基于以太網(wǎng)的文字聲光警示系統(tǒng)設(shè)計

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)場經(jīng)常需要進行語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，可通過語音播報、文字顯示或警示燈等方式進行預(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.其次大多數(shù)警示系統(tǒng)的警示語音存儲采用ISD4003等專用語音芯片［7］，需要顯示的文字信息通常存儲在專用存儲器中［8］，修改語音及文字信息需要專業(yè)人員通過專業(yè)設(shè)備進行操作，導(dǎo)致這種系統(tǒng)易用性及適應(yīng)性不高.

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

1 警示系統(tǒng)組成

警示系統(tǒng)由PC機、中心主機、以太網(wǎng)交換機及分機組成，以太網(wǎng)警示系統(tǒng)組成如圖1所示.其中主機、PC機及交換機安裝在中心值班室，各分機安裝在警示目標(biāo)位置.各設(shè)備之間采用網(wǎng)線連接，若距離較遠，可采用光纖傳輸.PC機上安裝相應(yīng)的監(jiān)控軟件，配合數(shù)據(jù)庫系統(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)對實時性要求比較高，因此采用UDP協(xié)議進行系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸.中心主機、PC機及分機的IP設(shè)置時按照C類網(wǎng)進行設(shè)計，最多可支持252臺分機.

1.1 警示分機

警示分機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器等部分組成.系統(tǒng)中所需要的語音及文字警示信息預(yù)先存儲在SD卡中，語音信息以MP3格式存儲，文字信息以TXT格式存儲，語音解碼芯片負(fù)責(zé)對CPU讀取到的語音文件進行解碼輸出，隨后通過功放后進行語音播報；串行接口負(fù)責(zé)LED顯示屏與CPU之間的串行信號電平轉(zhuǎn)換，最終可在LED顯示屏上顯示預(yù)先存儲在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到以太網(wǎng)的連接；探測器可選多種類型，如主動紅外入侵探測器、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.

圖1 以太網(wǎng)警示系統(tǒng)組成

圖2 警示分機組成

警示分機的觸發(fā)分為兩種形式，一種是探測器自動觸發(fā)，另外一種是人工按鍵觸發(fā).當(dāng)探測器檢測到有非法入侵時，探測器會向CPU送入報警信號，警示分機隨之會分三個步驟依次做出響應(yīng)，第一步是將報警數(shù)據(jù)打包后通過以太網(wǎng)向系統(tǒng)傳輸，第二步是通過串口將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)置的語音文件通過語音解碼芯片解碼后送入功放進行播報.假設(shè)探測器1位于1號警戒區(qū)域，當(dāng)有人非法入侵該區(qū)域時，探測器1及時檢測到該次入侵，警示分機將首先通過以太網(wǎng)向中心主機及其他分機傳輸報警數(shù)據(jù)，其次啟動閃爍警示燈閃爍，同時通過語音播報及文字顯示設(shè)備做出響應(yīng)，LED顯示屏將顯示“警戒區(qū)域，立即退回”，隨后語音播報“你已進入警戒區(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，按下相應(yīng)按鍵，此時語音及文字警示按照預(yù)先定義的內(nèi)容進行播報顯示，比如值班人員發(fā)現(xiàn)有接近警戒區(qū)域但尚未觸發(fā)到探測器時，人工觸發(fā)按鍵后分機系統(tǒng)調(diào)用SD卡中預(yù)先存儲的文字及語音信息，LED顯示“警戒區(qū)域，請勿進入”，語音播報“這里是警戒區(qū)域，請保持距離”；二是若入侵者觸發(fā)自動警示后并沒有退出警戒區(qū)，此時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”，語音播報“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)上報報警信息，但語音及文字均不做出響應(yīng).分機中的MIC可作為備用措施，當(dāng)值班人員需要進行某種提示但SD卡庫中并未預(yù)置該語音數(shù)據(jù)時使用.

1.2值班中心

人員進行處理，值班人員可通過按鍵操作發(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法安裝PC機，則可參考警示分機的組成對中心主機進行配置，將圖2中的探測器及MIC省去，并將功放換為有源音箱即可作為中心主機使用.

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)，可實時對目標(biāo)區(qū)域進行視頻監(jiān)視，也可共用傳感器實現(xiàn)視頻聯(lián)動.

圖3 中心主機組成

2 警示系統(tǒng)芯片選型及電路實現(xiàn)

為了提高本系統(tǒng)的易用性，中心主機及警示分機均采用模塊化設(shè)計，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、語音解碼輸出等模塊單元，中心主機與警示分機采用相同的程序代碼，為使用者帶來很大的便利性.

