)該首先根據(jù)各種提示音的長度，用查表的方法分配好相應(yīng)的存儲起止地址,。并且通過硬件為用戶提供錄音接口與控制接口,。撥號報警時，根據(jù)報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
2．2．1 系統(tǒng)主程序
系統(tǒng)上電后,，首先延時100 ms，讓單片機(jī)和外圍電路有充分的時間復(fù)位,。在系統(tǒng)初始化過程中,，使能C8051F020的外部中斷6,，7和串口中斷，并將各個中斷請求標(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,。
2．2．2 報警子程序
當(dāng)報警時，調(diào)用摘機(jī)函數(shù)模擬摘機(jī),，并進(jìn)行鈴音檢測,。鈴音檢測時單片機(jī)計數(shù)器T0定時4 s，計數(shù)器T1對MT8888 IRQ輸出方波進(jìn)行4 s計數(shù),。據(jù)程控交換機(jī)協(xié)議,，鈴音信號為誤差+25 Hz的450 Hz連續(xù)正弦波，撥號音是連續(xù)的,，忙音為0．35 s通,、0．35 s斷，回鈴音為1 s通,、4 s斷,。可設(shè)定計數(shù)門限,，據(jù)計數(shù)值的不同進(jìn)行鈴音識別,。如，撥號音的計數(shù)上下門限為(450+25)×4=1 900和(450-25)×4=1700,。如圖3所示,。
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中斷請求標(biāo)志置位時，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DTMF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),；否則身份驗證通過,。通過身份驗證后，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,，自動掛機(jī)。
2．3 系統(tǒng)終端界面
系統(tǒng)終端界面如圖4所示,。
當(dāng)系統(tǒng)處于待機(jī)狀態(tài)時,，安全指示燈亮；當(dāng)處于報警狀態(tài)時,，相應(yīng)的報警狀態(tài)指示燈會閃爍指示報警狀態(tài),。修改密碼時需要輸入原密碼，以防被人非法篡改,，從而提高系統(tǒng)安全性,；修改號碼時也需要輸入密碼，否則不能修改,。查詢系統(tǒng)日志時需要輸入密碼,，選擇日期，雙擊日期可以查詢當(dāng)天的報警日志,。報警日志可以以文本文件格式進(jìn)行存儲，并且可以更改存儲目錄,，便于日后查看和調(diào)用,。
3 結(jié)語
該系統(tǒng)采用美國Silabs公司的增強(qiáng)型8位單片機(jī)C8051F020為控制核心，減小電磁輻射對系統(tǒng)數(shù)字無線收發(fā)電路的干擾,；采用以2．4 GHz公共頻率為載波頻率的數(shù)字無線收發(fā)電路,，相對于傳統(tǒng)的433 MHz和315 MHz的無線收發(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,；并結(jié)合多節(jié)點傳感組,，能實時對家庭安全狀況進(jìn)行監(jiān)控，及時通報安全隱患,。同時,，在固定電話網(wǎng)的基礎(chǔ)上，增加GPRS短信報警的功能,，彌補(bǔ)了通過固定電話網(wǎng)絡(luò)傳遞報警信息功能上的不足,，提高系統(tǒng)的安全性能。還設(shè)計了個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／修改電話號碼,、查詢報警日志等,。經(jīng)實驗證明，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，具有很強(qiáng)的研究意義和社會實用價值,，以及廣闊的市場前景,。