基于SIM900A遠(yuǎn)程語(yǔ)音預(yù)警系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

摘 要：本設(shè)計(jì)是利用GSM/GPRS公共網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，不受惡劣地形、天氣的影響，只要公網(wǎng)覆蓋的區(qū)域即可實(shí)現(xiàn)其遠(yuǎn)程語(yǔ)音和短信預(yù)警，也可使用本地麥克風(fēng)預(yù)警。本設(shè)計(jì)可廣泛應(yīng)用于水利、氣象、地質(zhì)災(zāi)害等的防治工程，也適用于學(xué)校、礦山、廣場(chǎng)等公共場(chǎng)所的安全預(yù)警。

關(guān)鍵詞：SIM900A；GSM；預(yù)警；廣播

中圖分類(lèi)號(hào)：TP274

1 SIM900A模塊介紹

SIM900A是緊湊型、高可靠性的無(wú)線模塊，采用SMT封裝的雙頻GSM/GPRS模塊解決方案，采用功能強(qiáng)大的處理器ARM9216EJ-S內(nèi)核，能滿足低成本、緊湊尺寸的開(kāi)發(fā)要求。SIM900A是芯訊通（SIMCom）公司提供的具有GSM語(yǔ)音、短消息等業(yè)務(wù)的模塊。SIM900A采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口，工作頻率為GSM/GPRS 850/900/1800/1900MHz，可以低功耗實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音、SMS、數(shù)據(jù)和傳真信息的傳輸。另外，SIM900A的尺寸大小為24x24x3mm，能適用于M2M應(yīng)用中的各類(lèi)設(shè)計(jì)需求，尤其適用于緊湊型產(chǎn)品設(shè)計(jì)。該模塊有標(biāo)準(zhǔn)AT命令接口，主要用于語(yǔ)音或者數(shù)據(jù)通信。SIM900A是一個(gè)2頻的GSM/GPRS模塊，工作的頻段為：EGSM 900MHz和DCS 1800MHz。SIM900A支持GPRS multi-slot class 10/ class 8（可選）和GPRS 編碼格式：CS-1，CS-2，CS-3 and CS-4。SIM900A內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，擴(kuò)展的TCP/IP AT命令讓用戶(hù)能夠很容易使用TCP/IP協(xié)議，支持串口、SPI和I2C通信模式，有一路音頻輸入和輸出接口，另外該模塊還有工作狀態(tài)指示和網(wǎng)絡(luò)在線狀態(tài)指示，方便二次開(kāi)發(fā)。

模塊操作溫度范圍是-40°C to +85°C，模塊工作電壓范圍是3.2到4.8V，在睡眠模式下模塊的工作電流約為1.5mA。

2 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

SIM900A模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心，它需要連接外置天線增加信號(hào)，來(lái)采集GSM語(yǔ)音和數(shù)字信息。SIM900A與MCU通信是串口實(shí)現(xiàn)的，文轉(zhuǎn)音模塊的作用是把文字信息轉(zhuǎn)化為語(yǔ)音音頻信號(hào)輸出，功放電路的作用是把音頻信號(hào)進(jìn)行放大處理，用外接喇叭進(jìn)行輸出預(yù)警廣播。另外整個(gè)裝置還具備有音頻輸入接口，方便本地音頻輸入廣播；SIM卡卡座是用來(lái)固定手機(jī)電話卡，它與SIM9000A通信；兩個(gè)LED燈用來(lái)指示系統(tǒng)工作狀態(tài)和網(wǎng)絡(luò)在線狀態(tài)的。

3 系統(tǒng)的預(yù)警功能介紹

本系統(tǒng)的預(yù)警功能可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程語(yǔ)音告警、遠(yuǎn)程短信告警和本地麥克風(fēng)告警。

遠(yuǎn)程語(yǔ)音告警：SIM900A模塊接收到電話語(yǔ)音信息，就直接把音頻信號(hào)傳送至功放電路，再通過(guò)喇叭廣播。為了安全管理起見(jiàn)可以用軟件設(shè)置本系統(tǒng)的手機(jī)白名單，當(dāng)有來(lái)電提示，先判斷來(lái)電號(hào)碼是否在白名單之內(nèi)，若是則電話接通，播報(bào)相應(yīng)的信息；若不是白名單號(hào)碼則掛斷。

遠(yuǎn)程短信告警：若是模塊接收到是短信，且來(lái)電號(hào)碼在系統(tǒng)內(nèi)的白名單內(nèi)，模塊把接收到的文字信息，通過(guò)串口通信方式傳送到單片機(jī)，然后MCU再把處理過(guò)的信息傳送到文轉(zhuǎn)音模塊轉(zhuǎn)為音頻信號(hào)，再通過(guò)放大電路和喇叭輸出廣播。塊還支持音頻輸入功能，支持麥克風(fēng)預(yù)警廣播。另外該模塊還有檢測(cè)SIM卡在線和工作狀態(tài)指示功能。

