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(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。

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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(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(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這些SPI 指令來實(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。

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圖2? 系統(tǒng)主程序流程圖