遠(yuǎn)程家庭安全系統(tǒng)的研究

魏慶濤

（大連科技學(xué)院 遼寧 大連 116052）

“家”是人的感情之所在，是國家的細(xì)胞，而家庭是家的物質(zhì)存在方式，自古以來家庭安全就是人們一直關(guān)心的問題。古之人勤于外，門以拒賊，火水之患窮于計。隨著科技的進(jìn)步，入室盜竊的技術(shù)也在不斷的升級和進(jìn)步，僅靠門鎖已經(jīng)擋不住犯罪分子的入侵；而人民生活水平和生活質(zhì)量的日益提高，家庭中的內(nèi)部設(shè)施不斷完善，涉及到火、電的越來越多，也越來越復(fù)雜，同時發(fā)生危險的幾率也在不斷提高。遠(yuǎn)程家庭安全系統(tǒng)就是能夠?qū)崿F(xiàn)當(dāng)主人不在家時，對非法闖入和意外事件進(jìn)行及時遠(yuǎn)程報警和保護(hù)救助的功能的設(shè)施。運用嵌入式技術(shù)手段可實現(xiàn)信息的采集和救助，電話信息的技術(shù)發(fā)展為遠(yuǎn)程報警提供了技術(shù)保障，于是將嵌入式技術(shù)和電話信息技術(shù)進(jìn)行綜合運用即可實現(xiàn)家庭安全系統(tǒng)的功能。

1 總體結(jié)構(gòu)

嵌入式技術(shù)是目前控制系統(tǒng)比較流行的一種技術(shù)實現(xiàn)手段，而單片機(jī)應(yīng)用控制系統(tǒng)就是一種嵌入式系統(tǒng)。單片機(jī)又稱單片微型計算機(jī)，是一種微型處理器，由于其體積小、價格低廉、集成度高等特點被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、數(shù)據(jù)采集檢測、電器控制等領(lǐng)域。

設(shè)計采用STC12C5612AD單片機(jī)[1]為控制核心，利用傳感器模塊對突發(fā)事件等信息進(jìn)行采集，通過語音芯片進(jìn)行報警以及控制電路進(jìn)行保護(hù)救助。

系統(tǒng)框圖如圖1所示，當(dāng)信號采集模塊采集到的數(shù)據(jù)是需要報警或保護(hù)救助的信息時，處理模塊采取相應(yīng)的救助措施，模擬摘掛機(jī)電路將電話摘機(jī)，同時由語音模塊發(fā)送預(yù)先存儲好的3個電話號碼之一的DTMF信號，呼叫被叫電話，電話信號識別模塊對電話線上的信號進(jìn)行識別，若是忙音或者響鈴10次之后無人接聽則掛機(jī)，呼叫另一個號碼，若接通則語音芯片發(fā)出相應(yīng)語音信息通知客戶發(fā)生事件的情況。

圖1 系統(tǒng)框圖Fig.1 System block diagram

2 硬件電路設(shè)計

系統(tǒng)核心采用的STC12C5612AD單片機(jī)與傳統(tǒng)的51單片機(jī)相比具有強加密性、超強抗干擾能力、超低功耗、高速等特點，且內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路及高速8路10位AD轉(zhuǎn)換器，可直接替換ATMEL，PHILIPS，Win bond的單片機(jī)產(chǎn)品[1]。

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

在家庭安全系統(tǒng)中，需要對火災(zāi)、水災(zāi)、非法入侵等意外事故進(jìn)行判斷，而數(shù)據(jù)采集模塊主要完成的就是對這些信息的采集工作。

當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時會在空氣中產(chǎn)生大量的煙霧顆粒，煙霧傳感器[2]采用外部帶紅外光室的光電煙霧探測芯片A5303，與常用的煙霧傳感器MQ系列相比其具有不需要AD轉(zhuǎn)換芯片、無須預(yù)加熱，且工作溫度范圍寬等特點；與光電煙霧探測芯片BL59系列相比其采用低電流的BICOMS電路、功耗低、工作溫度范圍寬等特點。

圖2 信息采集模塊Fig.2 Information collection module

A5303接口電路如圖2中的①部分，當(dāng)無火災(zāi)時，SOUT2～SOUT0輸出“000”邏輯電平，當(dāng)意外火災(zāi)發(fā)生時，火災(zāi)產(chǎn)生的煙霧顆粒達(dá)到一定濃度會使紅外光室的紅外接收管接收不到紅外發(fā)射管的射線，這樣在SOUT2～SOUT0輸出“001”邏輯電平，這樣通過判斷P2.2～P2.0引腳上的狀態(tài)來判斷是否有火災(zāi)發(fā)生 （火災(zāi)發(fā)生還需溫度判斷，采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20，由于DS18B20應(yīng)用較普遍故這里不做闡述）。

