基于GPRS的嵌入式報警系統的設計

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。