基于以太网的文字声光警示系统设计

2014-01-10陈博敏卫建华

西安工程大学学报 2014年5期

陈博敏，卫建华，王锦

（西安工程大学电子信息学院，陕西西安710048）

0 引言

在安防、交通、建设等现场经常需要进行语音或文字信息的警示，比如安防禁区、道路交通路口或施工现场，可通过语音播报、文字显示或警示灯等方式进行预警信息提示，以避免事故发生［1－2］.

现有的警示系统较多采用PSTN电话网络［3］或RS-485总线［4］进行组网，这些组网方式与以太网［5－6］系统相比，以太网系统有明显的优势.其次大多数警示系统的警示语音存储采用ISD4003等专用语音芯片［7］，需要显示的文字信息通常存储在专用存储器中［8］，修改语音及文字信息需要专业人员通过专业设备进行操作，导致这种系统易用性及适应性不高.

本文针对以上系统的缺点，设计了一种基于以太网的语音文字警示系统，采用UDP协议进行数据传输，充分发挥以太网通信系统的优势，将警示文字及语音分别采用TXT文件及MP3文件格式存储在SD卡中，不同的应用场所只需要简单地修改SD卡中的相应文件即可，操作简单方便，存储数据量大，可适用于不同的应用场合.

1 警示系统组成

警示系统由PC机、中心主机、以太网交换机及分机组成，以太网警示系统组成如图1所示.其中主机、PC机及交换机安装在中心值班室，各分机安装在警示目标位置.各设备之间采用网线连接，若距离较远，可采用光纤传输.PC机上安装相应的监控软件，配合数据库系统可记录系统数据，方便查询管理.由于该警示系统对实时性要求比较高，因此采用UDP协议进行系统数据传输.中心主机、PC机及分机的IP设置时按照C类网进行设计，最多可支持252台分机.

1.1 警示分机

警示分机安装于需要警示的目标单位，其组成图如图2所示.警示分机由主控单元、以太网控制器、以太网接口、SD卡单元、按键输入单元、语音解码单元、功放、MIC、串行接口单元、闪烁警示灯、LED显示屏及不同类型的探测器等部分组成.系统中所需要的语音及文字警示信息预先存储在SD卡中，语音信息以MP3格式存储，文字信息以TXT格式存储，语音解码芯片负责对CPU读取到的语音文件进行解码输出，随后通过功放后进行语音播报；串行接口负责LED显示屏与CPU之间的串行信号电平转换，最终可在LED显示屏上显示预先存储在SD卡中的文字信息；以太网控制器配合以太网接口可以完成中心主机到以太网的连接；探测器可选多种类型，如主动红外入侵探测器、热释电红外线传感器等［9］，主要负责人员、车辆等入侵行为的检测.

图1 以太网警示系统组成

图2 警示分机组成

警示分机的触发分为两种形式，一种是探测器自动触发，另外一种是人工按键触发.当探测器检测到有非法入侵时，探测器会向CPU送入报警信号，警示分机随之会分三个步骤依次做出响应，第一步是将报警数据打包后通过以太网向系统传输，第二步是通过串口将SD卡中预置的文字信息在LED显示屏上显示，第三步是将SD卡中预置的语音文件通过语音解码芯片解码后送入功放进行播报.假设探测器1位于1号警戒区域，当有人非法入侵该区域时，探测器1及时检测到该次入侵，警示分机将首先通过以太网向中心主机及其他分机传输报警数据，其次启动闪烁警示灯闪烁，同时通过语音播报及文字显示设备做出响应，LED显示屏将显示“警戒区域，立即退回”，随后语音播报“你已进入警戒区域，且勿前行，立即退回”.人工按键触发警示可在三种情况下使用，一是值班人员发现有异常情况需要警示时，按下相应按键，此时语音及文字警示按照预先定义的内容进行播报显示，比如值班人员发现有接近警戒区域但尚未触发到探测器时，人工触发按键后分机系统调用SD卡中预先存储的文字及语音信息，LED显示“警戒区域，请勿进入”，语音播报“这里是警戒区域，请保持距离”；二是若入侵者触发自动警示后并没有退出警戒区，此时值班人员可人工按键触发，LED屏显示文字“再次警告，立即退回”，语音播报“这里是警戒区域，立即退回，否则后果自负”；三是值班人员发现异常情况后向系统上报报警信息，但语音及文字均不做出响应.分机中的MIC可作为备用措施，当值班人员需要进行某种提示但SD卡库中并未预置该语音数据时使用.

1.2值班中心

人员进行处理，值班人员可通过按键操作发出相应指令，如系统复位等指令.若值班中心由于条件限制无法安装PC机，则可参考警示分机的组成对中心主机进行配置，将图2中的探测器及MIC省去，并将功放换为有源音箱即可作为中心主机使用.

由于本系统采用以太网传输，因此也可安装视频监控系统，可实时对目标区域进行视频监视，也可共用传感器实现视频联动.

图3 中心主机组成

2 警示系统芯片选型及电路实现

为了提高本系统的易用性，中心主机及警示分机均采用模块化设计，以CPU主控单元、以太网单元为核心，根据不同的需求添加SD卡、LED显示、语音解码输出等模块单元，中心主机与警示分机采用相同的程序代码，为使用者带来很大的便利性.

