基于GSM 网络的电梯五方通话技术研究*

2013-12-22李文峰李志华

电子器件 2013年1期

李文峰，李志华，韩非

(1.西安科技大学通信与信息工程学院，西安710054;2.西安终南信息技术有限公司，西安710054)

现阶段房地产快速发展，电梯是一般楼盘不可缺少的工具，使用频率越来越高，电梯安全也越来越受到重视。电梯关人现象屡见不鲜，而电梯关人后由于缺乏相应的救援常识而导致事故的情况也随处可见。由于人员被关电梯，调查中发现近72%的人在被关电梯后手足无措，强行扒门，手敲连带脚踹，留下了很大的隐患。众所周知，在电梯里如果遇到停电或其它突发事件，人最先想到的是要通过报警逃离密封的空间，此时与外界的联系过程中，电梯五方通话装置就显得尤为重要。电梯五方通话定义为通过电梯轿厢电话分机、机房电话分机、轿顶电话分机、底坑电话分机、值班室电话，实现轿内人员、轿顶人员、底坑人员、电梯机房人员与监控室的值班人员保持语音联系。

有效的五方通话装置不仅有助于缓解被困者的焦急情绪，而且对于救援的施展非常关键。但大多数电梯没有五方通话装置，或者是只是有线通信的方式，而且电梯值班室不一定全天24 h 有人值班。所以若五方通话未设置或无效，在某些情况特别是楼层比较高救援不利的情况下，救援可能会由于沟通不畅而出现意外事故。基于此，我们设计了基于GSM 网络的电梯五方通话装置。该装置突破了电梯发生事故时乘坐者对外进行无线紧急呼叫的“最后一公里”技术“瓶颈”，为乘坐者、物业方、维保公司、政府监管部门之间提供及时、可靠、稳定、方便、经济的通讯保障。

1 系统总体设计

1.1 系统描述

系统主要是由无线主机和各个分机连接而成的通话网络，其组成框图1 所示。

图1 电梯五方通话系统组网图

在整个系统中主机是我们的主要设计部分，各个分机都是现在市场上现有的产品，不需要我们额外设计，只要主机预留相应的连接接口即可。主机整体设计的结构原理框图如图2 所示。

图2 主机硬件设计结构框图

整个主机主要由信号检测与控制单元、语音电路单元、无线通信电路单元、开关电源电路单元、线性电源单元组成。主机的工作主要是靠微型单片机STC11F05E、GSM 模块(SIM900A)来完成的。当信号检测与控制单元检测到急救信号后，单片机发送AT 指令开始激活GSM 通信模块，同时接通继电器，使得语音通路得以建立。当通信连接建立后，双方可以进行全双工通信;音频的输入和输出分别由运放LM358 和功放TDA2003 两个管子来实现的。

当轿厢分机按下呼救按钮后，急救信号就会通过有线的方式传到无线通信主机里面;无线通信主机检测到急救的信号后，开始激活无线通信单元，进行电话拨号(电话拨号都是拨打系统设置好电话号码，并且拨打号码的顺序也是系统设置好的，按优先级的高低开始进行循环拨打号码)，在拨打号码的同时还可以发送出呼救短信给相关部门。当电话接通后，双方就可以开始通话了。

1.2 系统硬件设计

1.2.1 开关电源电路单元

系统的电源部分采用开关电源电路，在开关电源电路中，由于晶体管在激励信号的激励下，交替地工作在导通—截止和截止—导通的开关状态，转换速度很快，频率高，所以功耗小，效率高。在这里，我们用的是UC3843 这个电流模式控制的芯片构成隔离型BUCK DC－DC 电路。电路中采用一个高频开关变压器从而实现了输入与输出的电气隔离。利用这个电路可以将12 V 的直流电源转换成无线通信GSM 模块(SIM900A)所需要的4.2 V 的直流电源。在电路中通过电流取样电阻，形成电流反馈;DC－DC 控制芯片(UC3843)输出开关信号，用来控制功率MOSFET的导通与截止。这里的功率MOSFET 选用的是IRF3205，当它导通时，输入电压加在变压器上，高频变压器将电能转换成磁能储存在电感中，负载仅有输出滤波电容提供电能;当MOSFET 关断，变压器释放能量传第给负载。采用PWM 控制的DC－DC 电路可以简化电路并使电源高效率，更理想的传递能量。

