GPRS在智能家居监控系统中的应用

徐 莉，王志刚，高玺广，张 博

（河北工业大学 信息工程学院，天津 300401）

远程智能家居监控的实现主要有互联网，手机和固定电话3种方法。随着电子技术的飞速发展，手机的使用已经相当普及，这就使得利用手机短信业务来实现监控的方式越来越受到人们的青睐。GPRS是在GSM基础上发展起来的一种分组交换的数据承载和传输方式，数据传输速度是GSM的6倍，具有接入迅速、永远在线、流量计费等特点[1]。

基于GPRS的智能家居监控系统，采用具有语音播放和语音识别功能的凌阳SPCE061A单片机为微控制器，结合MC35i无线通信模块，通过收发手机短信、语音提示和识别的形式来实现家居安防和家电控制两大功能。其中语音识别控制更是为家中有行动不便的老人提供方便，在老龄化日益严重的今天显得尤为重要。

1 系统硬件设计

1.1 系统的结构

系统采用凌阳的SPCE061A作为微控制器，实现信号的接收、分析和处理。 SPCE061A是台湾凌阳公司推出的16位μ’nSPTM结构的微控制器，片内集成了2 k字的SRAM和32 k字 Flash、2个 10位 DAC输出通道、7通道 10位电压模—数转换器和单通道声音模—数转换器，内置麦克风放大器和自动增益控制（AGC）功能[2]，这为它进行语音数字信号的压缩、解码和储存提供了便利。

GPRS模块实现短消息（SMS）收发，选用了西门子MC35i无线通信模块，兼容AT指令。MC35i共有40个引脚，通过ZIF连接器分别与电源电路、启动与关机电路、数据通信电路、语音通信电路、SIM卡电路、指示灯电路等连接。通过GPRS网络，MC35i永远在线，并提供较高的数据传输速率。

远程智能家居监控系统的原理图如图1所示。

图1 远程智能家居监控系统的原理图Fig.1 Schematic of remote smart home monitor

系统按功能划分可分为两模块：一是安防模块，采用JTY-GD-S839点型光电感烟火灾探测器，DN-DBJ型家用燃气报警器和GP2D12红外测距传感器[3]，构成传感器模组。传感器将采集到的各路模拟信号通过I/O口传送给SPCE061A，经过分析和处理，如果有异常情况出现则将报警短信交由MC35i无线通信模块发送到用户手机，并播报警情；

二是家电控制模块，用户在户外可以通过手机向家中的MC35i模块发送短信指令，MC35i通过串口向微控制器发送数据信息，单片机通过继电器与家电设备相连，由I/O口输出信号实现远距离的家电控制。除此之外，SPCE061A具有语音识别的功能，在经过语音训练后，单片机可识别用户语音命令，来控制室内家电设备的开启和关闭。

1.2 硬件设计

1.2.1 MC35i与SPCE061A的硬件连接

MC35i的数据接口采用串行异步收发，符合ITU2T RS232接口电路标准，工作在CMOS电平。由于SPCE061A的工作电平为TTL电平，因此MC35i在与SPCE061A连接工作时，就需要一个电平转化芯片MAX232，将COMS电平转换成TTL电平，与单片机连接，实现串口通信。

MAX232有 16个引脚，8 脚（R2IN）、9 脚（R2OUT）、10 脚（T2IN）、7 脚（T2OUT）构成一条数据通道实现 COMS/TTL 电平转换，7脚和8脚分别接 MC35i的RXD0和 TXD0，9脚和10脚分别接SPCE061A的RXD和TXD，实现二者间的串口通信。MC35i的 Pin24－29 分别于 SIM 卡的 8、2、7、3、1 和 4 相连，表示 SIM卡的置入、复位、数据、时钟、电源和接地[4]。MC35i的硬件连接图如图2所示。

图2 MC35i的硬件连接图Fig.2 MC35i hardware connection

1.2.2 SPCE061A与外围电路的连接

SPCE061A最小系统通过外接按键电路，继电器，传感器模组和音频输出电路及扬声器来实现系统功能。主要的硬件连接如下：

1）SPCE061A有7个10位ADC （模拟数字转换器）Line_In输入通道，与IOA口的IOA0～IOA6共享，作为外部模拟电压信号输入通道。IOA0～IOA2口与传感器模组相连，将采集到的模拟信号交由SPCE061A分析和处理；IOA4口与系统的按键电路相连，起到开启监控系统的作用；IOA7口接继电器控制家电设备的开关