非法入侵通常通過破壞門窗等手段進(jìn)入室內(nèi)，現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展使得犯罪分子即便不通過破壞門窗亦可進(jìn)入室內(nèi)，這使得即便是門窗如何加固改裝都有可能抵擋不住犯罪分子。設(shè)計改變了傳統(tǒng)的紅外對管防入侵技術(shù)[3]，通過感應(yīng)人體會向外輻射紅外線的特點，利用熱釋電[4]人體感應(yīng)模塊來判斷當(dāng)主人離家后是否有人為活動在室內(nèi)進(jìn)行。

人體感應(yīng)電路如圖2中的②部分，PIR模塊采用HP-708-2C模塊，是以熱釋電傳感器為感應(yīng)元件，該模塊與同類型模塊相比具有功耗低，工作溫度范圍寬（可達(dá)到-20～70℃），感應(yīng)角度大（可達(dá)140°）優(yōu)點。無人在室內(nèi)走動時OUT引腳上會輸出高電平，而當(dāng)有人進(jìn)入室內(nèi)活動時，OUT引腳上會輸出低電平。

2.2 模擬摘掛機(jī)模塊

當(dāng)數(shù)據(jù)采集模塊采集到意外事件信息時，首先要求電話進(jìn)入摘機(jī)狀態(tài)，并撥出被叫電話號碼，若對方電話忙音則需進(jìn)行掛摘機(jī)操作，進(jìn)入下一個電話的呼叫。而電話的摘掛機(jī)動作是依靠模擬摘掛機(jī)模塊來實現(xiàn)的。判斷用戶話機(jī)的摘掛機(jī)狀態(tài)，是電話局的程控交換機(jī)對電話線回路上的直流環(huán)路上電流的大小判斷來實現(xiàn)的，當(dāng)用戶掛機(jī)時，直流回路電流為0 mA，如果電話線回路的電流突然變大，且程控交換機(jī)檢測到直流回路電流變大時就認(rèn)為電話已經(jīng)摘機(jī)。根據(jù)此原理，設(shè)計模擬摘掛機(jī)電路如圖3所示。

圖3 模擬摘掛機(jī)電路Fig.3 Simulation hook circuit

當(dāng)采集的數(shù)據(jù)是意外事件信息時，通過單片機(jī)的P2.4引腳控制三極管導(dǎo)通，引起繼電器常開觸點閉合，使得模擬摘掛機(jī)電路工作，這樣會在電話線直流回路上電流變大，產(chǎn)生30 mA左右的電流，完成摘機(jī)操作；而當(dāng)需要掛機(jī)時，通過單片機(jī)的P2.4引腳控制得三極管截止，繼電器常開觸點打開，完成掛機(jī)。

2.3 撥號及語音模塊

傳統(tǒng)的撥號系統(tǒng)都是采用DTMF編碼芯片進(jìn)行電話撥號，而由于語音芯片的發(fā)展，使得語音芯片可產(chǎn)生雙音多頻的語音信號，這樣就既可以利用語音芯片產(chǎn)生的DTMF信號直接對外撥號，又可以利用語音芯片來產(chǎn)生報警的聲音提示，從而節(jié)省了硬件成本和單片機(jī)的I/O端口。設(shè)計采用WT588D[5]語音芯片的WTW16引腳封裝模式，該芯片與ISD系列語音芯片[6]相比具有13Bit的 DAC音頻輸出，可內(nèi)置或外掛2M～32M的SPI-FLASH存儲器[5]，使得 WT588D語音芯片能完全勝任雙音頻信號及語音信號的輸出工作，內(nèi)置DSP高速音頻處理器，這是其他的語音芯片所不具備特點。WT588D的I/O口P01被定義為DATA數(shù)據(jù)輸入口，P02為CS片選口，P03為CLK時鐘口，電路如圖4所示。

圖4 撥號及語音電路Fig.4 Dialing and voice circuit

當(dāng)需語音芯片發(fā)送語音數(shù)據(jù)時，P1.2引腳輸出周期為300 μs的CLK信號，通過P1.3引腳控制RESET引腳先持續(xù)5 ms的低電平，然后再拉高；P1.1在RESET被拉高20 ms左右，控制CS持續(xù)5～10 ms的低電平用來喚醒WT588D，此后由P1.0引腳輸出數(shù)據(jù)，DATA端口根據(jù)此數(shù)據(jù)來播放預(yù)先存儲在SPI-FLASH內(nèi)的雙音多頻信號數(shù)據(jù)和普通語音。