1.2.2 信号检测与控制单元

在整个单元里面，微型单片机STC11F05E 是我们的核心部分，该芯片具有体积小、成本低、集成度高等优势。在我们的这个单元电路中还预留了单片机的程序烧写接口，所以非常方便我们进行程序的烧写和后续的升级。当轿厢中人员按下呼救按钮时，保护电路中的三极管MMBT2907L 开始导通，使得三极管B772 变得截止，VIN1 的电平由12 V 变成5 V，从而使得变压器两端产生压差，这样的话就可以改变三极管MMBT4401 的导通状态，从而改变输出电平;单片机就可以检测到I/O 口电平信号的变化，然后做出控制判断，并且通过另一个I/O 口发送电平信号来激活GSM 通信模块SIM900A，控制其进行拨号和通信。同时，单片机通过给下图中的P1.3 口一个高电平信号，使得三极管得以导通，继电器就可以改变状态，最后接通语音通路。为了确保通信的有效性，我们在设计时要求呼叫按钮按住的时间必须满足设定的时间(一般根据人体反应设为大于20 ms，小于5 000 ms)才能进行有效呼叫。在整个单元里面，微型单片机STC11F05E 是我们的核心部分，该芯片具有体积小、成本低、集成度高等优势。在我们的这个单元电路中还预留了单片机的程序烧写接口，所以非常方便我们进行程序的烧写和后续的升级。当轿厢中人员按下呼救按钮时，保护电路中的三极管MMBT2907L 开始导通，使得三极管B772 变得截止，VIN1 的电平由12 V 变成5 V，从而使得变压器两端产生压差，这样的话就可以改变三极管MMBT4401 的导通状态，从而改变输出电平;单片机就可以检测到I/O 口电平信号的变化，然后做出控制判断，并且通过另一个I/O 口发送电平信号来激活GSM 通信模块SIM900A，控制其进行拨号和通信。同时，单片机通过给下图中的P1.3 口一个高电平信号，使得三极管得以导通，继电器就可以改变状态，最后接通语音通路。为了确保通信的有效性，我们在设计时要求呼叫按钮按住的时间必须满足设定的时间(一般根据人体反应设为大于20 ms，小于5 000 ms)才能进行有效呼叫。

1.2.3 无线通信电路单元

我们采用的GSM 通信模块是SIM900A，该模块带有屏蔽罩，而且集成度非常高、体积也很小。无线主机上电后，SIM900A 就会从SIM 卡中读取信息并进行注册，我们都可以从状态指示灯中看到SIM 卡是否注册成功。单片机通过给P1.6 口一个高电平信号，使得MMBT4401 三极管得以导通，这样就降低了SIM900A 中PWRKEY 的电平，从而激活SIM900A 模块。由于SIM900A 的RXD和TXD 口的电平都被限制为3.3 V，而单片机的I/O 口电平是5 V，所以在二者进行通信时还必须进行电平的转换，我们采用的是三极管MMBT4401来实现此技术，大大的节省了设计的成本。模块正常工作后就开始按照系统设计好的电话号码进行循环有序的拨号，当一个电话在一定的时间内无人接听时，系统会自动跳到下一个电话号码进行拨号，直到有人接到电话为止，这样就增加了通信的可靠性。

1.2.4 线性电源单元

线性电源单元是一个非常简单的电源电压转换电路，它主要是实现12 V 到5 V 的电压转换，用来给单片机STC11F05E 来供电的。该单元电路的核心器件是一个三端稳压管L7805，当12 V 电压输入时，经过电源滤波和二极管1N4004 输入到L7805中;输出端经过一系列的滤波电容就得到了纯净的DC5V 电压了。线性电源技术很成熟，制作成本较低，可以达到很高的稳定度，纹波也很小，不到1%。

1.2.5 语音电路单元

无线通信单元中音频信号，它的输入和输出分别通过LM358 和TDA2003 两款芯片来进行处理。语音电路单元中涉及到了声音的放大、消除噪声、消除侧音等技术。TDA2003 这种功放在多媒体中可以说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%。从SIM900A 中管脚GSM_SP+输出的音频信号经过TDA2003 进行功率放大，再从放大管子中的4 号管脚输出，通过一些电阻和电容，搭建信号的反馈和滤波电路，使得输出声音更加清晰，音质也特别好。LM358 内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。从轿厢中的MIC 输入音频信号，经过LM358 的放大，再通过变压器进行阻抗匹配，从而得到纯净的声音信号，最后输入到无线通信单元电路中。