遠程家庭安全系統的研究

魏慶濤

（大連科技學院 遼寧 大連 116052）

“家”是人的感情之所在，是國家的細胞，而家庭是家的物質存在方式，自古以來家庭安全就是人們一直關心的問題。古之人勤于外，門以拒賊，火水之患窮于計。隨著科技的進步，入室盜竊的技術也在不斷的升級和進步，僅靠門鎖已經擋不住犯罪分子的入侵；而人民生活水平和生活質量的日益提高，家庭中的內部設施不斷完善，涉及到火、電的越來越多，也越來越復雜，同時發生危險的幾率也在不斷提高。遠程家庭安全系統就是能夠實現當主人不在家時，對非法闖入和意外事件進行及時遠程報警和保護救助的功能的設施。運用嵌入式技術手段可實現信息的采集和救助，電話信息的技術發展為遠程報警提供了技術保障，于是將嵌入式技術和電話信息技術進行綜合運用即可實現家庭安全系統的功能。

1 總體結構

嵌入式技術是目前控制系統比較流行的一種技術實現手段，而單片機應用控制系統就是一種嵌入式系統。單片機又稱單片微型計算機，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用于工業控制、數據采集檢測、電器控制等領域。

設計采用STC12C5612AD單片機[1]為控制核心，利用傳感器模塊對突發事件等信息進行采集，通過語音芯片進行報警以及控制電路進行保護救助。

系統框圖如圖1所示，當信號采集模塊采集到的數據是需要報警或保護救助的信息時，處理模塊采取相應的救助措施，模擬摘掛機電路將電話摘機，同時由語音模塊發送預先存儲好的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行識別，若是忙音或者響鈴10次之后無人接聽則掛機，呼叫另一個號碼，若接通則語音芯片發出相應語音信息通知客戶發生事件的情況。

圖1 系統框圖Fig.1 System block diagram

2 硬件電路設計

系統核心采用的STC12C5612AD單片機與傳統的51單片機相比具有強加密性、超強抗干擾能力、超低功耗、高速等特點，且內部集成MAX810專用復位電路及高速8路10位AD轉換器，可直接替換ATMEL，PHILIPS，Win bond的單片機產品[1]。

2.1 數據采集模塊

在家庭安全系統中，需要對火災、水災、非法入侵等意外事故進行判斷，而數據采集模塊主要完成的就是對這些信息的采集工作。

當火災發生時會在空氣中產生大量的煙霧顆粒，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轉換芯片、無須預加熱，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，當無火災時，SOUT2～SOUT0輸出“000”邏輯電平，當意外火災發生時，火災產生的煙霧顆粒達到一定濃度會使紅外光室的紅外接收管接收不到紅外發射管的射線，這樣在SOUT2～SOUT0輸出“001”邏輯電平，這樣通過判斷P2.2～P2.0引腳上的狀態來判斷是否有火災發生 （火災發生還需溫度判斷，采用數字溫度傳感器DS18B20，由于DS18B20應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入室內，現代科學技術的發展使得犯罪分子即便不通過破壞門窗亦可進入室內，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。設計改變了傳統的紅外對管防入侵技術[3]，通過感應人體會向外輻射紅外線的特點，利用熱釋電[4]人體感應模塊來判斷當主人離家后是否有人為活動在室內進行。

人體感應電路如圖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（可達到-20～70℃），感應角度大（可達140°）優點。無人在室內走動時OUT引腳上會輸出高電平，而當有人進入室內活動時，OUT引腳上會輸出低電平。

2.2 模擬摘掛機模塊

當數據采集模塊采集到意外事件信息時，首先要求電話進入摘機狀態，并撥出被叫電話號碼，若對方電話忙音則需進行掛摘機操作，進入下一個電話的呼叫。而電話的摘掛機動作是依靠模擬摘掛機模塊來實現的。判斷用戶話機的摘掛機狀態，是電話局的程控交換機對電話線回路上的直流環路上電流的大小判斷來實現的，當用戶掛機時，直流回路電流為0 mA，如果電話線回路的電流突然變大，且程控交換機檢測到直流回路電流變大時就認為電話已經摘機。根據此原理，設計模擬摘掛機電路如圖3所示。

圖3 模擬摘掛機電路Fig.3 Simulation hook circuit

當采集的數據是意外事件信息時，通過單片機的P2.4引腳控制三極管導通，引起繼電器常開觸點閉合，使得模擬摘掛機電路工作，這樣會在電話線直流回路上電流變大，產生30 mA左右的電流，完成摘機操作；而當需要掛機時，通過單片機的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。

2.3 撥號及語音模塊

傳統的撥號系統都是采用DTMF編碼芯片進行電話撥號，而由于語音芯片的發展，使得語音芯片可產生雙音多頻的語音信號，這樣就既可以利用語音芯片產生的DTMF信號直接對外撥號，又可以利用語音芯片來產生報警的聲音提示，從而節省了硬件成本和單片機的I/O端口。設計采用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數據輸入口，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

當需語音芯片發送語音數據時，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5～10 ms的低電平用來喚醒WT588D，此后由P1.0引腳輸出數據，DATA端口根據此數據來播放預先存儲在SPI-FLASH內的雙音多頻信號數據和普通語音。

2.4 電話信號識別模塊

當語音芯片呼叫被叫號碼時，需對電話線上的回鈴音、忙音等狀態進行檢測，以便進行后續的控制操作。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部含濾波器提高了信號的識別率，增加系統的穩定性。設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、結構簡單、便于應用，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

在電話模擬摘機前，先將P1.7置低電平持續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，當檢測到回鈴音30 s后仍然響鈴則需掛斷電話重新撥叫另一號碼，當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撥叫另一號碼。

2.5 處理模塊

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

3 軟件設計

軟件設計流程如圖6所示，系統判斷是否有突發事件發生，若發生為何種突發事件，根據不同的突發事件采取不同的救助措施；同時，電話進行模擬摘機，由語音芯片經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發生的事件情況，若30 s響鈴后仍無人接聽或忙音情況則掛斷電話，繼續撥打下1個電話號碼，直到3個號碼當中有1個接通為止。

圖6 程序流程圖Fig.6 Program flow chart

4 結束語

此應用研究設計以STC單片機為核心處理器芯片，利用電話及語音芯片進行遠程呼叫報警，應用電磁閥等電氣開關裝置實現現場及時救助。其不僅可應用于家庭，經改裝后亦可應用于商場、銀行等場所實現遠程的監控報警處理等，具有較高的實用價值。

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