基于GPRS和數字無(wú)線(xiàn)的嵌入式報警系統的設計

0 引言
報警系統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(zhù)越來(lái)越重要的作用。當今常用的報警系統都是通過(guò)單片機控制固定電話(huà)網(wǎng)絡(luò )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(shí)際生活中的應用價(jià)值，所以報警系統急需進(jìn)行設計方案的改進(jìn)和優(yōu)化，以推進(jìn)其發(fā)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(shù)、數字無(wú)線(xiàn)技術(shù)、GSM移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )、固定電話(huà)網(wǎng)絡(luò )、嵌入式技術(shù)和計算機控制技術(shù)的智能報警系統。相對以往電話(huà)報警系統，該系統以GPRS短信功能彌補固定電話(huà)報警的缺陷，在功能上和性能上都進(jìn)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(jiǎn)化用戶(hù)管理系統時(shí)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(guò)煤氣、煙霧、門(mén)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(shí)時(shí)監測，并結合固定電話(huà)網(wǎng)絡(luò )和GSM網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現火災、盜情和各種緊急情況的語(yǔ)音報警和短信提示。該系統還為用戶(hù)提供了易于操作的計算機終端界面，降低用戶(hù)管理與設置的操作復雜度。此外，系統還設有報警日志，用戶(hù)通過(guò)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(shí)現了報警取證。系統主要有6項具體功能：
(1)數字無(wú)線(xiàn)技術(shù)與傳感技術(shù)結合，實(shí)時(shí)監控家庭環(huán)境安全狀況；
(2)中央控制器接收到報警信號后，通過(guò)固定電話(huà)網(wǎng)絡(luò )自動(dòng)撥打預置電話(huà)號碼進(jìn)行語(yǔ)音報警或通過(guò)GPRS通信模塊發(fā)送短信提示；
(3)具有自動(dòng)摘機和DTMF解碼功能，用戶(hù)可以撥打電話(huà)遠程控制系統，如：報警預處理、解除系統報警監控；
(4)通過(guò)系統終端界面或系統鍵盤(pán)進(jìn)行設置或修改密碼、預置或修改電話(huà)號碼；
(5)記錄和查詢(xún)報警日志；
(6)斷線(xiàn)檢測功能，自動(dòng)檢測系統到電話(huà)網(wǎng)絡(luò )的連接異常。

2 系統設計與實(shí)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(wú)線(xiàn)電路造成的干擾，提高系統的穩定性。傳感器組和數字無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊組成環(huán)境監控電路，監測環(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的報警信息傳輸通道。 G-PRS通信模塊通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò )，向用戶(hù)手機發(fā)送短信，傳遞報警信息。DTMF雙音多頻編解碼電路通過(guò)固定電話(huà)網(wǎng)絡(luò )實(shí)現自動(dòng)撥號和遠程控制。電話(huà)接口電路包括斷線(xiàn)檢測電路、振鈴檢測電路、自動(dòng)摘機電路，實(shí)現斷線(xiàn)檢測、振鈴檢測、自動(dòng)摘機。語(yǔ)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。

2．1 系統硬件設計
該系統主要由5個(gè)硬件模塊組成：數字無(wú)線(xiàn)收發(fā)電路、GPRS接口電路、DTMF雙音多頻編解碼電路、電話(huà)接口電路、語(yǔ)音電路。
2．1．1 數字無(wú)線(xiàn)收發(fā)電路
系統采用以nRF24L01為核心的2．4 GHz半雙工數字無(wú)線(xiàn)傳輸模塊。nRF24L01有6根控制信號線(xiàn)，SPI總線(xiàn)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為接受到數據后產(chǎn)生的中斷信號，供單片機查詢(xún)；CE為片選信號，置低則開(kāi)啟數據傳輸模塊。MCU通過(guò)SPI串行總線(xiàn)來(lái)配置nRF24L01的內部寄存器和進(jìn)行數據收發(fā)。在與傳感器連接的無(wú)線(xiàn)發(fā)射電路中，警情發(fā)生時(shí)觸發(fā)節點(diǎn)MCU控制nRF24L01數字無(wú)線(xiàn)傳輸模塊發(fā)射本節點(diǎn)地址和采集到的報警信號；在無(wú)線(xiàn)接收電路中，C8051F020直接與nRF24L01進(jìn)行通信，接收傳感器節點(diǎn)地址和報警信息，通過(guò)識別節點(diǎn)地址判斷報警類(lèi)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(guò)GSM網(wǎng)絡(luò )，向用戶(hù)手機終端發(fā)送短信進(jìn)行報警提示。
單片機控制電路與GPRS通信模塊通過(guò)UART接口相連。但是，由于GPRS模塊信號線(xiàn)上為12V S232電平，而單片機電平為3．3 V，所以必須采用MAX3232進(jìn)行電平轉換。當報警時(shí)，單片機通過(guò)串口將控制指令和短信內容發(fā)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(hù)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(shí)現自動(dòng)撥號，解碼電路實(shí)現遠程控制指令識別。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(dòng)撥號時(shí)，單片機將被叫號碼發(fā)送到發(fā)送數據寄存器，合成DTMF信號，經(jīng)放大后通過(guò)電話(huà)接口傳輸到電話(huà)網(wǎng)絡(luò )中的程控交換機，實(shí)現撥號。遠程控制時(shí)，遠程DTMF控制信號經(jīng)過(guò)高頻和低頻濾波器濾波后，再經(jīng)過(guò)數字編碼器編碼，得到相應控制指令的二進(jìn)制編碼，存放于接收數據寄存器，同時(shí)在MT8888的IRQ端口產(chǎn)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(shí)，450 Hz的正弦鈴音信號從DTMF IN端口輸入，經(jīng)過(guò)一個(gè)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(huà)接口電路
電話(huà)接口電路包括自動(dòng)摘機電路、振鈴檢測電路和斷線(xiàn)檢測電路。
自動(dòng)摘機電路實(shí)現模擬自動(dòng)摘機，當撥號報警或遠程控制時(shí)，系統自動(dòng)摘機，接入電話(huà)網(wǎng)絡(luò )。在遠程控制時(shí)，振鈴檢測電路能檢測到電話(huà)振鈴信號，從而自動(dòng)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(xié)議，交流振鈴信號為25 Hz，90 V的正弦波。振鈴信號經(jīng)過(guò)直流隔離電容和限壓電阻后，驅動(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(guò)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(jìn)行計數，計到一定的脈沖數后，自動(dòng)摘機。當系統沒(méi)有正常連接到電話(huà)網(wǎng)絡(luò )時(shí)，斷線(xiàn)檢測電路能自動(dòng)檢測到故障并進(jìn)行提示。
2．1．5 語(yǔ)音電路
系統采用ISD1760作為語(yǔ)音錄放芯片。單片機通過(guò)SPI串行總線(xiàn)與ISD1760相連，傳輸SPI指令，配置內部寄存器和實(shí)現語(yǔ)音錄放。ISD176 0作為SPI從機，幾乎所有的按鍵操作都可以通過(guò)這些SPI指令來(lái)實(shí)現。一些SPI命令：如PLAY，REC，ERASE，FWD，RESET，GLOBAL_ERASE的運行類(lèi)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(hù)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(shí)，應該首先根據各種提示音的長(cháng)度，用查表的方法分配好相應的存儲起止地址。并且通過(guò)硬件為用戶(hù)提供錄音接口與控制接口。撥號報警時(shí)，根據報警類(lèi)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(shí)100 ms，讓單片機和外圍電路有充分的時(shí)間復位。在系統初始化過(guò)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(huán)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(wù)程序。如圖2所示。