基于PSTN網(wǎng)絡(luò)控制的智能監(jiān)控防盜系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李幕云，王衛(wèi)星，李浩明，張大池

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 廣東 廣州 510642）

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人們生活水平的不斷提高，在全國(guó)建成了許許多多的現(xiàn)代化住宅小區(qū)，這同時(shí)也給人們對(duì)于家居安全的理解觀念產(chǎn)生了巨大的變化，家居安全方面出現(xiàn)了面向智能化，方便化，系統(tǒng)化等高端方向的研究和發(fā)展[1-3]。與此同時(shí)，伴隨著固定電話、移動(dòng)電話、互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)用戶越來(lái)越多，公用電話交換網(wǎng)（Public Switched Telephone Network）如同神經(jīng)系統(tǒng)一樣遍布人們生活和工作的每個(gè)角落[4-5]，為家居防盜系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制提供了可能。

文中主要利用了基于公共電話網(wǎng)（PSTN）和DTMF解碼技術(shù)，采用無(wú)處不在的電話網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)控，將STC89C52單片機(jī)、ISD1720集成語(yǔ)音芯片、MT8870解碼芯片等集成電路有機(jī)地結(jié)合在一起而構(gòu)成的一種成本低廉、遠(yuǎn)程控制便捷、功能先進(jìn)、實(shí)用的智能家庭式防盜報(bào)警系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)整體架構(gòu)及功能描述

智能防盜監(jiān)控系統(tǒng)原理如圖1所示。本系統(tǒng)采用STC89C52單片機(jī)為核心處理器[6]。整個(gè)控制系統(tǒng)主要由振鈴檢測(cè)模塊、語(yǔ)音提示模塊、DTMF解碼模塊、DTMF自動(dòng)撥號(hào)模塊及預(yù)警報(bào)警模塊等5部分組成。

根據(jù)電話遠(yuǎn)程遙控智能防盜鎖的功能要求，該裝置總體應(yīng)實(shí)現(xiàn)的功能如下：1）等待超過(guò)設(shè)定的振鈴次數(shù)，若無(wú)人接聽(tīng)電話，裝置能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)模擬摘機(jī)；2）裝置摘機(jī)后，通過(guò)密碼來(lái)識(shí)別合法用戶；3）可通過(guò)電話來(lái)修改密碼，密碼掉電不丟失；4）通過(guò)對(duì)雙音頻信號(hào)的解碼來(lái)識(shí)別用戶的控制指令；5）裝置能根據(jù)用戶指令執(zhí)行相應(yīng)智能防盜監(jiān)控控制；6）可通過(guò)LCD液晶屏來(lái)顯示裝置當(dāng)前所存狀態(tài)；7）超過(guò)設(shè)定的時(shí)間沒(méi)收到用戶的指令，裝置會(huì)掛機(jī)；8）裝置不影響電話的正常使用。

圖1 智能防盜監(jiān)控系統(tǒng)原理流程圖Fig.1 Intelligent security monitoring system schematic flow diagram

2 系統(tǒng)的硬件模塊設(shè)計(jì)

2.1 振鈴檢測(cè)模塊

電話線路沒(méi)來(lái)鈴流前，電話線路由電話交換機(jī)提供大約48 V的直流電壓。在電話網(wǎng)信號(hào)裝置中，撥號(hào)音是頻率為（450士25）Hz的連續(xù)信號(hào)音；回鈴音是頻率為（450士25）Hz，5 s斷續(xù)（即送 1 s、斷 4 s）的信號(hào)音；忙音是頻率為（450士25） Hz，0.7 s 斷續(xù)（即送 0.35 s、斷 0.35 s）的信號(hào)音。 音源信號(hào)為正弦波。當(dāng)用戶被呼叫時(shí)，電話交換機(jī)發(fā)來(lái)鈴流信號(hào)。振鈴信號(hào)為（450士25）Hz的正弦波，諧鈴失真不大于10%，電壓有效值（90士15）V。振鈴以5 s為周期，即1 s送，4 s斷。

在本電路檢測(cè)鈴流信號(hào)時(shí)，以5次鈴響為準(zhǔn)，即5次振鈴后無(wú)人摘機(jī)，便由單片機(jī)控制自動(dòng)模擬摘機(jī)（即電子開(kāi)關(guān)接通）。 振鈴檢測(cè)電路如圖 2 所示： 由 C2、R2、D2、R3、LED 和4N25組成。