2.1 硬件電路設(shè)計

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)進行數(shù)據(jù)傳輸，因此以太網(wǎng)接口電路的設(shè)計至關(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)媒體訪問控制器（MAC）、10Base-T物理層（PHY）和8kB非易失性FLASH存儲器的單芯片以太網(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存儲器，可用于存儲用戶數(shù)據(jù)、Web服務(wù)器內(nèi)容或作為通用非易失性存儲器.FLASH存儲器的最后6個存儲單元是工廠預(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，能進行自動極性檢測和糾正，具有碰撞自動重發(fā)功能，能自動填充和生成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，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，該單片機是高度集成的混合信號SoC級微控制器芯片，具有與8051單片機兼容的高速CIP-51微控制器內(nèi)核，峰值速度可達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64kB的FLASH存儲器，并且還有硬件實現(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個數(shù)字I／O端口，可硬件實現(xiàn)SPI和I2C總線及UART串行接口，滿足系統(tǒng)對控制端口的需求［8］.同時片內(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）語音解碼芯片.語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個高品質(zhì)可變采樣率的ADC、1個立體聲DAC，以及1個耳機放大器，可通過SPI總線單片機進行通信［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，以達到更好的警示作用.如果將LED顯示屏升級為串口＋以太網(wǎng)雙接口，可為LED顯示屏分配一個IP地址后也接入警示系統(tǒng)，則可通過值班室的PC機對LED顯示屏進行遠程控制，實現(xiàn)遠程文字顯示控制.

2.1.4 警示系統(tǒng)硬件電路 這里以警示分機的硬件電路為例來說明電路組成，如圖4所示.主處理器通過并行總線與CP2200相連，隨后經(jīng)過HR911175A接入以太網(wǎng)；SD卡用來存儲系統(tǒng)需要的MP3及TXT文件，VS1003B通過SPI總線的3條數(shù)據(jù)線和4條控制線實現(xiàn)與C8051F040單片機的通信，解碼后的語音信號通過LM1875放大后送入定向性能較好的號角喇叭進行語音播放；LED顯示屏用來顯示警示文字信息，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)進行設(shè)計，IP地址默認(rèn)設(shè)置為192.168.1.XXX，在單片機程序中預(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，通過硬件電路中的8位撥碼開關(guān)來設(shè)定IP地址的最后一位，需要改變IP地址是只需對8位撥碼開關(guān)進行操作即可.

3.2 SD卡中語音及文本文件命名

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，為了便于單片機調(diào)用語音及文本文件其文件命名需要遵守相同的命名規(guī)則.語音文件的內(nèi)容可根據(jù)具體應(yīng)用場合來錄制，這里要注意的是該語音文件的采樣率最好不超過128kbit／s.文本文件中寫入了報警文字信息的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應(yīng)同一種警示事件時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，播放器就會播放警示語音，但是不同的事件播放的內(nèi)容不相同，各個音頻文件的命名也不相同.在對音頻文件命名時，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在值班中心和存儲在警示分機中相同文件名下的語音文件的內(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種報警信息，此時警示分機中存儲的該文件名下的語音內(nèi)容為“你已經(jīng)進入警戒區(qū)域，請立即退回”，而值班中心存儲的該文件名下的語音內(nèi)容為“有人進入警戒區(qū)域，請立即處置”，分別用以對入侵者進行警示和對值班人員進行提醒.

3.2.2 文本文件名命名 當(dāng)有事件發(fā)生時，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，各個文本文件的編碼也不相同，每個文本文件中寫入了文字顯示設(shè)備需要顯示文字的16進制代碼，比如需要顯示“警戒區(qū)域，立即退回”，其代碼為“BEAF BDE4C7F8D3F2A1A1 C1A2BCB4CDCB BBD8”.在對文本文件命名時，同樣也采用5位編碼格式，文件名第一位為C，其余各位命名與語音文件命名方式相同.

4 結(jié) 論

（1）本文設(shè)計的文字聲光警示系統(tǒng)，組合文字、語音及燈光等警示方式，對進入警示區(qū)域的人員或車輛進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音信息分別以TXT及MP3文件形式均存儲在SD卡中，若應(yīng)用于安防、交通路口、施工現(xiàn)場、學(xué)校、博物館等不同的場所，無需改變軟件程序及硬件電路，只需要對SD卡中的相關(guān)文件內(nèi)容進行對應(yīng)修改即可.

（3）由于該系統(tǒng)采用以太網(wǎng)進行數(shù)據(jù)傳輸，系統(tǒng)組網(wǎng)不受拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)限制，便于擴充升級，也可以與以太網(wǎng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)緊密結(jié)合，實現(xiàn)報警視頻聯(lián)動.

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