2018年02月21日 | 基于GPRS和数字无线的嵌入式报警系统的设计

0 引言
    报警系统作为智能家居的一个重要组成部分，正在日常生活中起着越来越重要的作用。当今常用的报警系统都是通过单片机控制固定电话网络传输警情，稳定性和可靠性都比较低，而且人机交互困难，操作复杂，这就直接削弱了它在实际生活中的应用价值，所以报警系统急需进行设计方案的改进和优化，以推进其发展。
    本文设计了一种以增强型单片机为控制核心，结合传感技术、数字无线技术、GSM移动通信网络、固定电话网络、嵌入式技术和计算机控制技术的智能报警系统。相对以往电话报警系统，该系统以GPRS短信功能弥补固定电话报警的缺陷，在功能上和性能上都进行了加强和完善，提高了稳定性和可靠性，而且改善了人机交互接口，简化用户管理系统时的操作。

1 系统概述
    该系统采用增强型单片机作为系统的处理器，提高系统工作的稳定性和可靠性，尽量减小系统的误报和漏报率。系统通过煤气、烟雾、门磁、红外、超声波等多路传感器的协同工作，对环境的安全状况进行实时监测，并结合固定电话网络和GSM网络，实现火灾、盗情和各种紧急情况的语音报警和短信提示。该系统还为用户提供了易于操作的计算机终端界面，降低用户管理与设置的操作复杂度。此外，系统还设有报警日志，用户通过系统终端界面输入口令并验证成功后可选择日期查看当天系统报警日志，在一定程度上实现了报警取证。系统主要有6项具体功能：
    (1)数字无线技术与传感技术结合，实时监控家庭环境安全状况；
    (2)中央控制器接收到报警信号后，通过固定电话网络自动拨打预置电话号码进行语音报警或通过GPRS通信模块发送短信提示；
    (3)具有自动摘机和DTMF解码功能，用户可以拨打电话远程控制系统，如：报警预处理、解除系统报警监控；
    (4)通过系统终端界面或系统键盘进行设置或修改密码、预置或修改电话号码；
    (5)记录和查询报警日志；
    (6)断线检测功能，自动检测系统到电话网络的连接异常。

2 系统设计与实现方案
    该系统以单片机C8051F020最小系统为核心控制电路，减小单片机的电磁辐射对数字无线电路造成的干扰，提高系统的稳定性。传感器组和数字无线收发模块组成环境监控电路，监测环境安全状况。GPRS通信模块和DTMF双音多频编解码电路组成系统的报警信息传输通道。 G-PRS通信模块通过GSM网络，向用户手机发送短信，传递报警信息。DTMF双音多频编解码电路通过固定电话网络实现自动拨号和远程控制。电话接口电路包括断线检测电路、振铃检测电路、自动摘机电路，实现断线检测、振铃检测、自动摘机。语音电路则用于报警提示音存储和放音控制。图1为系统总体设计框图。

