远程家庭安全系统的研究

魏庆涛

（大连科技学院 辽宁 大连 116052）

“家”是人的感情之所在，是国家的细胞，而家庭是家的物质存在方式，自古以来家庭安全就是人们一直关心的问题。古之人勤于外，门以拒贼，火水之患穷于计。随着科技的进步，入室盗窃的技术也在不断的升级和进步，仅靠门锁已经挡不住犯罪分子的入侵；而人民生活水平和生活质量的日益提高，家庭中的内部设施不断完善，涉及到火、电的越来越多，也越来越复杂，同时发生危险的几率也在不断提高。远程家庭安全系统就是能够实现当主人不在家时，对非法闯入和意外事件进行及时远程报警和保护救助的功能的设施。运用嵌入式技术手段可实现信息的采集和救助，电话信息的技术发展为远程报警提供了技术保障，于是将嵌入式技术和电话信息技术进行综合运用即可实现家庭安全系统的功能。

1 总体结构

嵌入式技术是目前控制系统比较流行的一种技术实现手段，而单片机应用控制系统就是一种嵌入式系统。单片机又称单片微型计算机，是一种微型处理器，由于其体积小、价格低廉、集成度高等特点被广泛应用于工业控制、数据采集检测、电器控制等领域。

设计采用STC12C5612AD单片机[1]为控制核心，利用传感器模块对突发事件等信息进行采集，通过语音芯片进行报警以及控制电路进行保护救助。

系统框图如图1所示，当信号采集模块采集到的数据是需要报警或保护救助的信息时，处理模块采取相应的救助措施，模拟摘挂机电路将电话摘机，同时由语音模块发送预先存储好的3个电话号码之一的DTMF信号，呼叫被叫电话，电话信号识别模块对电话线上的信号进行识别，若是忙音或者响铃10次之后无人接听则挂机，呼叫另一个号码，若接通则语音芯片发出相应语音信息通知客户发生事件的情况。

图1 系统框图Fig.1 System block diagram

2 硬件电路设计

系统核心采用的STC12C5612AD单片机与传统的51单片机相比具有强加密性、超强抗干扰能力、超低功耗、高速等特点，且内部集成MAX810专用复位电路及高速8路10位AD转换器，可直接替换ATMEL，PHILIPS，Win bond的单片机产品[1]。

2.1 数据采集模块

在家庭安全系统中，需要对火灾、水灾、非法入侵等意外事故进行判断，而数据采集模块主要完成的就是对这些信息的采集工作。

当火灾发生时会在空气中产生大量的烟雾颗粒，烟雾传感器[2]采用外部带红外光室的光电烟雾探测芯片A5303，与常用的烟雾传感器MQ系列相比其具有不需要AD转换芯片、无须预加热，且工作温度范围宽等特点；与光电烟雾探测芯片BL59系列相比其采用低电流的BICOMS电路、功耗低、工作温度范围宽等特点。

图2 信息采集模块Fig.2 Information collection module

A5303接口电路如图2中的①部分，当无火灾时，SOUT2～SOUT0输出“000”逻辑电平，当意外火灾发生时，火灾产生的烟雾颗粒达到一定浓度会使红外光室的红外接收管接收不到红外发射管的射线，这样在SOUT2～SOUT0输出“001”逻辑电平，这样通过判断P2.2～P2.0引脚上的状态来判断是否有火灾发生 （火灾发生还需温度判断，采用数字温度传感器DS18B20，由于DS18B20应用较普遍故这里不做阐述）。

非法入侵通常通过破坏门窗等手段进入室内，现代科学技术的发展使得犯罪分子即便不通过破坏门窗亦可进入室内，这使得即便是门窗如何加固改装都有可能抵挡不住犯罪分子。设计改变了传统的红外对管防入侵技术[3]，通过感应人体会向外辐射红外线的特点，利用热释电[4]人体感应模块来判断当主人离家后是否有人为活动在室内进行。

人体感应电路如图2中的②部分，PIR模块采用HP-708-2C模块，是以热释电传感器为感应元件，该模块与同类型模块相比具有功耗低，工作温度范围宽（可达到-20～70℃），感应角度大（可达140°）优点。无人在室内走动时OUT引脚上会输出高电平，而当有人进入室内活动时，OUT引脚上会输出低电平。

