基于GPRS的嵌入式報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

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。

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。