智能報(bào)警器的設(shè)計(jì)

滕敏,張雷,王朝文,王新華,洪新華

（1.河南司法警官職業(yè)學(xué)院,河南鄭州450011；2.河南廣播電視大學(xué),河南鄭州450008；3.河南科技學(xué)院,河南新鄉(xiāng)453003）

20世紀(jì)60年代國(guó)際學(xué)術(shù)領(lǐng)域中出現(xiàn)一門(mén)獨(dú)立的學(xué)科危機(jī)管理,它引入中國(guó)的時(shí)間不長(zhǎng).黨中央、國(guó)務(wù)院提出了加快突發(fā)公共事件應(yīng)急機(jī)制建設(shè)的重大課題,黨的十六屆三中、四中全會(huì)明確提出,要建立健全社會(huì)預(yù)警體系,提高保障公共安全和處置突發(fā)事件的能力[1].監(jiān)獄作為關(guān)押、懲罰犯罪分子的特殊場(chǎng)所,其危險(xiǎn)性、狂暴性、突發(fā)性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)社會(huì)平均水平.

本文設(shè)計(jì)的一款智能報(bào)警器可以在監(jiān)獄中得到應(yīng)用,它能識(shí)別警情,并及時(shí)將警情通過(guò)公共電話交換網(wǎng)傳輸?shù)焦潭娫捇蚵?lián)網(wǎng)報(bào)警中心,以便于監(jiān)獄干警能及時(shí)采取有效措施,使監(jiān)獄最大程度地減少突發(fā)事件帶來(lái)的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失,促進(jìn)社會(huì)和諧發(fā)展.

1 總體設(shè)計(jì)

當(dāng)報(bào)警器攜帶者用傾斜式水銀開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)電路的自動(dòng)接通,然后通過(guò)軟件完成一定時(shí)間（1 min）的延時(shí)檢測(cè)過(guò)程,以確定是否誤報(bào)警動(dòng)作,若60 s后電路仍然為接通狀態(tài),此時(shí)電路實(shí)現(xiàn)本地報(bào)警（蜂鳴器和發(fā)光二極管同時(shí)工作）以及將語(yǔ)音芯片中預(yù)先存儲(chǔ)好的報(bào)警語(yǔ)音信號(hào)通過(guò)單片機(jī)的控制播放出來(lái),報(bào)警器發(fā)出語(yǔ)音報(bào)警信號(hào)使武警和監(jiān)獄警察聽(tīng)到迅速實(shí)施應(yīng)急處理,同時(shí)將報(bào)警信息通過(guò)無(wú)線FM方式發(fā)送出去,監(jiān)獄監(jiān)控中心配備有無(wú)線FM接收器,當(dāng)收到報(bào)警信息時(shí)及時(shí)前去救援,同時(shí)該系統(tǒng)還有手動(dòng)報(bào)警方式,當(dāng)攜帶者出現(xiàn)其他意外情況時(shí)可利用手動(dòng)方式報(bào)警,而不用故意將報(bào)警器傾斜來(lái)實(shí)現(xiàn)報(bào)警的需要.

該智能報(bào)警器用于監(jiān)獄干警值勤人員隨身攜帶,因此要求其體積和重量必須要小,本地報(bào)警聲音要足夠大,同時(shí)無(wú)線電發(fā)射功率要達(dá)到一定要求,以覆蓋監(jiān)獄及周?chē)糠值胤?

智能傾斜報(bào)警器是由單片機(jī)及其外圍電路、傾斜式水銀開(kāi)關(guān)、發(fā)光二極管蜂鳴警報(bào)電路、語(yǔ)音報(bào)警電路及無(wú)線電發(fā)射及接收電路等部分組成的（見(jiàn)圖1）.將傾斜式水銀開(kāi)關(guān)作為報(bào)警器的傳感器件,利用單片機(jī)C語(yǔ)言程序來(lái)實(shí)現(xiàn)60 s的延時(shí)檢測(cè),報(bào)警警示時(shí)有聲光系統(tǒng)同時(shí)工作,并將報(bào)警緊急信號(hào)經(jīng)過(guò)無(wú)線電技術(shù)發(fā)射出去.持有接收機(jī)的監(jiān)獄網(wǎng)絡(luò)中心和值班電話在收到報(bào)警信號(hào)后,就可及時(shí)出警.本設(shè)計(jì)中設(shè)定為1 min的延時(shí)時(shí)間,1 min后才開(kāi)始報(bào)警警示.報(bào)警將持續(xù)直到有人將開(kāi)關(guān)按下停止報(bào)警,系統(tǒng)才停止報(bào)警.當(dāng)發(fā)生誤報(bào)警警示時(shí),還可以人為地進(jìn)行功能復(fù)位,并發(fā)出“報(bào)警已解除”的語(yǔ)音信號(hào),避免不必要的警務(wù)行為.