圖2 振鈴檢測(cè)電路原理圖Fig.2 Ringing detection circuit schematics

2.2 語(yǔ)音提示模塊

語(yǔ)音信號(hào)的主要作用是用作操作過(guò)程中的語(yǔ)音提示，實(shí)現(xiàn)用戶和本裝置的交流，方便用戶的操作，使本裝置更友好、更智能。ISD系列語(yǔ)音芯片采用模擬數(shù)據(jù)在半導(dǎo)體存儲(chǔ)器直接存儲(chǔ)的專(zhuān)利技術(shù)，即將模擬語(yǔ)音數(shù)據(jù)直接寫(xiě)入單個(gè)存儲(chǔ)單元，不經(jīng)過(guò)A/D或D/A轉(zhuǎn)換，因此能夠較好的真實(shí)再現(xiàn)語(yǔ)音的自然效果，避免了一般固體語(yǔ)音電路因?yàn)榱炕蛪嚎s所造成的量化噪音和失真現(xiàn)象。本模塊采用ISD1720語(yǔ)音芯片，工作電路如圖3所示。

本設(shè)計(jì)使用的是SPI模式來(lái)控制ISD1720的錄音放音。ISD1720 的控制端（SCLK、MOSI、MISO、/SS）分別接在 51 單片機(jī)的P3.4~P3.7。語(yǔ)音輸出端SP+（15管腳）接在圖3的“J1”接口上，語(yǔ)音信號(hào)在模擬摘機(jī)后即可通過(guò)電話線傳輸?shù)綋芙杏脩舻碾娫捝希羯皇д?，音量足夠，不需再?duì)音頻進(jìn)行放大。

2.3 DTMF解碼模塊

DTMF碼的雙音頻信號(hào)是由低頻組和高頻組兩組頻率信號(hào)構(gòu)成，每個(gè)數(shù)字信號(hào)由低頻組和高頻組的任意一個(gè)組合而成。根據(jù)CCITT的建議，DTMF的編譯碼如表1所示。

圖3 ISD1720語(yǔ)音提示電路Fig.3 ISD1720 voice promptcircuit

表1 電話號(hào)碼與頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系表Tab.1 Telephone number and frequency of correspondence between tables

電話線上傳輸?shù)氖怯筛?、低兩個(gè)音頻組合的雙音頻信號(hào)，而微控制器可以識(shí)別的是由“0”和“1”組成的數(shù)字信號(hào)。微控制器要想識(shí)別電話線上的雙音頻信號(hào)，就需要一個(gè)DTMF解碼電路將DTMF信號(hào)轉(zhuǎn)化成二進(jìn)制信號(hào)再傳給微控制器。相反，由單片機(jī)送出的二進(jìn)制碼經(jīng)DTMF雙音多頻編解碼電路編碼后，產(chǎn)生兩個(gè)高、低音頻的組合信號(hào)也可通過(guò)電話線向外發(fā)送出去。

這些頻率的選擇是經(jīng)過(guò)對(duì)人體聲學(xué)的研究后得到的，是人聲帶使用最少的頻率組合。因此DTMF可避免人的話音干擾。參照MT8870的典型應(yīng)用電路及其引腳功能，本裝置DTMF解碼電路的設(shè)計(jì)如圖4所示。

2.4 DTMF自動(dòng)撥號(hào)模塊

本部分電路主要完成對(duì)電話雙音多頻信號(hào)進(jìn)行解碼，同時(shí)，當(dāng)出現(xiàn)警情時(shí)，撥預(yù)置的電話號(hào)碼進(jìn)行遠(yuǎn)程預(yù)警，以便對(duì)警情進(jìn)行處理。