2.4 電話信號識別模塊

當(dāng)語音芯片呼叫被叫號碼時，需對電話線上的回鈴音、忙音等狀態(tài)進(jìn)行檢測，以便進(jìn)行后續(xù)的控制操作。目前對電話線上的信號的檢測有3種途徑：專用電話信號識別芯片、DTMF信號處理芯片、處理器軟件編程識別。專用芯片相對其它兩種方法其內(nèi)部含濾波器提高了信號的識別率，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。設(shè)計采用的是電話信號識別芯片PHT02，相比HA16830、CR6262、GSM 模塊[7]其外圍電路少、結(jié)構(gòu)簡單、便于應(yīng)用，接口電路如圖5所示。

圖5 電話信號識別電路Fig.5 Phone-signal recognition circuit

在電話模擬摘機(jī)前，先將P1.7置低電平持續(xù)3 μs，使得RESET有效后，P1.4～P1.6都置低電平，PHT02即可檢測電話線上的信號，若在P1.4引腳上檢測到高電平說明WT588D輸出的撥號音正確；若P1.5引腳上檢測到高電平說明電話接通有回鈴音，當(dāng)檢測到回鈴音30 s后仍然響鈴則需掛斷電話重新?lián)芙辛硪惶柎a，當(dāng)P1.5引腳中途檢測到低電平則說明對方電話接通；若P1.6引腳上檢測到高電平說明電話為接通對方忙音，此時需掛斷電話重新?lián)芙辛硪惶柎a。

2.5 處理模塊

對于意外事故的發(fā)生需要系統(tǒng)不止遠(yuǎn)程報警而且要進(jìn)行自救處理，若是非法入室事件則由WT588D輸出預(yù)先存儲的聲音用來驚退入室者；若是意外火災(zāi)發(fā)生則打開電磁閥進(jìn)行滅火操作。

3 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計流程如圖6所示，系統(tǒng)判斷是否有突發(fā)事件發(fā)生，若發(fā)生為何種突發(fā)事件，根據(jù)不同的突發(fā)事件采取不同的救助措施；同時，電話進(jìn)行模擬摘機(jī)，由語音芯片經(jīng)過電話線呼叫存儲的3個電話號碼之一，并且由電話信號識別芯片判斷電話線上的信號，若呼叫后用戶接聽電話則通知用戶室內(nèi)發(fā)生的事件情況，若30 s響鈴后仍無人接聽或忙音情況則掛斷電話，繼續(xù)撥打下1個電話號碼，直到3個號碼當(dāng)中有1個接通為止。

圖6 程序流程圖Fig.6 Program flow chart

4 結(jié)束語

此應(yīng)用研究設(shè)計以STC單片機(jī)為核心處理器芯片，利用電話及語音芯片進(jìn)行遠(yuǎn)程呼叫報警，應(yīng)用電磁閥等電氣開關(guān)裝置實現(xiàn)現(xiàn)場及時救助。其不僅可應(yīng)用于家庭，經(jīng)改裝后亦可應(yīng)用于商場、銀行等場所實現(xiàn)遠(yuǎn)程的監(jiān)控報警處理等，具有較高的實用價值。

[1]陳桂友，柴遠(yuǎn)斌.單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[2]徐曉明，葉盛，胡潔.新型光電式煙霧傳感器及其應(yīng)用[J].儀器儀表學(xué)報，2002（3）：117-118.

XU Xiao-ming，YE Sheng，HU jie.Design and application of a new photoelectric smoke sensor[J].Chinese Journal of Scientific Instrument，2002（3）：117-118.

[3]彭敏，劉鵬飛.基于ATMEGA8的紅外安防報警系統(tǒng)設(shè)計[J].黎明職業(yè)大學(xué)學(xué)報，2010（2）：62-65.

PENG Min，LIU Peng-fei.The infrared security alarm system design based on the ATMEGA8[J].Journal of Liming Vocational University，2010（2）：62-65.

[4]劉愛華.用熱釋電傳感器（PIR）制作快速體溫計[J].山東師范大學(xué)學(xué)報，2004（2）：44-46.

LIU Ai-hua.The speedy thermometer made by using pyroelectric infrared sensor[J].Journal of Shandong Normal University，2004（2）：44-46.

[5]唯創(chuàng)科技.WT588D語音芯片在智能儀表中的應(yīng)用[J].電子制作，2008（10）：23-24.

Waytronic Technology.The WT588D voice chip in the smart meter applications[J].Practical electronics，2008（10）：23-24.

[6]溫洪昌，應(yīng)強，譚仁人，等.數(shù)碼語音溫度計設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2010（24）：191-193.

WEN Hong-chang，HUANG Ying-qiang，TAN Ren-ren，et al.Design of digital voice thermometer[J].Modern Electronics Technique，2010（24）：191-193.

[7]馬良川，張道信，朱軍，等.家庭遠(yuǎn)程監(jiān)控報警系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2010（21）：27-30.

MA Ling-chuan，ZHANG Dao-xin，ZHU Jun，et al.The design and implementation of household remote monitor system[J].Microcomputer&Its Applications，2010（21）：27-30.