圖1 智能報(bào)警器總體設(shè)計(jì)Fig.1 General design of the intelligent alarm

該系統(tǒng)主要由控制核心（單片機(jī)）及其外圍電路、傾斜檢測(cè)開(kāi)關(guān)、本地聲光報(bào)警電路、語(yǔ)音電路、無(wú)線FM發(fā)射電路和接收電路等組成.當(dāng)傾斜檢測(cè)開(kāi)關(guān)檢測(cè)到有信號(hào)輸入后,將該報(bào)警信號(hào)傳輸至單片機(jī),單片機(jī)根據(jù)內(nèi)部程序設(shè)置對(duì)各部分實(shí)施控制,驅(qū)動(dòng)本地聲光報(bào)警電路工作,同時(shí)驅(qū)動(dòng)語(yǔ)音芯片將事先錄好的報(bào)警語(yǔ)音通過(guò)揚(yáng)聲器播放出來(lái),同時(shí)用無(wú)線FM方式將報(bào)警信息傳輸至監(jiān)獄網(wǎng)絡(luò)中心,當(dāng)報(bào)警器攜帶者得到援助后,可以人為地進(jìn)行功能復(fù)位,并發(fā)出“報(bào)警已解除”的語(yǔ)音信號(hào).

2 系統(tǒng)硬件組成

該報(bào)警器主要是用單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)延時(shí)檢測(cè)和報(bào)警呼救控制的.在硬件電路上主要是用單片機(jī)的P1口作為信號(hào)的輸入和輸出口,控制發(fā)光二極管、蜂鳴器和語(yǔ)音芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能.硬件電路包括水銀開(kāi)關(guān)、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、發(fā)光二極管電路、蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路、語(yǔ)音電路無(wú)線調(diào)頻發(fā)射及接收電路幾個(gè)部分.

2.1 單片機(jī)電路設(shè)計(jì)

為了提高可靠性,降低成本,本設(shè)計(jì)中核心控制模塊采用AT89C51單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)[2].單片機(jī)算術(shù)運(yùn)算功能強(qiáng),軟件編程靈活,可用軟件較簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)各種算法和邏輯控制,并且由于其成本低、體積小和功耗低等優(yōu)點(diǎn),使其在各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,因此非常適合利用單片機(jī)作為控制器.其片內(nèi)集成了4 KB的Flash,無(wú)需外接存儲(chǔ)器,使用方便,易于編程,且功能強(qiáng)大.

2.2 報(bào)警系統(tǒng)原理

原理圖見(jiàn)圖2,用普通開(kāi)關(guān)S3來(lái)代替了水銀開(kāi)關(guān),用于檢測(cè)該報(bào)警器是否傾斜.在正常狀態(tài)下,單片及的P1.0口和P1.1口輸出高電平,此時(shí)發(fā)光管兩端沒(méi)有電壓不亮,電子開(kāi)關(guān)Q1處于斷開(kāi)狀態(tài)使蜂鳴器不工作,P1.3口控制語(yǔ)音芯片的邊沿出發(fā)控制端,P1.2口外接手動(dòng)報(bào)警開(kāi)關(guān),當(dāng)報(bào)警器攜帶者出現(xiàn)其他意外情況可用此開(kāi)關(guān)直接進(jìn)行報(bào)警,而不用故意將報(bào)警器放倒后實(shí)現(xiàn)報(bào)警.P1.4口外接水銀傾斜開(kāi)關(guān),系統(tǒng)軟件處于工作狀態(tài)時(shí)隨時(shí)檢測(cè)該腳的狀態(tài),正常情況下該腳為低電平狀態(tài),當(dāng)水銀開(kāi)關(guān)傾斜時(shí)自動(dòng)接通,將該腳接至高電平,系統(tǒng)檢測(cè)到此信號(hào)后開(kāi)始延時(shí),一分鐘之后重新檢測(cè),如果該腳依然維持為高電平,則首先在P1.0腳和P1.1腳輸出低電平,驅(qū)動(dòng)本地報(bào)警電路（發(fā)光二極管和蜂鳴器電路）發(fā)出報(bào)警,同時(shí)在P0.0口輸出低電平將發(fā)射電路的電源接通使報(bào)警信息通過(guò)無(wú)線調(diào)頻方式傳輸出去,同時(shí)在P1.2口輸出下降沿控制信號(hào)來(lái)出發(fā)語(yǔ)音芯片ISD1420進(jìn)入工作狀態(tài).