2.2 模拟摘挂机模块

当数据采集模块采集到意外事件信息时，首先要求电话进入摘机状态，并拨出被叫电话号码，若对方电话忙音则需进行挂摘机操作，进入下一个电话的呼叫。而电话的摘挂机动作是依靠模拟摘挂机模块来实现的。判断用户话机的摘挂机状态，是电话局的程控交换机对电话线回路上的直流环路上电流的大小判断来实现的，当用户挂机时，直流回路电流为0 mA，如果电话线回路的电流突然变大，且程控交换机检测到直流回路电流变大时就认为电话已经摘机。根据此原理，设计模拟摘挂机电路如图3所示。

图3 模拟摘挂机电路Fig.3 Simulation hook circuit

当采集的数据是意外事件信息时，通过单片机的P2.4引脚控制三极管导通，引起继电器常开触点闭合，使得模拟摘挂机电路工作，这样会在电话线直流回路上电流变大，产生30 mA左右的电流，完成摘机操作；而当需要挂机时，通过单片机的P2.4引脚控制得三极管截止，继电器常开触点打开，完成挂机。

2.3 拨号及语音模块

传统的拨号系统都是采用DTMF编码芯片进行电话拨号，而由于语音芯片的发展，使得语音芯片可产生双音多频的语音信号，这样就既可以利用语音芯片产生的DTMF信号直接对外拨号，又可以利用语音芯片来产生报警的声音提示，从而节省了硬件成本和单片机的I/O端口。设计采用WT588D[5]语音芯片的WTW16引脚封装模式，该芯片与ISD系列语音芯片[6]相比具有13Bit的 DAC音频输出，可内置或外挂2M～32M的SPI-FLASH存储器[5]，使得 WT588D语音芯片能完全胜任双音频信号及语音信号的输出工作，内置DSP高速音频处理器，这是其他的语音芯片所不具备特点。WT588D的I/O口P01被定义为DATA数据输入口，P02为CS片选口，P03为CLK时钟口，电路如图4所示。

图4 拨号及语音电路Fig.4 Dialing and voice circuit

当需语音芯片发送语音数据时，P1.2引脚输出周期为300 μs的CLK信号，通过P1.3引脚控制RESET引脚先持续5 ms的低电平，然后再拉高；P1.1在RESET被拉高20 ms左右，控制CS持续5～10 ms的低电平用来唤醒WT588D，此后由P1.0引脚输出数据，DATA端口根据此数据来播放预先存储在SPI-FLASH内的双音多频信号数据和普通语音。

2.4 电话信号识别模块

当语音芯片呼叫被叫号码时，需对电话线上的回铃音、忙音等状态进行检测，以便进行后续的控制操作。目前对电话线上的信号的检测有3种途径：专用电话信号识别芯片、DTMF信号处理芯片、处理器软件编程识别。专用芯片相对其它两种方法其内部含滤波器提高了信号的识别率，增加系统的稳定性。设计采用的是电话信号识别芯片PHT02，相比HA16830、CR6262、GSM 模块[7]其外围电路少、结构简单、便于应用，接口电路如图5所示。

图5 电话信号识别电路Fig.5 Phone-signal recognition circuit

在电话模拟摘机前，先将P1.7置低电平持续3 μs，使得RESET有效后，P1.4～P1.6都置低电平，PHT02即可检测电话线上的信号，若在P1.4引脚上检测到高电平说明WT588D输出的拨号音正确；若P1.5引脚上检测到高电平说明电话接通有回铃音，当检测到回铃音30 s后仍然响铃则需挂断电话重新拨叫另一号码，当P1.5引脚中途检测到低电平则说明对方电话接通；若P1.6引脚上检测到高电平说明电话为接通对方忙音，此时需挂断电话重新拨叫另一号码。

2.5 处理模块

对于意外事故的发生需要系统不止远程报警而且要进行自救处理，若是非法入室事件则由WT588D输出预先存储的声音用来惊退入室者；若是意外火灾发生则打开电磁阀进行灭火操作。

3 软件设计

软件设计流程如图6所示，系统判断是否有突发事件发生，若发生为何种突发事件，根据不同的突发事件采取不同的救助措施；同时，电话进行模拟摘机，由语音芯片经过电话线呼叫存储的3个电话号码之一，并且由电话信号识别芯片判断电话线上的信号，若呼叫后用户接听电话则通知用户室内发生的事件情况，若30 s响铃后仍无人接听或忙音情况则挂断电话，继续拨打下1个电话号码，直到3个号码当中有1个接通为止。

图6 程序流程图Fig.6 Program flow chart

4 结束语

此应用研究设计以STC单片机为核心处理器芯片，利用电话及语音芯片进行远程呼叫报警，应用电磁阀等电气开关装置实现现场及时救助。其不仅可应用于家庭，经改装后亦可应用于商场、银行等场所实现远程的监控报警处理等，具有较高的实用价值。

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