一種基于GPRS的嵌入式電話報警系統(tǒng)設(shè)計

為了實現(xiàn)對家居環(huán)境安全狀況實時的監(jiān)控以及在發(fā)生警情時能自動撥號進行語音提示或發(fā)送報警短信， 設(shè)計了一種基于GPRS的嵌入式電話報警系統(tǒng)。該系統(tǒng)以SoC( 在片系統(tǒng)) 單片機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， 對周圍環(huán)境進行監(jiān)控。同時， 該系統(tǒng)結(jié)合GPRS短信功能和固定電話網(wǎng)絡(luò)， 實現(xiàn)報警信息的可靠傳遞和遠(yuǎn)程控制。系統(tǒng)還設(shè)計了終端界面， 可方便用戶進行系統(tǒng)設(shè)置密碼或預(yù)置報警電話號碼， 以及生成和查詢系統(tǒng)報警日志。

報警系統(tǒng)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(dāng)今常用的報警系統(tǒng)都是通過單片機控制固定電話網(wǎng)絡(luò)傳輸警情， 穩(wěn)定性和可靠性都比較低， 而且人機交互困難， 操作復(fù)雜， 這就直接削弱了它在實際生活中的應(yīng)用價值， 所以報警系統(tǒng)急需進行設(shè)計方案的改進和優(yōu)化， 以推進其發(fā)展 。

本文設(shè)計了一種以增強型單片機為控制核心， 結(jié)合傳感技術(shù)、數(shù)字無線技術(shù)、GSM 移動通信網(wǎng)絡(luò)、固定電話網(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(tǒng)。相對以往電話報警系統(tǒng)， 該系統(tǒng)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(wěn)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(tǒng)時的操作。

1 系統(tǒng)概述

該系統(tǒng)采用增強型單片機作為系統(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)的誤報和漏報率。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， 對環(huán)境的安全狀況進行實時監(jiān)測，并結(jié)合固定電話網(wǎng)絡(luò)和GSM 網(wǎng)絡(luò)， 實現(xiàn)火災(zāi)、盜情和各種緊急情況的語音報警和短信提示。該系統(tǒng)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(shè)置的操作復(fù)雜度。此外， 系統(tǒng)還設(shè)有報警日志， 用戶通過系統(tǒng)終端界面輸入口令并驗證成功后可選擇日期查看當(dāng)天系統(tǒng)報警日志， 在一定程度上實現(xiàn)了報警取證。系統(tǒng)主要有6 項具體功能：

( 1) 數(shù)字無線技術(shù)與傳感技術(shù)結(jié)合， 實時監(jiān)控家庭環(huán)境安全狀況;

( 2) 中央控制器接收到報警信號后， 通過固定電話網(wǎng)絡(luò)自動撥打預(yù)置電話號碼進行語音報警或通過GPRS 通信模塊發(fā)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(yuǎn)程控制系統(tǒng)， 如： 報警預(yù)處理、解除系統(tǒng)報警監(jiān)控;

( 4) 通過系統(tǒng)終端界面或系統(tǒng)鍵盤進行設(shè)置或修改密碼、預(yù)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(tǒng)到電話網(wǎng)絡(luò)的連接異常。

2 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)方案

該系統(tǒng)以單片機C8051F020 最小系統(tǒng)為核心控制電路， 減小單片機的電磁輻射對數(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)的報警信息傳輸通道。GPRS 通信模塊通過GSM 網(wǎng)絡(luò)， 向用戶手機發(fā)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(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)自動撥號和遠(yuǎn)程控制。電話接口電路包括斷線檢測電路、振鈴檢測電路、自動摘機電路， 實現(xiàn)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(tǒng)總體設(shè)計框圖。

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圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

2. 1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

該系統(tǒng)主要由5 個硬件模塊組成： 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(shù)據(jù)后產(chǎn)生的中斷信號， 供單片機查詢; CE 為片選信號， 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)生時觸發(fā)節(jié)點MCU 控制nRF24L01 數(shù)字無線傳輸模塊發(fā)射本節(jié)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(jié)點地址和報警信息， 通過識別節(jié)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(fā)送的報警信號后， 控制GPRS 通信模塊， 通過GSM 網(wǎng)絡(luò)， 向用戶手機終端發(fā)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(zhuǎn)換。當(dāng)報警時， 單片機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 解碼電路和鈴音識別電路。編碼電路實現(xiàn)自動撥號， 解碼電路實現(xiàn)遠(yuǎn)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(fā)送到發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器， 合成DTMF 信號， 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， 實現(xiàn)撥號。遠(yuǎn)程控制時， 遠(yuǎn)程DT MF 控制信號經(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)控制指令的二進制編碼， 存放于接收數(shù)據(jù)寄存器， 同時在MT 8888 的IRQ 端口產(chǎn)生中斷信號; 單片機響應(yīng)中斷后， 讀出接收數(shù)據(jù)寄存器的數(shù)據(jù)， 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(jīng)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(nèi)， 則IRQ 端口輸出同頻率的方波。