圖2 智能報(bào)警器原理Fig.2 Principle ofintelligent alarm

為實(shí)現(xiàn)節(jié)電的要求,將無(wú)線電發(fā)射電路的電源用電子開(kāi)關(guān)來(lái)控制,無(wú)報(bào)警信號(hào)時(shí)無(wú)線電發(fā)射電路不工作,出現(xiàn)意外情況時(shí)電路自動(dòng)將電源接通,實(shí)現(xiàn)報(bào)警,這樣做不僅節(jié)省了電源,同時(shí)還避免了接收端的噪音.

2.3 語(yǔ)音電路

根據(jù)需要,語(yǔ)音電路使用的是ISD1420[3],其錄放時(shí)間為20 s,主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)分段放音的功能.將語(yǔ)音分成兩段,第一段為“呼叫報(bào)警”的解除呼救警報(bào)音,起始地址設(shè)為00000000,共占用12 s的放音時(shí)間；第二段為“報(bào)警已解除”的報(bào)警呼救音,起始地址設(shè)為01100000,共占用8 s的放音時(shí)間.本設(shè)計(jì)對(duì)語(yǔ)音信號(hào)的音質(zhì)要求并不高,所以語(yǔ)音數(shù)據(jù)事先由模擬方式錄入.放音時(shí),使用單片機(jī)循環(huán)控制播放第一段報(bào)警音,直到有人按下停止報(bào)警的按鍵.為了保證信息的準(zhǔn)確性,第二段解除緊急警報(bào)的語(yǔ)音由攜帶者通過(guò)按鍵來(lái)自行控制,增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性.

在設(shè)計(jì)好的報(bào)警系統(tǒng)中并不用語(yǔ)音芯片的錄音功能,實(shí)現(xiàn)電路體積和重量的進(jìn)一步縮小.在本設(shè)計(jì)中,ISD1420不使用錄音功能,錄音控制腳REC上拉至高電平,放音采用邊沿觸發(fā)放音控制,低電平放音控制引腳PLAYL上拉至高電平,下降沿放音控制引腳PLAYL受觸發(fā)器控制,循環(huán)放音由觸發(fā)器輸出的下降沿來(lái)控制,而觸發(fā)器的狀態(tài)受單片機(jī)P1.2和P1.3控制.放音地址則由開(kāi)關(guān)S決定.開(kāi)關(guān)置為低電平時(shí)為“呼叫報(bào)警”地址；開(kāi)關(guān)置為高電平時(shí)為“報(bào)警已解除”地址.

2.4 無(wú)線電發(fā)射和接收部分

當(dāng)報(bào)警器動(dòng)作報(bào)警后,除了本地聲光報(bào)警（發(fā)光二極管與蜂鳴器同時(shí)工作）外,還采取了無(wú)線電FM報(bào)警.這是因?yàn)樵搱?bào)警器要隨身攜帶,當(dāng)干警在監(jiān)獄值勤時(shí),如果發(fā)生突發(fā)事件,除了在監(jiān)獄中的監(jiān)區(qū)有聲光報(bào)警以外,還需要通過(guò)一定的技術(shù)手段將報(bào)警信息傳送到監(jiān)獄其他值班人員、武警戰(zhàn)士或者監(jiān)獄網(wǎng)絡(luò)指揮中心迅速實(shí)施出警.

無(wú)線傳輸?shù)姆绞侥壳爸饕谢诂F(xiàn)有的電話網(wǎng)絡(luò)或者GSM網(wǎng)絡(luò)和通過(guò)FM調(diào)頻方式等,考慮到本設(shè)計(jì)主要是用于經(jīng)常走動(dòng)且活動(dòng)地方不一的監(jiān)獄干警隨身攜帶的,所以現(xiàn)有的固定電話網(wǎng)絡(luò)在監(jiān)獄中并不適合設(shè)計(jì)的要求,而基于GSM網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線傳輸方式價(jià)格昂貴且技術(shù)復(fù)雜,因此在本設(shè)計(jì)中采用FM調(diào)頻的方式實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸,這種方式的優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單且經(jīng)濟(jì)實(shí)用,缺點(diǎn)是傳輸距離受到一定限制,但本設(shè)計(jì)作為監(jiān)獄中監(jiān)區(qū)的報(bào)警器,監(jiān)獄干警在本監(jiān)區(qū)附近活動(dòng),因此無(wú)線FM方式的傳輸距離能夠滿(mǎn)足本設(shè)計(jì)的要求.