圖4 MT8870解碼電路原理圖Fig.4 MT8870 decoding circuit schematics

實(shí)現(xiàn)利用電話網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程通訊，關(guān)鍵部分是DTMF收發(fā)電路。它將實(shí)現(xiàn)自動(dòng)撥號(hào)、忙音識(shí)別、鈴聲識(shí)別等功能。本設(shè)計(jì)是使用集成電路的方法加以實(shí)現(xiàn)，即使用電話專(zhuān)用的雙音頻編解碼芯片（MT8888）進(jìn)行輸入雙音頻信號(hào)的編碼，信號(hào)轉(zhuǎn)換成為不同的碼制信號(hào)，并且通過(guò)放大芯片（LM324）放大，放大后的DTMF碼直接通過(guò)電話線端口發(fā)送至交換機(jī)。

2.5 預(yù)警報(bào)警模塊

報(bào)警模塊主要對(duì)住宅中的安全狀態(tài)進(jìn)行采集并提供報(bào)警信息。報(bào)警模塊可以探測(cè)非法侵入、火災(zāi)發(fā)生等，例如：門(mén)磁報(bào)警器、煙霧探測(cè)器、可燃?xì)怏w探測(cè)器等，用戶可以根據(jù)需要進(jìn)行配置。報(bào)警模塊在探測(cè)到異常情況時(shí)將自動(dòng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，同時(shí)發(fā)出聲音報(bào)警。單片機(jī)系統(tǒng)接收并處理報(bào)警信號(hào)，然后將預(yù)先設(shè)置的電話號(hào)碼（如家人的手機(jī)號(hào)碼、119等）通過(guò)自動(dòng)撥號(hào)模塊自動(dòng)撥出，將報(bào)警信息傳輸給用戶或監(jiān)控中心。

3 智能防盜監(jiān)控系統(tǒng)的總體軟件設(shè)計(jì)

本裝置得已穩(wěn)定可靠運(yùn)行，除了有設(shè)計(jì)合理的硬件模塊外，還需要良好的軟件配合，而且要有友好的人機(jī)對(duì)話功能。軟件設(shè)計(jì)的核心是編寫(xiě)51單片機(jī)程序，來(lái)檢測(cè)、分析來(lái)自各模塊的信息，并根據(jù)用戶的操做調(diào)用對(duì)應(yīng)的處理函數(shù)。

軟件要實(shí)現(xiàn)的功能有：1）當(dāng)電話線上有振鈴信號(hào)時(shí)，通過(guò)判斷達(dá)到振鈴次數(shù)，則摘機(jī)繼電器吸合，完成模擬摘機(jī)。2）單片機(jī)控制ISD1720語(yǔ)音模塊播放“請(qǐng)輸入6位密碼”，用戶輸入6位正確密碼后進(jìn)入系統(tǒng)控制中心。3）用戶通過(guò)語(yǔ)音進(jìn)行對(duì)防盜監(jiān)控系統(tǒng)的控制操作，按“1”對(duì)裝置進(jìn)行開(kāi)鎖，按“2”對(duì)裝置進(jìn)行上鎖，按“0”進(jìn)行密碼修改。 4）若用戶按“*”或者超過(guò)30秒不做任何操作，單片機(jī)將控制P2.4執(zhí)行模擬掛機(jī)。

根據(jù)上述的軟件功能，設(shè)計(jì)本裝置的總程序流程圖如圖5所示。

4 結(jié) 論

1）本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種基于PLMN（陸基移動(dòng)通信網(wǎng)）和PSTN（公用電話交換網(wǎng)）的電話遠(yuǎn)程遙控控制報(bào)警裝置，該裝置并接在電話線上后，對(duì)電話機(jī)的正常使用不產(chǎn)生任何影響，用戶撥打電話后，能在五次響鈴無(wú)人接聽(tīng)系統(tǒng)摘機(jī)后，按語(yǔ)音提示操作連接在本裝置的防盜監(jiān)控系統(tǒng)。

圖5 智能監(jiān)控防盜系統(tǒng)總程序流程圖Fig.5 The total program flowchart intelligent monitoring alarm systems

2）該控制系統(tǒng)在硬件上采用了模塊化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)包含了振鈴檢測(cè)、語(yǔ)音提示、DTMF解碼、DTMF自動(dòng)撥號(hào)及預(yù)警報(bào)警等模塊，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制啟動(dòng)關(guān)閉、六位密碼在線修改與驗(yàn)證以及室內(nèi)安全防盜監(jiān)控功能。同時(shí)采用在線更改密碼和外部寄存器存儲(chǔ)密碼的方式，提高了裝置的安全性。

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