摘 要： 為了實現對家居環境安全狀況實時的監控以及在發生警情時能自動撥號進行語音提示或發送報警短信， 設計了一種基于GPRS 和數字無線技術的嵌入式電話報警系統。該系統以SoC（ 在片系統） 單片機C8501F020 為控制與處理核心， 并利用2. 4 GHz 數字無線傳輸技術連接傳感器， 接收傳感器采集的信號， 對周圍環境進行監控。同時， 該系統結合GPRS短信功能和固定電話網絡， 實現報警信息的可靠傳遞和遠程控制。系統還設計了終端界面， 可方便用戶進行系統設置密碼或預置報警電話號碼， 以及生成和查詢系統報警日志。

　　報警系統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。當今常用的報警系統都是通過單片機控制固定電話網絡傳輸警情， 穩定性和可靠性都比較低， 而且人機交互困難， 操作復雜， 這就直接削弱了它在實際生活中的應用價值， 所以報警系統急需進行設計方案的改進和優化， 以推進其發展 。

　　本文設計了一種以增強型單片機為控制核心， 結合傳感技術、數字無線技術、GSM 移動通信網絡、固定電話網絡、嵌入式技術和計算機控制技術的智能報警系統。相對以往電話報警系統， 該系統以GPRS 短信功能彌補固定電話報警的缺陷， 在功能上和性能上都進行了加強和完善， 提高了穩定性和可靠性， 而且改善了人機交互接口， 簡化用戶管理系統時的操作。

　　1  系統概述

　　該系統采用增強型單片機作為系統的處理器， 提高系統工作的穩定性和可靠性， 盡量減小系統的誤報和漏報率。系統通過煤氣、煙霧、門磁、紅外、超聲波等多路傳感器的協同工作， 對環境的安全狀況進行實時監測，并結合固定電話網絡和GSM 網絡， 實現火災、盜情和各種緊急情況的語音報警和短信提示。該系統還為用戶提供了易于操作的計算機終端界面， 降低用戶管理與設置的操作復雜度。此外， 系統還設有報警日志， 用戶通過系統終端界面輸入口令并驗證成功后可選擇日期查看當天系統報警日志， 在一定程度上實現了報警取證。系統主要有6 項具體功能：

　　（ 1） 數字無線技術與傳感技術結合， 實時監控家庭環境安全狀況；

　?。?2） 中央控制器接收到報警信號后， 通過固定電話網絡自動撥打預置電話號碼進行語音報警或通過GPRS 通信模塊發送短信提示；

　　（ 3） 具有自動摘機和DT MF 解碼功能， 用戶可以撥打電話遠程控制系統， 如： 報警預處理、解除系統報警監控；

　?。?4） 通過系統終端界面或系統鍵盤進行設置或修改密碼、預置或修改電話號碼；

　　（ 5） 記錄和查詢報警日志；

　　（ 6） 斷線檢測功能， 自動檢測系統到電話網絡的連接異常。

　　2  系統設計與實現方案

　　該系統以單片機C8051F020 最小系統為核心控制電路， 減小單片機的電磁輻射對數字無線電路造成的干擾， 提高系統的穩定性。傳感器組和數字無線收發模塊組成環境監控電路， 監測環境安全狀況。GPRS 通信模塊和DT MF 雙音多頻編解碼電路組成系統的報警信息傳輸通道。GPRS 通信模塊通過GSM 網絡， 向用戶手機發送短信， 傳遞報警信息。DT MF 雙音多頻編解碼電路通過固定電話網絡實現自動撥號和遠程控制。電話接口電路包括斷線檢測電路、振鈴檢測電路、自動摘機電路， 實現斷線檢測、振鈴檢測、自動摘機。語音電路則用于報警提示音存儲和放音控制。圖1 為系統總體設計框圖。

圖1  系統總體設計框圖

　　2. 1  系統硬件設計

　　該系統主要由5 個硬件模塊組成： 數字無線收發電路、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  數字無線收發電路

　　系統采用以nRF24L01 為核心的2. 4 GHz 半雙工數字無線傳輸模塊。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 為接受到數據后產生的中斷信號， 供單片機查詢； CE 為片選信號， 置低則開啟數據傳輸模塊。MCU 通過SPI 串行總線來配置nRF24L01 的內部寄存器和進行數據收發。

　　在與傳感器連接的無線發射電路中， 警情發生時觸發節點MCU 控制nRF24L01 數字無線傳輸模塊發射本節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 進行通信， 接收傳感器節點地址和報警信息， 通過識別節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送的報警信號后， 控制GPRS 通信模塊， 通過GSM 網絡， 向用戶手機終端發送短信進行報警提示。

　　單片機控制電路與GPRS 通信模塊通過UART 接口相連。但是， 由于GPRS 模塊信號線上為12 V S232電平， 而單片機電平為3. 3 V, 所以必須采用MAX3232進行電平轉換。當報警時， 單片機通過串口將控制指令和短信內容發送到GPRS 通信模塊； GPRS 通信模塊識別出控制指令， 根據短信內容向用戶發送短信。

　　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。編碼電路實現自動撥號， 解碼電路實現遠程控制指令識別。鈴音識別電路能正確進行撥號音、忙音、回鈴音的識別。

