基于GSM 網絡的電梯五方通話技術研究*

李文峰 ，李志華，韓 非

(1.西安科技大學通信與信息工程學院，西安710054;2.西安終南信息技術有限公司，西安710054)

現階段房地產快速發展，電梯是一般樓盤不可缺少的工具，使用頻率越來越高，電梯安全也越來越受到重視。電梯關人現象屢見不鮮，而電梯關人后由于缺乏相應的救援常識而導致事故的情況也隨處可見。由于人員被關電梯，調查中發現近72%的人在被關電梯后手足無措，強行扒門，手敲連帶腳踹，留下了很大的隱患。眾所周知，在電梯里如果遇到停電或其它突發事件，人最先想到的是要通過報警逃離密封的空間，此時與外界的聯系過程中，電梯五方通話裝置就顯得尤為重要。電梯五方通話定義為通過電梯轎廂電話分機、機房電話分機、轎頂電話分機、底坑電話分機、值班室電話，實現轎內人員、轎頂人員、底坑人員、電梯機房人員與監控室的值班人員保持語音聯系。

有效的五方通話裝置不僅有助于緩解被困者的焦急情緒，而且對于救援的施展非常關鍵。但大多數電梯沒有五方通話裝置，或者是只是有線通信的方式，而且電梯值班室不一定全天24 h 有人值班。所以若五方通話未設置或無效，在某些情況特別是樓層比較高救援不利的情況下，救援可能會由于溝通不暢而出現意外事故?；诖?，我們設計了基于GSM 網絡的電梯五方通話裝置。該裝置突破了電梯發生事故時乘坐者對外進行無線緊急呼叫的“最后一公里”技術“瓶頸”，為乘坐者、物業方、維保公司、政府監管部門之間提供及時、可靠、穩定、方便、經濟的通訊保障。

1 系統總體設計

1.1 系統描述

系統主要是由無線主機和各個分機連接而成的通話網絡，其組成框圖1 所示。

圖1 電梯五方通話系統組網圖

在整個系統中主機是我們的主要設計部分，各個分機都是現在市場上現有的產品，不需要我們額外設計，只要主機預留相應的連接接口即可。主機整體設計的結構原理框圖如圖2 所示。

圖2 主機硬件設計結構框圖

整個主機主要由信號檢測與控制單元、語音電路單元、無線通信電路單元、開關電源電路單元、線性電源單元組成。主機的工作主要是靠微型單片機STC11F05E、GSM 模塊(SIM900A)來完成的。當信號檢測與控制單元檢測到急救信號后，單片機發送AT 指令開始激活GSM 通信模塊，同時接通繼電器，使得語音通路得以建立。當通信連接建立后，雙方可以進行全雙工通信;音頻的輸入和輸出分別由運放LM358 和功放TDA2003 兩個管子來實現的。

當轎廂分機按下呼救按鈕后，急救信號就會通過有線的方式傳到無線通信主機里面;無線通信主機檢測到急救的信號后，開始激活無線通信單元，進行電話撥號(電話撥號都是撥打系統設置好電話號碼，并且撥打號碼的順序也是系統設置好的，按優先級的高低開始進行循環撥打號碼)，在撥打號碼的同時還可以發送出呼救短信給相關部門。當電話接通后，雙方就可以開始通話了。

1.2 系統硬件設計

1.2.1 開關電源電路單元

系統的電源部分采用開關電源電路，在開關電源電路中，由于晶體管在激勵信號的激勵下，交替地工作在導通—截止和截止—導通的開關狀態，轉換速度很快，頻率高，所以功耗小，效率高。在這里，我們用的是UC3843 這個電流模式控制的芯片構成隔離型BUCK DC－DC 電路。電路中采用一個高頻開關變壓器從而實現了輸入與輸出的電氣隔離。利用這個電路可以將12 V 的直流電源轉換成無線通信GSM 模塊(SIM900A)所需要的4.2 V 的直流電源。在電路中通過電流取樣電阻，形成電流反饋;DC－DC 控制芯片(UC3843)輸出開關信號，用來控制功率MOSFET的導通與截止。這里的功率MOSFET 選用的是IRF3205，當它導通時，輸入電壓加在變壓器上，高頻變壓器將電能轉換成磁能儲存在電感中，負載僅有輸出濾波電容提供電能;當MOSFET 關斷，變壓器釋放能量傳第給負載。采用PWM 控制的DC－DC 電路可以簡化電路并使電源高效率，更理想的傳遞能量。

