基于GPRS和數(shù)字無線的嵌入式報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

0 引言
    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越重要的作用。當(dāng)今常用的報(bào)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(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，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)行語音報(bào)警或通過GPRS通信模塊發(fā)送短信提示；
    (3)具有自動(dòng)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(bào)警預(yù)處理、解除系統(tǒng)報(bào)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(hào)碼；
    (5)記錄和查詢報(bào)警日志；
    (6)斷線檢測功能，自動(dòng)檢測系統(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(bào)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(bào)警信息。DTMF雙音多頻編解碼電路通過固定電話網(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電路、振鈴檢測電路、自動(dòng)摘機(jī)電路，實(shí)現(xiàn)斷線檢測、振鈴檢測、自動(dòng)摘機(jī)。語音電路則用于報(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。

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(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(shí)觸發(fā)節(jié)點(diǎn)MCU控制nRF24L01數(shù)字無線傳輸模塊發(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UART接口相連。但是，由于GPRS模塊信號(hào)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(bào)警時(shí)，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(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
    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(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DTMF控制信號(hào)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(shí)在MT8888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、振鈴檢測電路和斷線檢測電路。
    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)，振鈴檢測電路能檢測到電話振鈴信號(hào)，從而自動(dòng)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(hào)為25 Hz，90 V的正弦波。振鈴信號(hào)經(jīng)過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)沒有正常連接到電話網(wǎng)絡(luò)時(shí)，斷線檢測電路能自動(dòng)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(shí)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(shí)現(xiàn)。一些SPI命令：如PLAY，REC，ERASE，F(xiàn)WD，RESET，GLOBAL_ERASE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。[!--empirenews.page--]

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。鈴音檢測時(shí)單片機(jī)計(jì)數(shù)器T0定時(shí)4 s，計(jì)數(shù)器T1對(duì)MT8888 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 Hz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=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(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(yàn)證通過。通過身份驗(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。

    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
    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(duì)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(duì)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(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，以及廣闊的市場前景。