智能报警器的设计

2012-05-09滕敏张雷王朝文王新华洪新华

河南科技学院学报(自然科学版) 2012年4期

滕敏,张雷,王朝文,王新华,洪新华

（1.河南司法警官职业学院,河南郑州450011；2.河南广播电视大学,河南郑州450008；3.河南科技学院,河南新乡453003）

20世纪60年代国际学术领域中出现一门独立的学科危机管理,它引入中国的时间不长.党中央、国务院提出了加快突发公共事件应急机制建设的重大课题,党的十六届三中、四中全会明确提出,要建立健全社会预警体系,提高保障公共安全和处置突发事件的能力[1].监狱作为关押、惩罚犯罪分子的特殊场所,其危险性、狂暴性、突发性远远超过社会平均水平.

本文设计的一款智能报警器可以在监狱中得到应用,它能识别警情,并及时将警情通过公共电话交换网传输到固定电话或联网报警中心,以便于监狱干警能及时采取有效措施,使监狱最大程度地减少突发事件带来的人员伤亡和财产损失,促进社会和谐发展.

1 总体设计

当报警器携带者用倾斜式水银开关实现电路的自动接通,然后通过软件完成一定时间（1 min）的延时检测过程,以确定是否误报警动作,若60 s后电路仍然为接通状态,此时电路实现本地报警（蜂鸣器和发光二极管同时工作）以及将语音芯片中预先存储好的报警语音信号通过单片机的控制播放出来,报警器发出语音报警信号使武警和监狱警察听到迅速实施应急处理,同时将报警信息通过无线FM方式发送出去,监狱监控中心配备有无线FM接收器,当收到报警信息时及时前去救援,同时该系统还有手动报警方式,当携带者出现其他意外情况时可利用手动方式报警,而不用故意将报警器倾斜来实现报警的需要.

该智能报警器用于监狱干警值勤人员随身携带,因此要求其体积和重量必须要小,本地报警声音要足够大,同时无线电发射功率要达到一定要求,以覆盖监狱及周围部分地方.

智能倾斜报警器是由单片机及其外围电路、倾斜式水银开关、发光二极管蜂鸣警报电路、语音报警电路及无线电发射及接收电路等部分组成的（见图1）.将倾斜式水银开关作为报警器的传感器件,利用单片机C语言程序来实现60 s的延时检测,报警警示时有声光系统同时工作,并将报警紧急信号经过无线电技术发射出去.持有接收机的监狱网络中心和值班电话在收到报警信号后,就可及时出警.本设计中设定为1 min的延时时间,1 min后才开始报警警示.报警将持续直到有人将开关按下停止报警,系统才停止报警.当发生误报警警示时,还可以人为地进行功能复位,并发出“报警已解除”的语音信号,避免不必要的警务行为.

图1 智能报警器总体设计Fig.1 General design of the intelligent alarm

该系统主要由控制核心（单片机）及其外围电路、倾斜检测开关、本地声光报警电路、语音电路、无线FM发射电路和接收电路等组成.当倾斜检测开关检测到有信号输入后,将该报警信号传输至单片机,单片机根据内部程序设置对各部分实施控制,驱动本地声光报警电路工作,同时驱动语音芯片将事先录好的报警语音通过扬声器播放出来,同时用无线FM方式将报警信息传输至监狱网络中心,当报警器携带者得到援助后,可以人为地进行功能复位,并发出“报警已解除”的语音信号.

2 系统硬件组成

该报警器主要是用单片机来实现延时检测和报警呼救控制的.在硬件电路上主要是用单片机的P1口作为信号的输入和输出口,控制发光二极管、蜂鸣器和语音芯片来实现报警功能.硬件电路包括水银开关、时钟电路、复位电路、发光二极管电路、蜂鸣器驱动电路、语音电路无线调频发射及接收电路几个部分.

2.1 单片机电路设计

为了提高可靠性,降低成本,本设计中核心控制模块采用AT89C51单片机来实现[2].单片机算术运算功能强,软件编程灵活,可用软件较简单地实现各种算法和逻辑控制,并且由于其成本低、体积小和功耗低等优点,使其在各个领域应用广泛,因此非常适合利用单片机作为控制器.其片内集成了4 KB的Flash,无需外接存储器,使用方便,易于编程,且功能强大.

2.2 报警系统原理

原理图见图2,用普通开关S3来代替了水银开关,用于检测该报警器是否倾斜.在正常状态下,单片及的P1.0口和P1.1口输出高电平,此时发光管两端没有电压不亮,电子开关Q1处于断开状态使蜂鸣器不工作,P1.3口控制语音芯片的边沿出发控制端,P1.2口外接手动报警开关,当报警器携带者出现其他意外情况可用此开关直接进行报警,而不用故意将报警器放倒后实现报警.P1.4口外接水银倾斜开关,系统软件处于工作状态时随时检测该脚的状态,正常情况下该脚为低电平状态,当水银开关倾斜时自动接通,将该脚接至高电平,系统检测到此信号后开始延时,一分钟之后重新检测,如果该脚依然维持为高电平,则首先在P1.0脚和P1.1脚输出低电平,驱动本地报警电路（发光二极管和蜂鸣器电路）发出报警,同时在P0.0口输出低电平将发射电路的电源接通使报警信息通过无线调频方式传输出去,同时在P1.2口输出下降沿控制信号来出发语音芯片ISD1420进入工作状态.

