基于以太網(wǎng)的文字聲光警示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳博敏，衛(wèi)建華，王 錦

（西安工程大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西 西安710048）

0 引 言

在安防、交通、建設(shè)等現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)常需要進(jìn)行語(yǔ)音或文字信息的警示，比如安防禁區(qū)、道路交通路口或施工現(xiàn)場(chǎng)，可通過(guò)語(yǔ)音播報(bào)、文字顯示或警示燈等方式進(jìn)行預(yù)警信息提示，以避免事故發(fā)生［1－2］.

現(xiàn)有的警示系統(tǒng)較多采用PSTN電話網(wǎng)絡(luò)［3］或RS-485總線［4］進(jìn)行組網(wǎng)，這些組網(wǎng)方式與以太網(wǎng)［5－6］系統(tǒng)相比，以太網(wǎng)系統(tǒng)有明顯的優(yōu)勢(shì).其次大多數(shù)警示系統(tǒng)的警示語(yǔ)音存儲(chǔ)采用ISD4003等專用語(yǔ)音芯片［7］，需要顯示的文字信息通常存儲(chǔ)在專用存儲(chǔ)器中［8］，修改語(yǔ)音及文字信息需要專業(yè)人員通過(guò)專業(yè)設(shè)備進(jìn)行操作，導(dǎo)致這種系統(tǒng)易用性及適應(yīng)性不高.

本文針對(duì)以上系統(tǒng)的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于以太網(wǎng)的語(yǔ)音文字警示系統(tǒng)，采用UDP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，充分發(fā)揮以太網(wǎng)通信系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，將警示文字及語(yǔ)音分別采用TXT文件及MP3文件格式存儲(chǔ)在SD卡中，不同的應(yīng)用場(chǎng)所只需要簡(jiǎn)單地修改SD卡中的相應(yīng)文件即可，操作簡(jiǎn)單方便，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量大，可適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)合.

1 警示系統(tǒng)組成

警示系統(tǒng)由PC機(jī)、中心主機(jī)、以太網(wǎng)交換機(jī)及分機(jī)組成，以太網(wǎng)警示系統(tǒng)組成如圖1所示.其中主機(jī)、PC機(jī)及交換機(jī)安裝在中心值班室，各分機(jī)安裝在警示目標(biāo)位置.各設(shè)備之間采用網(wǎng)線連接，若距離較遠(yuǎn)，可采用光纖傳輸.PC機(jī)上安裝相應(yīng)的監(jiān)控軟件，配合數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)可記錄系統(tǒng)數(shù)據(jù)，方便查詢管理.由于該警示系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性要求比較高，因此采用UDP協(xié)議進(jìn)行系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸.中心主機(jī)、PC機(jī)及分機(jī)的IP設(shè)置時(shí)按照C類網(wǎng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，最多可支持252臺(tái)分機(jī).

1.1 警示分機(jī)

警示分機(jī)安裝于需要警示的目標(biāo)單位，其組成圖如圖2所示.警示分機(jī)由主控單元、以太網(wǎng)控制器、以太網(wǎng)接口、SD卡單元、按鍵輸入單元、語(yǔ)音解碼單元、功放、MIC、串行接口單元、閃爍警示燈、LED顯示屏及不同類型的探測(cè)器等部分組成.系統(tǒng)中所需要的語(yǔ)音及文字警示信息預(yù)先存儲(chǔ)在SD卡中，語(yǔ)音信息以MP3格式存儲(chǔ)，文字信息以TXT格式存儲(chǔ)，語(yǔ)音解碼芯片負(fù)責(zé)對(duì)CPU讀取到的語(yǔ)音文件進(jìn)行解碼輸出，隨后通過(guò)功放后進(jìn)行語(yǔ)音播報(bào)；串行接口負(fù)責(zé)LED顯示屏與CPU之間的串行信號(hào)電平轉(zhuǎn)換，最終可在LED顯示屏上顯示預(yù)先存儲(chǔ)在SD卡中的文字信息；以太網(wǎng)控制器配合以太網(wǎng)接口可以完成中心主機(jī)到以太網(wǎng)的連接；探測(cè)器可選多種類型，如主動(dòng)紅外入侵探測(cè)器、熱釋電紅外線傳感器等［9］，主要負(fù)責(zé)人員、車輛等入侵行為的檢測(cè).