設(shè)計(jì)中采用集成頻率調(diào)制芯片MC2833是Motorola公司生產(chǎn)[4],MC2833是單片集成FM低功率發(fā)射器電路,適用于無(wú)繩電話和其它調(diào)頻通信設(shè)備.其作用就是將微弱的有用信號(hào)進(jìn)行線性放大,并濾除不需要的噪聲和干擾信號(hào),經(jīng)天線將信號(hào)發(fā)射出去.

接收部分的功能就是從天線接收的調(diào)頻波中檢出原調(diào)制信號(hào),要完成這個(gè)任務(wù),一般要分兩部進(jìn)行,第一步先將等幅的調(diào)頻波改變成振幅隨頻率變化的調(diào)幅波,使其幅度變化的規(guī)律和頻率變化的規(guī)律相同,也就是和調(diào)制信號(hào)的變化規(guī)律相同,第二部再用振幅檢波器出去載波,最后得到音頻信號(hào)并通過(guò)揚(yáng)聲器播放出來(lái).

無(wú)線電接收部分采用Motorola公司用MOSAIC工藝技術(shù)專(zhuān)門(mén)為無(wú)線窄頻帶接收機(jī)設(shè)計(jì)的單片F(xiàn)M接收芯片MC3363,它是一個(gè)由RF放大器到聲音前置放大器輸出的完整的FM窄帶接收機(jī),低電壓雙變換設(shè)計(jì)產(chǎn)生了用于窄帶音頻和數(shù)據(jù)鏈路的低功耗、高靈敏度和好的圖像載波抑制功能等特點(diǎn).

3 報(bào)警系統(tǒng)軟件

在正常情況下（水銀開(kāi)關(guān)處于斷開(kāi)狀態(tài)）,單片機(jī)輸入口P1.4處于低電平狀態(tài),此時(shí)報(bào)警電路不工作,單片機(jī)P1.2和P1.3口輸出為低電平高電平,P1.0口和P1.1口輸出高電平使本地聲光報(bào)警電路不工作.當(dāng)傾斜開(kāi)關(guān)接通使P1.4口為高電平時(shí),軟件開(kāi)始1 min的延時(shí),延時(shí)結(jié)束后重新判斷P1.4口的狀態(tài),若變?yōu)榈碗娖絼t重新開(kāi)始檢測(cè),若依然為高電平則開(kāi)始報(bào)警,首先使P1.0口和P1.1口輸出為低電平控制本地報(bào)警電路的工作,再使P1.2口輸出下降沿驅(qū)動(dòng)語(yǔ)音芯片開(kāi)始工作.P1.3口的手動(dòng)報(bào)警開(kāi)關(guān)閉合后,電路直接進(jìn)行本地聲光報(bào)警和無(wú)線電報(bào)警,流程見(jiàn)圖3.

軟件采用單片機(jī)的匯編語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn),首先定義了一個(gè)10 s的延時(shí)子程序,通過(guò)6次循環(huán)調(diào)用來(lái)實(shí)現(xiàn)1 min的延時(shí).主要通過(guò)判斷控制水銀開(kāi)關(guān)口線的狀態(tài)來(lái)決定是否延時(shí)或報(bào)警,若有報(bào)警信號(hào)輸入則由單片機(jī)產(chǎn)生1 min的延時(shí),若在1 min之后仍有報(bào)警信號(hào)則輸出一系列控制信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)本地和無(wú)線FM報(bào)警.同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)節(jié)電要求,在該設(shè)計(jì)中無(wú)線FM發(fā)射電路的電源也是由單片機(jī)來(lái)控制的.（程序略）

圖3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)Fig.3 Flow chart of the system software design

4 結(jié)語(yǔ)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能,控制靈活；利用電話網(wǎng)作為傳輸媒體,具有快速報(bào)警、準(zhǔn)確可靠的特點(diǎn).但是要完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求,還需要進(jìn)一步調(diào)試完善該報(bào)警器的各項(xiàng)性能（包括穩(wěn)定度、精度、功效等）,將發(fā)射和接收匹配起來(lái),投入到實(shí)踐中去應(yīng)用,在整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)試過(guò)程中,聯(lián)機(jī)綜合調(diào)試最重要.

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