　　自動撥號時， 單片機將被叫號碼發送到發送數據寄存器， 合成DTMF 信號， 經放大后通過電話接口傳輸到電話網絡中的程控交換機， 實現撥號。遠程控制時， 遠程DT MF 控制信號經過高頻和低頻濾波器濾波后， 再經過數字編碼器編碼， 得到相應控制指令的二進制編碼， 存放于接收數據寄存器， 同時在MT 8888 的IRQ 端口產生中斷信號； 單片機響應中斷后， 讀出接收數據寄存器的數據， 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， 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電路、振鈴檢測電路和斷線檢測電路。

　　自動摘機電路實現模擬自動摘機， 當撥號報警或遠程控制時， 系統自動摘機， 接入電話網絡。在遠程控制時， 振鈴檢測電路能檢測到電話振鈴信號， 從而自動摘機。振鈴檢測電路主要由高速光耦6N138 和電壓比較器LM393 構成。根據程控交換機協議， 交流振鈴信號為25 Hz, 90 V 的正弦波。振鈴信號經過直流隔離電容和限壓電阻后， 驅動光電耦合器， 光電耦合器的邏輯輸出端產生脈沖， 經過電壓比較器整形后， 得到方波脈沖。脈沖信號輸入單片機， 單片機可以對脈沖進行計數， 計到一定的脈沖數后， 自動摘機。當系統沒有正常連接到電話網絡時， 斷線檢測電路能自動檢測到故障并進行提示。

　　2. 1. 5  語音電路

　　系統采用ISD1760 作為語音錄放芯片。單片機通過SPI 串行總線與ISD1760 相連， 傳輸SPI 指令， 配置內部寄存器和實現語音錄放。ISD1700 作為SPI 從機，幾乎所有的按鍵操作都可以通過這些SPI 指令來實現。

　　一些SPI 命令： 如PLAY, REC, ERASE, FWD, RESET , GLOBAL_ERA SE 的運行類似于相應的獨立按鍵操作， 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束地址。

　　系統初始化設置時， 應該首先根據各種提示音的長度，用查表的方法分配好相應的存儲起止地址。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， 根據報警類型尋址并播放相應的提示音。

　　2. 2  系統軟件設計

　　2. 2. 1  系統主程序

　　系統上電后， 首先延時100 ms, 讓單片機和外圍電路有充分的時間復位。在系統初始化過程中， 使能C8051F020 的外部中斷6, 7 和串口中斷， 并將各個中斷請求標志位復位。外部中斷6 處理遠程控制， 外部中斷7處理報警， 串口中斷處理PC 控制命令。循環掃描各路中斷標志位， 如果中斷請求標志位置位， 則轉入相應的中斷服務程序。如圖2 所示。

圖2  系統主程序流程圖

　　2. 2. 2  報警子程序

　　當報警時， 調用摘機函數模擬摘機， 并進行鈴音檢測。鈴音檢測時單片機計數器T 0 定時4 s, 計數器T 1對MT 8888 IRQ 輸出方波進行4 s 計數。據程控交換機協議， 鈴音信號為誤差+ 25 H z 的450 Hz連續正弦波， 撥號音是連續的， 忙音為0. 35 s 通、0. 35 s斷， 回鈴音為1 s 通、4 s 斷?？稍O定計數門限， 據計數值的不同進行鈴音識別。如， 撥號音的計數上下門限為（ 450+25） * 4= 1 900 和（ 450- 25） * 4= 1 700。如圖3 所示。

圖3 報警子程序流程圖

　　2. 2. 3  遠程控制子程序

　　當與遠程控制相應的外部中斷6 中斷請求標志置位時， 系統由主程序轉入遠程控制子程序。首先，MT8888 設置為DT MF 模式， 然后解碼遠程輸入的密碼， 與本地的密碼進行比較， 如果不匹配， 則掛機； 否則身份驗證通過。通過身份驗證后， MT8888 解碼遠程控制指令并傳遞給單片機。單片機根據控制指令執行相應的控制操作， 執行完成之后， 自動掛機。

　　2. 3  系統終端界面

　　系統終端界面如圖4 所示。

圖4 系統終端界面

　　當系統處于待機狀態時， 安全指示燈亮； 當處于報警狀態時， 相應的報警狀態指示燈會閃爍指示報警狀態。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。查詢系統日志時需要輸入密碼； 選擇日期， 雙擊日期可以查詢當天的報警日志。報警日志可以以文本文件格式進行存儲， 并且可以更改存儲目錄， 便于日后查看和調用。

　　3  結 語

　　該系統采用美國Silabs 公司的增強型8 位單片機C8051F020 為控制核心， 減小電磁輻射對系統數字無線收發電路的干擾； 采用以2. 4 GHz 公共頻率為載波頻率的數字無線收發電路， 相對于傳統的433 MHz 和315 MHz的無線收發電路具有抗干擾能力強， 發射距離遠和電路體積小的優點； 并結合多節點傳感組， 能實時對家庭安全狀況進行監控， 及時通報安全隱患。同時， 在固定電話網的基礎上， 增加GPRS 短信報警的功能， 彌補了通過固定電話網絡傳遞報警信息功能上的不足， 提高系統的安全性能。還設計了個人電腦終端桌面程序， 改善人機接口， 更加方便用戶設置/ 修改密碼、預置/ 修改電話號碼、查詢報警日志等。經實驗證明， 該系統具有成本低、穩定、功能齊全、人機接口友好的特點， 具有很強的研究意義和社會實用價值， 以及廣闊的市場前景。