圖1 以太網(wǎng)警示系統(tǒng)組成

圖2 警示分機(jī)組成

警示分機(jī)的觸發(fā)分為兩種形式，一種是探測(cè)器自動(dòng)觸發(fā)，另外一種是人工按鍵觸發(fā).當(dāng)探測(cè)器檢測(cè)到有非法入侵時(shí)，探測(cè)器會(huì)向CPU送入報(bào)警信號(hào)，警示分機(jī)隨之會(huì)分三個(gè)步驟依次做出響應(yīng)，第一步是將報(bào)警數(shù)據(jù)打包后通過(guò)以太網(wǎng)向系統(tǒng)傳輸，第二步是通過(guò)串口將SD卡中預(yù)置的文字信息在LED顯示屏上顯示，第三步是將SD卡中預(yù)置的語(yǔ)音文件通過(guò)語(yǔ)音解碼芯片解碼后送入功放進(jìn)行播報(bào).假設(shè)探測(cè)器1位于1號(hào)警戒區(qū)域，當(dāng)有人非法入侵該區(qū)域時(shí)，探測(cè)器1及時(shí)檢測(cè)到該次入侵，警示分機(jī)將首先通過(guò)以太網(wǎng)向中心主機(jī)及其他分機(jī)傳輸報(bào)警數(shù)據(jù)，其次啟動(dòng)閃爍警示燈閃爍，同時(shí)通過(guò)語(yǔ)音播報(bào)及文字顯示設(shè)備做出響應(yīng)，LED顯示屏將顯示“警戒區(qū)域，立即退回”，隨后語(yǔ)音播報(bào)“你已進(jìn)入警戒區(qū)域，且勿前行，立即退回”.人工按鍵觸發(fā)警示可在三種情況下使用，一是值班人員發(fā)現(xiàn)有異常情況需要警示時(shí)，按下相應(yīng)按鍵，此時(shí)語(yǔ)音及文字警示按照預(yù)先定義的內(nèi)容進(jìn)行播報(bào)顯示，比如值班人員發(fā)現(xiàn)有接近警戒區(qū)域但尚未觸發(fā)到探測(cè)器時(shí)，人工觸發(fā)按鍵后分機(jī)系統(tǒng)調(diào)用SD卡中預(yù)先存儲(chǔ)的文字及語(yǔ)音信息，LED顯示“警戒區(qū)域，請(qǐng)勿進(jìn)入”，語(yǔ)音播報(bào)“這里是警戒區(qū)域，請(qǐng)保持距離”；二是若入侵者觸發(fā)自動(dòng)警示后并沒(méi)有退出警戒區(qū)，此時(shí)值班人員可人工按鍵觸發(fā)，LED屏顯示文字“再次警告，立即退回”，語(yǔ)音播報(bào)“這里是警戒區(qū)域，立即退回，否則后果自負(fù)”；三是值班人員發(fā)現(xiàn)異常情況后向系統(tǒng)上報(bào)報(bào)警信息，但語(yǔ)音及文字均不做出響應(yīng).分機(jī)中的MIC可作為備用措施，當(dāng)值班人員需要進(jìn)行某種提示但SD卡庫(kù)中并未預(yù)置該語(yǔ)音數(shù)據(jù)時(shí)使用.

1.2值班中心

人員進(jìn)行處理，值班人員可通過(guò)按鍵操作發(fā)出相應(yīng)指令，如系統(tǒng)復(fù)位等指令.若值班中心由于條件限制無(wú)法安裝PC機(jī)，則可參考警示分機(jī)的組成對(duì)中心主機(jī)進(jìn)行配置，將圖2中的探測(cè)器及MIC省去，并將功放換為有源音箱即可作為中心主機(jī)使用.