图2 智能报警器原理Fig.2 Principle ofintelligent alarm

为实现节电的要求,将无线电发射电路的电源用电子开关来控制,无报警信号时无线电发射电路不工作,出现意外情况时电路自动将电源接通,实现报警,这样做不仅节省了电源,同时还避免了接收端的噪音.

2.3 语音电路

根据需要,语音电路使用的是ISD1420[3],其录放时间为20 s,主要用来实现分段放音的功能.将语音分成两段,第一段为“呼叫报警”的解除呼救警报音,起始地址设为00000000,共占用12 s的放音时间；第二段为“报警已解除”的报警呼救音,起始地址设为01100000,共占用8 s的放音时间.本设计对语音信号的音质要求并不高,所以语音数据事先由模拟方式录入.放音时,使用单片机循环控制播放第一段报警音,直到有人按下停止报警的按键.为了保证信息的准确性,第二段解除紧急警报的语音由携带者通过按键来自行控制,增强了系统的可靠性.

在设计好的报警系统中并不用语音芯片的录音功能,实现电路体积和重量的进一步缩小.在本设计中,ISD1420不使用录音功能,录音控制脚REC上拉至高电平,放音采用边沿触发放音控制,低电平放音控制引脚PLAYL上拉至高电平,下降沿放音控制引脚PLAYL受触发器控制,循环放音由触发器输出的下降沿来控制,而触发器的状态受单片机P1.2和P1.3控制.放音地址则由开关S决定.开关置为低电平时为“呼叫报警”地址；开关置为高电平时为“报警已解除”地址.

2.4 无线电发射和接收部分

当报警器动作报警后,除了本地声光报警（发光二极管与蜂鸣器同时工作）外,还采取了无线电FM报警.这是因为该报警器要随身携带,当干警在监狱值勤时,如果发生突发事件,除了在监狱中的监区有声光报警以外,还需要通过一定的技术手段将报警信息传送到监狱其他值班人员、武警战士或者监狱网络指挥中心迅速实施出警.

无线传输的方式目前主要有基于现有的电话网络或者GSM网络和通过FM调频方式等,考虑到本设计主要是用于经常走动且活动地方不一的监狱干警随身携带的,所以现有的固定电话网络在监狱中并不适合设计的要求,而基于GSM网络的无线传输方式价格昂贵且技术复杂,因此在本设计中采用FM调频的方式实现无线传输,这种方式的优点是电路简单且经济实用,缺点是传输距离受到一定限制,但本设计作为监狱中监区的报警器,监狱干警在本监区附近活动,因此无线FM方式的传输距离能够满足本设计的要求.

设计中采用集成频率调制芯片MC2833是Motorola公司生产[4],MC2833是单片集成FM低功率发射器电路,适用于无绳电话和其它调频通信设备.其作用就是将微弱的有用信号进行线性放大,并滤除不需要的噪声和干扰信号,经天线将信号发射出去.

接收部分的功能就是从天线接收的调频波中检出原调制信号,要完成这个任务,一般要分两部进行,第一步先将等幅的调频波改变成振幅随频率变化的调幅波,使其幅度变化的规律和频率变化的规律相同,也就是和调制信号的变化规律相同,第二部再用振幅检波器出去载波,最后得到音频信号并通过扬声器播放出来.

无线电接收部分采用Motorola公司用MOSAIC工艺技术专门为无线窄频带接收机设计的单片FM接收芯片MC3363,它是一个由RF放大器到声音前置放大器输出的完整的FM窄带接收机,低电压双变换设计产生了用于窄带音频和数据链路的低功耗、高灵敏度和好的图像载波抑制功能等特点.

3 报警系统软件

在正常情况下（水银开关处于断开状态）,单片机输入口P1.4处于低电平状态,此时报警电路不工作,单片机P1.2和P1.3口输出为低电平高电平,P1.0口和P1.1口输出高电平使本地声光报警电路不工作.当倾斜开关接通使P1.4口为高电平时,软件开始1 min的延时,延时结束后重新判断P1.4口的状态,若变为低电平则重新开始检测,若依然为高电平则开始报警,首先使P1.0口和P1.1口输出为低电平控制本地报警电路的工作,再使P1.2口输出下降沿驱动语音芯片开始工作.P1.3口的手动报警开关闭合后,电路直接进行本地声光报警和无线电报警,流程见图3.

软件采用单片机的汇编语言来实现,首先定义了一个10 s的延时子程序,通过6次循环调用来实现1 min的延时.主要通过判断控制水银开关口线的状态来决定是否延时或报警,若有报警信号输入则由单片机产生1 min的延时,若在1 min之后仍有报警信号则输出一系列控制信号来实现本地和无线FM报警.同时为了实现节电要求,在该设计中无线FM发射电路的电源也是由单片机来控制的.（程序略）