1.2.2 信號檢測與控制單元

在整個單元里面，微型單片機STC11F05E 是我們的核心部分，該芯片具有體積小、成本低、集成度高等優勢。在我們的這個單元電路中還預留了單片機的程序燒寫接口，所以非常方便我們進行程序的燒寫和后續的升級。當轎廂中人員按下呼救按鈕時，保護電路中的三極管MMBT2907L 開始導通，使得三極管B772 變得截止，VIN1 的電平由12 V 變成5 V，從而使得變壓器兩端產生壓差，這樣的話就可以改變三極管MMBT4401 的導通狀態，從而改變輸出電平;單片機就可以檢測到I/O 口電平信號的變化，然后做出控制判斷，并且通過另一個I/O 口發送電平信號來激活GSM 通信模塊SIM900A，控制其進行撥號和通信。同時，單片機通過給下圖中的P1.3 口一個高電平信號，使得三極管得以導通，繼電器就可以改變狀態，最后接通語音通路。為了確保通信的有效性，我們在設計時要求呼叫按鈕按住的時間必須滿足設定的時間(一般根據人體反應設為大于20 ms，小于5 000 ms)才能進行有效呼叫。在整個單元里面，微型單片機STC11F05E 是我們的核心部分，該芯片具有體積小、成本低、集成度高等優勢。在我們的這個單元電路中還預留了單片機的程序燒寫接口，所以非常方便我們進行程序的燒寫和后續的升級。當轎廂中人員按下呼救按鈕時，保護電路中的三極管MMBT2907L 開始導通，使得三極管B772 變得截止，VIN1 的電平由12 V 變成5 V，從而使得變壓器兩端產生壓差，這樣的話就可以改變三極管MMBT4401 的導通狀態，從而改變輸出電平;單片機就可以檢測到I/O 口電平信號的變化，然后做出控制判斷，并且通過另一個I/O 口發送電平信號來激活GSM 通信模塊SIM900A，控制其進行撥號和通信。同時，單片機通過給下圖中的P1.3 口一個高電平信號，使得三極管得以導通，繼電器就可以改變狀態，最后接通語音通路。為了確保通信的有效性，我們在設計時要求呼叫按鈕按住的時間必須滿足設定的時間(一般根據人體反應設為大于20 ms，小于5 000 ms)才能進行有效呼叫。

1.2.3 無線通信電路單元

我們采用的GSM 通信模塊是SIM900A，該模塊帶有屏蔽罩，而且集成度非常高、體積也很小。無線主機上電后，SIM900A 就會從SIM 卡中讀取信息并進行注冊，我們都可以從狀態指示燈中看到SIM 卡是否注冊成功。單片機通過給P1.6 口一個高電平信號，使得MMBT4401 三極管得以導通，這樣就降低了SIM900A 中PWRKEY 的電平，從而激活SIM900A 模塊。由于SIM900A 的RXD和TXD 口的電平都被限制為3.3 V，而單片機的I/O 口電平是5 V，所以在二者進行通信時還必須進行電平的轉換，我們采用的是三極管MMBT4401來實現此技術，大大的節省了設計的成本。模塊正常工作后就開始按照系統設計好的電話號碼進行循環有序的撥號，當一個電話在一定的時間內無人接聽時，系統會自動跳到下一個電話號碼進行撥號，直到有人接到電話為止，這樣就增加了通信的可靠性。

1.2.4 線性電源單元

線性電源單元是一個非常簡單的電源電壓轉換電路，它主要是實現12 V 到5 V 的電壓轉換，用來給單片機STC11F05E 來供電的。該單元電路的核心器件是一個三端穩壓管L7805，當12 V 電壓輸入時，經過電源濾波和二極管1N4004 輸入到L7805中;輸出端經過一系列的濾波電容就得到了純凈的DC5V 電壓了。線性電源技術很成熟，制作成本較低，可以達到很高的穩定度，紋波也很小，不到1%。

1.2.5 語音電路單元

無線通信單元中音頻信號，它的輸入和輸出分別通過LM358 和TDA2003 兩款芯片來進行處理。語音電路單元中涉及到了聲音的放大、消除噪聲、消除側音等技術。TDA2003 這種功放在多媒體中可以說是用得最普遍的一款了，功率不大，而且失真度也很小，才0. 5%。從SIM900A 中管腳GSM_SP+輸出的音頻信號經過TDA2003 進行功率放大，再從放大管子中的4 號管腳輸出，通過一些電阻和電容，搭建信號的反饋和濾波電路，使得輸出聲音更加清晰，音質也特別好。LM358 內部包括有兩個獨立的、高增益、內部頻率補償的雙運算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無關。從轎廂中的MIC 輸入音頻信號，經過LM358 的放大，再通過變壓器進行阻抗匹配，從而得到純凈的聲音信號，最后輸入到無線通信單元電路中。

2 系統軟件設計

由于這次的設計并沒有應用那些復雜的平臺，所以軟件的設計和燒寫都是非常簡單，它并不需要操作系統來維持。軟件的功能主要是信號的檢測、控制語音電路、控制GSM 模塊進行通信，系統軟件設計的主要流程如圖3 所示。

圖3 系統主機軟件流程圖

3 結論

基于GSM 網絡電梯五方通話系統是現在電梯緊急呼叫中最容易安裝和實用的一套緊急求救系統，它充分利用了現有的GSM 的網絡平臺，通過它來進行無線語音傳輸。系統樣機見圖4、圖5。

整套系統具有以下功能:

(1)無線通話功能，在構筑通話網絡時，無需布線，電話終端的選擇性方便可靠。

(2)固定的號碼回撥功能，設置好在SIM 卡中的電話可以回撥給電梯轎廂，別人無法撥打這個號碼，這樣即保護了電梯轎廂的電話，同時也增加了電梯救護人員與被困人員的互動性。

(3)循環撥打號碼功能，當設置在SIM 卡里面的第一個電話號碼無人接聽時，系統會繼續進行下一個號碼來撥號，依次類推，直到中間有人接聽到電話為止。最多系統可以進行5 個號碼的循環撥號。

(4)安撫功能，在電話還沒有建立之前，系統會播放一段安撫語音來安撫被困人員。

圖4 電梯五方通話系統主機實物圖

圖5 電梯五方通話系統主機內部電路板圖

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