由于本系統(tǒng)采用以太網(wǎng)傳輸，因此也可安裝視頻監(jiān)控系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行視頻監(jiān)視，也可共用傳感器實(shí)現(xiàn)視頻聯(lián)動(dòng).

圖3 中心主機(jī)組成

2 警示系統(tǒng)芯片選型及電路實(shí)現(xiàn)

為了提高本系統(tǒng)的易用性，中心主機(jī)及警示分機(jī)均采用模塊化設(shè)計(jì)，以CPU主控單元、以太網(wǎng)單元為核心，根據(jù)不同的需求添加SD卡、LED顯示、語(yǔ)音解碼輸出等模塊單元，中心主機(jī)與警示分機(jī)采用相同的程序代碼，為使用者帶來(lái)很大的便利性.

2.1 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1.1 以太網(wǎng)控制器及接口電路選型 本系統(tǒng)采用以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，因此以太網(wǎng)接口電路的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，考慮到系統(tǒng)的可靠性、低功耗等需求，因此選用Silicon Laboratories的CP2200作為以太網(wǎng)控制芯片［7］.CP2200是一款針對(duì)工業(yè)控制領(lǐng)域的以太網(wǎng)控制器，集成了IEEE 802.3以太網(wǎng)媒體訪問(wèn)控制器（MAC）、10Base-T物理層（PHY）和8kB非易失性FLASH存儲(chǔ)器的單芯片以太網(wǎng)控制器，其8位并行總線接口支持Intel和Motorola總線方式，可以使用復(fù)用或非復(fù)用方式尋址.CP2200的8kB片內(nèi)FLASH存儲(chǔ)器，可用于存儲(chǔ)用戶數(shù)據(jù)、Web服務(wù)器內(nèi)容或作為通用非易失性存儲(chǔ)器.FLASH存儲(chǔ)器的最后6個(gè)存儲(chǔ)單元是工廠預(yù)編程的唯一的48位MAC地址，這樣可以從大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)的生產(chǎn)過(guò)程中消除必不可少的序列化步驟.CP2200完全兼容100／1 000BASE-T網(wǎng)絡(luò)，可以工作在全雙工或半雙工模式，具備自適應(yīng)功能，能進(jìn)行自動(dòng)極性檢測(cè)和糾正，具有碰撞自動(dòng)重發(fā)功能，能自動(dòng)填充和生成CRC，支持廣播和多播MAC尋址，且工作溫度范圍為－40～＋85℃，完全符合系統(tǒng)要求.

在以太網(wǎng)接口電路選擇方面，經(jīng)查CP2200應(yīng)用手冊(cè)，其推薦的以太網(wǎng)變壓器的比為1CT∶2.5，因此采用中山HanRun的HR911175A作為以太網(wǎng)接口.HR911175A是內(nèi)部集成了以太網(wǎng)隔離變壓器并外置指示燈和RJ45插座的以太網(wǎng)接口，可有效減小電路板的大小.