本地麥克風(fēng)告警：由于SIM900A模塊還支持音頻輸入功能，所以來(lái)系統(tǒng)還可以支持麥克風(fēng)喊話廣播，或是外接音頻信號(hào)告警。

4 模塊與SIM卡的連接電路設(shè)計(jì)

如圖，模塊主要通過(guò)VDD、RST、CLK、PRESENCE、DATA信號(hào)與SIM卡連接。VDD是模塊為SIM卡提供電源，它根據(jù)SIM卡的類(lèi)型自動(dòng)選擇輸出電壓，可以為3.0V±10%或者為1.8V±10%，輸出電流約為10mA，需要并聯(lián)100或220nF電容，以穩(wěn)定電源輸出，減小紋波；DATA為兩者間傳輸數(shù)據(jù)的I/O數(shù)據(jù)接口，建議并聯(lián)pF級(jí)電容，防止高頻干擾；CLK為模塊提供數(shù)據(jù)交換的時(shí)鐘信號(hào)；RST是模塊為SIM提供的復(fù)位信號(hào)，建議并nF級(jí)電容，防止高頻干擾；PRESENCE是模塊主要用于SIM卡的插取動(dòng)作的檢測(cè)。為了增強(qiáng)SIM卡部分的可靠性，建議在接口增加ESD靜電保護(hù)器件，如ESD SMF05C、ESDA6V1W5等芯片。串在IO口線中的22Ω電阻用于匹配模塊和SIM卡之間的阻抗，數(shù)據(jù)信號(hào)線SIM_DATA已在模塊內(nèi)部上拉。布局布線時(shí)SIM卡的外圍電路的器件應(yīng)該靠近SIM卡座，不要擺放過(guò)遠(yuǎn)，走線過(guò)長(zhǎng)，導(dǎo)致無(wú)法識(shí)別SIM卡。

5 SIM900A的供電電路設(shè)計(jì)

SIM900A有3個(gè)VBAT引腳專(zhuān)用于供電，范圍3.4～4.5V之間，推薦電壓為4.0V。設(shè)計(jì)會(huì)影響整個(gè)模塊的工作穩(wěn)定性，比如常見(jiàn)問(wèn)題模塊開(kāi)機(jī)幾秒鐘就關(guān)機(jī)、TCP/IP傳輸數(shù)據(jù)頻繁大數(shù)據(jù)量、信號(hào)強(qiáng)度不好的情況，都可能會(huì)產(chǎn)生模塊關(guān)機(jī)或重啟現(xiàn)象。

SIM900A最好采用單電源供電，模塊射頻發(fā)射時(shí)會(huì)導(dǎo)致電壓跌落，這時(shí)電流的峰值最高會(huì)達(dá)到2A以上，因此電源供電能力盡可能達(dá)到2A，并建議VBAT引腳并接大電容。電源芯片選擇上需要注意，如果外部輸入電壓與VBAT壓差很大，建議選擇開(kāi)關(guān)電源，當(dāng)選用DC-DC時(shí)需注意EMI干擾，建議串接磁珠以備調(diào)整；如果外部輸入電壓與VBAT壓差不大，最好選用LDO?？蛻?hù)的產(chǎn)品需要過(guò)TA、CE、FCC等認(rèn)證，推薦選擇LDO供電。為了增強(qiáng)模塊電源抗干擾能力（主要抗浪涌，脈沖群，靜電等），不至于在外界環(huán)境比較惡劣的情況下導(dǎo)致模塊供電異常，建議根據(jù)實(shí)際應(yīng)用在外部電源輸入端加一些共模電感、TVS管等器件，在VBAT供電芯片輸出端加一些nf、pf級(jí)電容，濾除干擾。PCB布局時(shí)候VBAT上的旁路電容盡量要放在對(duì)應(yīng)pin附近，為了減少PCB走線阻抗，VBAT走線盡量寬、走線盡量短，最好大面積鋪地。

參考文獻(xiàn)：

[1]SIM900A_Hardware Design_V1.01[Z].

[2]GPRS無(wú)線模塊SIM900A硬件設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)[Z].

作者簡(jiǎn)介：楊曉琪（1982.12-），女，湖北人，教師，高校講師，碩士，研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)；黃建（1982.04-），碩士，硬件工程師，研究方向：電路設(shè)計(jì)。

作者單位：武漢工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，武漢 430080；武漢聯(lián)宇技術(shù)有限公司，武漢 430205