2）SPCE061A的A/D转换器有8个通道，其中有1个通道是MIC－IN输入，它专门用于对语音信号进行采样。SPCE061A为音频输出提供DAC1和DAC2两个通道，系统采用DAC1通道，音频信号由SPCE061A的音频DAC1引脚输出送入音频输出电路，经放大，输出语音信号。

2 系统软件设计

2.1 AT指令集

MC35i与单片机之间的通信是由AT指令实现的。在PC机的超级终端上，完成AT指令的编写和调试，实现短信的收发。AT 指令集的命令以“AT”或“at”开头，以回车＜CR＞结束[5]。

短信收发的主要AT指令如下：

2.2 C语言编程

在AT指令编写调试成功后，在凌阳的μ’nSPTM集成开发环境IDE中，用C语言编写主程序，短消息发送和读取函数，温度、红外、燃气测量函数，继电器控制函数，语音播报及识别函数等，实现短信报警和家电控制的功能。采用在线调试工具PROBE完成对SPCE061A的程序烧写[6]。

当用户发送短消息“ON”时，开继电器控制家电设备开启；当用户发送短消息“OFF”时，关继电器控制家电设备关闭。下面是读取短消息内容控制继电器开关的程序：

系统的主程序流程图如图3所示。

2.3 语音功能

利用SPCE061A自识别语音指令的功能，用户可直接给出语音命令控制家中电器设备的开关。提高语音识别的准确性，语音样板的提取非常重要。第一步要建立词库，就是将待识别的命令进行频谱分析，提取特征参数作为识别的标准模式。 第二步进行语音辨别，识别过程首先要滤除输入语音信号的噪音和进行预加重处理，提升高频分量，然后用线性预测系数等方法进行频谱分析，找出语音的特征参数作为未知模式，接着与预先存储的标准模式进行比较，当输入的未知模式与标准模式的特征相一致时，便被机器识别，产生识别结果输出[7]。

语音识别与播放由凌阳提供的库函数实现。语音识别程序包括训练样本和识别两部分，样本训练就是要建立 “词库”，训练过程主要是靠调用库函数 BSR_Train（）来完成，返回值为0时表示训练成功；BSR_InitRecognizer（）函数定义语音来源；在识别过程中，库函数BSR_GetResult（）实现在辨识中获取数据，当返回值大于0表明识别成功，单片机就可根据识别结果进行相应的处理，控制家电设备的开关。调用BSR_StopRecognizer（）停止辨识。

图3 系统的主程序流程图Fig.3 Flow chart of main program

警情的语音播报，采用凌阳的SCAM_S480音频压缩算法压缩声音文件，该压缩存储容量大，音质介于A2000和S240之间，适用于语音播放。将录制好的声音文件存入单片机的FLASH即可，通过调用 SACM_S480_ServiceLoop（）库函数获取语音资料，SACM_S480_Play（）函数开启语音播放、SACM_A2480_Stop（）停止语音的播放、音量大小由函数SACM_S480_Volume（）控制。

3 结束语

基于GPRS技术和SPCE061A的家居监控系统结合了GPRS网络及SPCE061A语音播报和识别的功能，通过手机收发短信、语音提示警情和语音识别3种方式，满足了人们对远程家居安防和家电控制智能化的要求。系统具有通用性能好、控制效果稳定、便于扩展的特点，可以广泛应用于智能楼宇，物联网等新兴领域。

[1]金湘力.浅谈无线通信技术——GPRS技术[J].电力系统通信，2004（8）:1－2.

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[2]李学海.16位语音型单片机SPCE061A实用教程基础篇[M].北京:人民邮电出版社，2007.

[3]吕泉.现代传感器原理及应用[M].北京:清华大学出版社，2006.

[4]黄玉兰，刘静，王洪革，等.基于AT指令集的GPRS智能通信系统[J].吉林大学学报：信息科学版，2009（4）：424-429.

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[5]Kalden R，Meirick I，Meyer M.Wireless internet access based on GPRS[J].IEEE Personal Communication，2000，7（2）:8-18.

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[7]刘么和.基于凌阳SPCE061A语音识别技术[J].湖北工业大学学报，2005，20（6）：28-30，34.

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