2.1.2 主控芯片、語(yǔ)言解碼芯片選型 （1）主控芯片.主控芯片選用Silicon Labs的C8051F040單片機(jī)，該單片機(jī)是高度集成的混合信號(hào)SoC級(jí)微控制器芯片，具有與8051單片機(jī)兼容的高速CIP-51微控制器內(nèi)核，峰值速度可達(dá)25MIPS；除了標(biāo)準(zhǔn)8051的數(shù)字外設(shè)部件外，片內(nèi)還集成了數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)中常用的模擬部件及其他一些數(shù)字外設(shè)部件及1個(gè)64kB的FLASH存儲(chǔ)器，并且還有硬件實(shí)現(xiàn)的UART串行接口和完全支持CAN2.0A和CAN2.0B的CAN控制器，具備64個(gè)數(shù)字I／O端口，可硬件實(shí)現(xiàn)SPI和I2C總線及UART串行接口，滿足系統(tǒng)對(duì)控制端口的需求［8］.同時(shí)片內(nèi)調(diào)試電路提供全速、非侵入式的在線系統(tǒng)調(diào)試（不需仿真器），使得調(diào)試更加方便，與使用仿真芯片、目標(biāo)仿真頭和仿真插座的仿真系統(tǒng)相比具有更優(yōu)越的性能，工作溫度范圍在－40～＋85℃之間，與CP2200有很好的兼容性.（2）語(yǔ)音解碼芯片.語(yǔ)音解碼芯片選用芬蘭VLSI的單芯片MP3／WMA／MIDI音頻解碼器和ADPCM編碼器VS1003B，其內(nèi)部集成了一個(gè)高性能、低功耗的DSP處理器核VS-DSP，可為使用者提供工作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；片上集成5kB的指令RAM和0.5kB的數(shù)據(jù)RAM及串行的控制和數(shù)據(jù)輸入接口；擁有1個(gè)高品質(zhì)可變采樣率的ADC、1個(gè)立體聲DAC，以及1個(gè)耳機(jī)放大器，可通過(guò)SPI總線單片機(jī)進(jìn)行通信［9］.

2.1.3 LED顯示屏選擇 本系統(tǒng)選用帶有串行通信接口的雙色LED顯示屏，根據(jù)顯示內(nèi)容的不同可分別采用紅色、黃色及綠色顯示文字，以達(dá)到更好的警示作用.如果將LED顯示屏升級(jí)為串口＋以太網(wǎng)雙接口，可為L(zhǎng)ED顯示屏分配一個(gè)IP地址后也接入警示系統(tǒng)，則可通過(guò)值班室的PC機(jī)對(duì)LED顯示屏進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程文字顯示控制.

2.1.4 警示系統(tǒng)硬件電路 這里以警示分機(jī)的硬件電路為例來(lái)說(shuō)明電路組成，如圖4所示.主處理器通過(guò)并行總線與CP2200相連，隨后經(jīng)過(guò)HR911175A接入以太網(wǎng)；SD卡用來(lái)存儲(chǔ)系統(tǒng)需要的MP3及TXT文件，VS1003B通過(guò)SPI總線的3條數(shù)據(jù)線和4條控制線實(shí)現(xiàn)與C8051F040單片機(jī)的通信，解碼后的語(yǔ)音信號(hào)通過(guò)LM1875放大后送入定向性能較好的號(hào)角喇叭進(jìn)行語(yǔ)音播放；LED顯示屏用來(lái)顯示警示文字信息，與主處理器采用串行通信，串行通信速率選擇9 600bit／s；8位撥碼開關(guān)用來(lái)設(shè)置系統(tǒng)IP地址的最后一位，方便IP地址的改變.

圖4 警示分機(jī)硬件電路組成

3 系統(tǒng)設(shè)備相關(guān)參數(shù)設(shè)定

3.1 IP地址設(shè)置

由于本系統(tǒng)通常采用C類網(wǎng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，IP地址默認(rèn)設(shè)置為192.168.1.XXX，在單片機(jī)程序中預(yù)先設(shè)定系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)、子網(wǎng)掩碼和IP地址初始值，通過(guò)硬件電路中的8位撥碼開關(guān)來(lái)設(shè)定IP地址的最后一位，需要改變IP地址是只需對(duì)8位撥碼開關(guān)進(jìn)行操作即可.