2．1 系统硬件设计
    该系统主要由5个硬件模块组成：数字无线收发电路、GPRS接口电路、DTMF双音多频编解码电路、电话接口电路、语音电路。
2．1．1 数字无线收发电路
    系统采用以nRF24L01为核心的2．4 GHz半双工数字无线传输模块。nRF24L01有6根控制信号线，SPI总线4个引脚：CSN(SPI使能)、SCK(SPI时钟)、MOSI(主出从入)和MISO(主入从出)；IRQ为接受到数据后产生的中断信号，供单片机查询；CE为片选信号，置低则开启数据传输模块。MCU通过SPI串行总线来配置nRF24L01的内部寄存器和进行数据收发。在与传感器连接的无线发射电路中，警情发生时触发节点MCU控制nRF24L01数字无线传输模块发射本节点地址和采集到的报警信号；在无线接收电路中，C8051F020直接与nRF24L01进行通信，接收传感器节点地址和报警信息，通过识别节点地址判断报警类别。
2．1．2 GPRS模块接口电路
    中央处理器接收到传感器发送的报警信号后，控制GPRS通信模块，通过GSM网络，向用户手机终端发送短信进行报警提示。
    单片机控制电路与GPRS通信模块通过UART接口相连。但是，由于GPRS模块信号线上为12V S232电平，而单片机电平为3．3 V，所以必须采用MAX3232进行电平转换。当报警时，单片机通过串口将控制指令和短信内容发送到GPRS通信模块；GPRS通信模块识别出控制指令，根据短信内容向用户发送短信。
2．1．3 DTMF双音多频编解码电路
    DTMF双音多频编解码电路主要由MT8888构成，包括DTMF编码电路、DTMF解码电路和铃音识别电路。编码电路实现自动拨号，解码电路实现远程控制指令识别。铃音识别电路能正确进行拨号音、忙音、回铃音的识别。
    自动拨号时，单片机将被叫号码发送到发送数据寄存器，合成DTMF信号，经放大后通过电话接口传输到电话网络中的程控交换机，实现拨号。远程控制时，远程DTMF控制信号经过高频和低频滤波器滤波后，再经过数字编码器编码，得到相应控制指令的二进制编码，存放于接收数据寄存器，同时在MT8888的IRQ端口产生中断信号；单片机响应中断后，读出接收数据寄存器的数据，识别控制指令。铃音识别时，450 Hz的正弦铃音信号从DTMF IN端口输入，经过一个中心频率为450 Hz、带宽为250 Hz的滤波器，如果信号落在滤波器的通带内，则IRQ端口输出同频率的方波。
2．1．4 电话接口电路
    电话接口电路包括自动摘机电路、振铃检测电路和断线检测电路。
    自动摘机电路实现模拟自动摘机，当拨号报警或远程控制时，系统自动摘机，接入电话网络。在远程控制时，振铃检测电路能检测到电话振铃信号，从而自动摘机。振铃检测电路主要由高速光耦6N138和电压比较器LM393构成。根据程控交换机协议，交流振铃信号为25 Hz，90 V的正弦波。振铃信号经过直流隔离电容和限压电阻后，驱动光电耦合器，光电耦合器的逻辑输出端产生脉冲，经过电压比较器整形后，得到方波脉冲。脉冲信号输入单片机，单片机可以对脉冲进行计数，计到一定的脉冲数后，自动摘机。当系统没有正常连接到电话网络时，断线检测电路能自动检测到故障并进行提示。
2．1．5 语音电路
    系统采用ISD1760作为语音录放芯片。单片机通过SPI串行总线与ISD1760相连，传输SPI指令，配置内部寄存器和实现语音录放。ISD176 0作为SPI从机，几乎所有的按键操作都可以通过这些SPI指令来实现。一些SPI命令：如PLAY，REC，ERASE，FWD，RESET，GLOBAL_ERASE的运行类似于相应的独立按键操作，另外SET_REC，SET_PLAY，SET_ERASE命令允许用户指定录音、放音和擦除的起始和结束地址。系统初始化设置时，应该首先根据各种提示音的长度，用查表的方法分配好相应的存储起止地址。并且通过硬件为用户提供录音接口与控制接口。拨号报警时，根据报警类型寻址并播放相应的提示音。
2．2 系统软件设计
2．2．1 系统主程序
    系统上电后，首先延时100 ms，让单片机和外围电路有充分的时间复位。在系统初始化过程中，使能C8051F020的外部中断6，7和串口中断，并将各个中断请求标志位复位。外部中断6处理远程控制，外部中断7处理报警，串口中断处理．PC控制命令。循环扫描各路中断标志位，如果中断请求标志位置位，则转入相应的中断服务程序。如图2所示。

2．2．2 报警子程序
    当报警时，调用摘机函数模拟摘机，并进行铃音检测。铃音检测时单片机计数器T0定时4 s，计数器T1对MT8888 IRQ输出方波进行4 s计数。据程控交换机协议，铃音信号为误差+25 Hz的450 Hz连续正弦波，拨号音是连续的，忙音为0．35 s通、0．35 s断，回铃音为1 s通、4 s断。可设定计数门限，据计数值的不同进行铃音识别。如，拨号音的计数上下门限为(450+25)×4=1 900和(450-25)×4=1700。如图3所示。

2．2．3 远程控制子程序
    当与远程控制相应的外部中断6中断请求标志置位时，系统由主程序转入远程控制子程序。首先，MT8888设置为DTMF模式，然后解码远程输入的密码，与本地的密码进行比较，如果不匹配，则挂机；否则身份验证通过。通过身份验证后，MT8888解码远程控制指令并传递给单片机。单片机根据控制指令执行相应的控制操作，执行完成之后，自动挂机。
2．3 系统终端界面
    系统终端界面如图4所示。

    当系统处于待机状态时，安全指示灯亮；当处于报警状态时，相应的报警状态指示灯会闪烁指示报警状态。修改密码时需要输入原密码，以防被人非法篡改，从而提高系统安全性；修改号码时也需要输入密码，否则不能修改。查询系统日志时需要输入密码，选择日期，双击日期可以查询当天的报警日志。报警日志可以以文本文件格式进行存储，并且可以更改存储目录，便于日后查看和调用。

3 结语
    该系统采用美国SILabs公司的增强型8位单片机C8051F020为控制核心，减小电磁辐射对系统数字无线收发电路的干扰；采用以2．4 GHz公共频率为载波频率的数字无线收发电路，相对于传统的433 MHz和315 MHz的无线收发电路具有抗干扰能力强，发射距离远和电路体积小的优点；并结合多节点传感组，能实时对家庭安全状况进行监控，及时通报安全隐患。同时，在固定电话网的基础上，增加GPRS短信报警的功能，弥补了通过固定电话网络传递报警信息功能上的不足，提高系统的安全性能。还设计了个人电脑终端桌面程序，改善人机接口，更加方便用户设置／修改密码、预置／修改电话号码、查询报警日志等。经实验证明，该系统具有成本低、稳定、功能齐全、人机接口友好的特点，具有很强的研究意义和社会实用价值，以及广阔的市场前景。