3.2 SD卡中語(yǔ)音及文本文件命名

SD卡中寫入了MP3格式的音頻和TXT格式的文件兩種格式的文件，為了便于單片機(jī)調(diào)用語(yǔ)音及文本文件其文件命名需要遵守相同的命名規(guī)則.語(yǔ)音文件的內(nèi)容可根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)合來(lái)錄制，這里要注意的是該語(yǔ)音文件的采樣率最好不超過(guò)128kbit／s.文本文件中寫入了報(bào)警文字信息的GB2312代碼，用于在文字顯示設(shè)備上顯示警示信息的具體內(nèi)容.為了便于文件管理，將MP3文件的第一位確定為A，TXT文件的第一位確定為C，兩種文件名稱的其他位對(duì)應(yīng)同一種警示事件時(shí)可采用相同的命名規(guī)則.

3.2.1 MP3文件命名 當(dāng)有事件發(fā)生時(shí)，播放器就會(huì)播放警示語(yǔ)音，但是不同的事件播放的內(nèi)容不相同，各個(gè)音頻文件的命名也不相同.在對(duì)音頻文件命名時(shí)，采用5位編碼方式，文件名第一位為A，代表Audio音頻文件，其余的4位數(shù)字采用16進(jìn)制表示，每一位代表不同的含義.第2，3位組合后設(shè)定為與觸發(fā)設(shè)備的IP地址最后1位相同，代表觸發(fā)設(shè)備的源地址，第4位表示觸發(fā)事件的信息，共有16種狀態(tài)，第5位表示命令信息，表示系統(tǒng)的處置命令，如系統(tǒng)復(fù)位等，這里需要注意的是存儲(chǔ)在值班中心和存儲(chǔ)在警示分機(jī)中相同文件名下的語(yǔ)音文件的內(nèi)容可以不同.例如A0510.MP3表示IP地址為192.168.1.5的終端設(shè)備產(chǎn)生的第1種報(bào)警信息，此時(shí)警示分機(jī)中存儲(chǔ)的該文件名下的語(yǔ)音內(nèi)容為“你已經(jīng)進(jìn)入警戒區(qū)域，請(qǐng)立即退回”，而值班中心存儲(chǔ)的該文件名下的語(yǔ)音內(nèi)容為“有人進(jìn)入警戒區(qū)域，請(qǐng)立即處置”，分別用以對(duì)入侵者進(jìn)行警示和對(duì)值班人員進(jìn)行提醒.

3.2.2 文本文件名命名 當(dāng)有事件發(fā)生時(shí)，文字顯示設(shè)備上采用文字顯示具體的警示內(nèi)容，不同的事件顯示的警示信息可不相同，各個(gè)文本文件的編碼也不相同，每個(gè)文本文件中寫入了文字顯示設(shè)備需要顯示文字的16進(jìn)制代碼，比如需要顯示“警戒區(qū)域，立即退回”，其代碼為“BEAF BDE4C7F8D3F2A1A1 C1A2BCB4CDCB BBD8”.在對(duì)文本文件命名時(shí)，同樣也采用5位編碼格式，文件名第一位為C，其余各位命名與語(yǔ)音文件命名方式相同.

4 結(jié) 論

（1）本文設(shè)計(jì)的文字聲光警示系統(tǒng)，組合文字、語(yǔ)音及燈光等警示方式，對(duì)進(jìn)入警示區(qū)域的人員或車輛進(jìn)行視覺和聽覺上多重提醒，可有效杜絕事故的發(fā)生，保障人員的人身安全.

（2）系統(tǒng)中所需要的文字及語(yǔ)音信息分別以TXT及MP3文件形式均存儲(chǔ)在SD卡中，若應(yīng)用于安防、交通路口、施工現(xiàn)場(chǎng)、學(xué)校、博物館等不同的場(chǎng)所，無(wú)需改變軟件程序及硬件電路，只需要對(duì)SD卡中的相關(guān)文件內(nèi)容進(jìn)行對(duì)應(yīng)修改即可.

（3）由于該系統(tǒng)采用以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，系統(tǒng)組網(wǎng)不受拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)限制，便于擴(kuò)充升級(jí)，也可以與以太網(wǎng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)緊密結(jié)合，實(shí)現(xiàn)報(bào)警視頻聯(lián)動(dòng).

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