2.1 硬件电路设计

2.1.1 以太网控制器及接口电路选型本系统采用以太网进行数据传输，因此以太网接口电路的设计至关重要，考虑到系统的可靠性、低功耗等需求，因此选用Silicon Laboratories的CP2200作为以太网控制芯片［7］.CP2200是一款针对工业控制领域的以太网控制器，集成了IEEE 802.3以太网媒体访问控制器（MAC）、10Base-T物理层（PHY）和8kB非易失性FLASH存储器的单芯片以太网控制器，其8位并行总线接口支持Intel和Motorola总线方式，可以使用复用或非复用方式寻址.CP2200的8kB片内FLASH存储器，可用于存储用户数据、Web服务器内容或作为通用非易失性存储器.FLASH存储器的最后6个存储单元是工厂预编程的唯一的48位MAC地址，这样可以从大多数嵌入式系统的生产过程中消除必不可少的序列化步骤.CP2200完全兼容100／1 000BASE-T网络，可以工作在全双工或半双工模式，具备自适应功能，能进行自动极性检测和纠正，具有碰撞自动重发功能，能自动填充和生成CRC，支持广播和多播MAC寻址，且工作温度范围为－40～＋85℃，完全符合系统要求.

在以太网接口电路选择方面，经查CP2200应用手册，其推荐的以太网变压器的比为1CT∶2.5，因此采用中山HanRun的HR911175A作为以太网接口.HR911175A是内部集成了以太网隔离变压器并外置指示灯和RJ45插座的以太网接口，可有效减小电路板的大小.

2.1.2 主控芯片、语言解码芯片选型（1）主控芯片.主控芯片选用Silicon Labs的C8051F040单片机，该单片机是高度集成的混合信号SoC级微控制器芯片，具有与8051单片机兼容的高速CIP-51微控制器内核，峰值速度可达25MIPS；除了标准8051的数字外设部件外，片内还集成了数据采集与控制系统中常用的模拟部件及其他一些数字外设部件及1个64kB的FLASH存储器，并且还有硬件实现的UART串行接口和完全支持CAN2.0A和CAN2.0B的CAN控制器，具备64个数字I／O端口，可硬件实现SPI和I2C总线及UART串行接口，满足系统对控制端口的需求［8］.同时片内调试电路提供全速、非侵入式的在线系统调试（不需仿真器），使得调试更加方便，与使用仿真芯片、目标仿真头和仿真插座的仿真系统相比具有更优越的性能，工作温度范围在－40～＋85℃之间，与CP2200有很好的兼容性.（2）语音解码芯片.语音解码芯片选用芬兰VLSI的单芯片MP3／WMA／MIDI音频解码器和ADPCM编码器VS1003B，其内部集成了一个高性能、低功耗的DSP处理器核VS-DSP，可为使用者提供工作数据存储器；片上集成5kB的指令RAM和0.5kB的数据RAM及串行的控制和数据输入接口；拥有1个高品质可变采样率的ADC、1个立体声DAC，以及1个耳机放大器，可通过SPI总线单片机进行通信［9］.

2.1.3 LED显示屏选择本系统选用带有串行通信接口的双色LED显示屏，根据显示内容的不同可分别采用红色、黄色及绿色显示文字，以达到更好的警示作用.如果将LED显示屏升级为串口＋以太网双接口，可为LED显示屏分配一个IP地址后也接入警示系统，则可通过值班室的PC机对LED显示屏进行远程控制，实现远程文字显示控制.

2.1.4 警示系统硬件电路这里以警示分机的硬件电路为例来说明电路组成，如图4所示.主处理器通过并行总线与CP2200相连，随后经过HR911175A接入以太网；SD卡用来存储系统需要的MP3及TXT文件，VS1003B通过SPI总线的3条数据线和4条控制线实现与C8051F040单片机的通信，解码后的语音信号通过LM1875放大后送入定向性能较好的号角喇叭进行语音播放；LED显示屏用来显示警示文字信息，与主处理器采用串行通信，串行通信速率选择9 600bit／s；8位拨码开关用来设置系统IP地址的最后一位，方便IP地址的改变.

图4 警示分机硬件电路组成

3 系统设备相关参数设定

3.1 IP地址设置

由于本系统通常采用C类网进行设计，IP地址默认设置为192.168.1.XXX，在单片机程序中预先设定系统的网关、子网掩码和IP地址初始值，通过硬件电路中的8位拨码开关来设定IP地址的最后一位，需要改变IP地址是只需对8位拨码开关进行操作即可.

3.2 SD卡中语音及文本文件命名

SD卡中写入了MP3格式的音频和TXT格式的文件两种格式的文件，为了便于单片机调用语音及文本文件其文件命名需要遵守相同的命名规则.语音文件的内容可根据具体应用场合来录制，这里要注意的是该语音文件的采样率最好不超过128kbit／s.文本文件中写入了报警文字信息的GB2312代码，用于在文字显示设备上显示警示信息的具体内容.为了便于文件管理，将MP3文件的第一位确定为A，TXT文件的第一位确定为C，两种文件名称的其他位对应同一种警示事件时可采用相同的命名规则.

3.2.1 MP3文件命名当有事件发生时，播放器就会播放警示语音，但是不同的事件播放的内容不相同，各个音频文件的命名也不相同.在对音频文件命名时，采用5位编码方式，文件名第一位为A，代表Audio音频文件，其余的4位数字采用16进制表示，每一位代表不同的含义.第2，3位组合后设定为与触发设备的IP地址最后1位相同，代表触发设备的源地址，第4位表示触发事件的信息，共有16种状态，第5位表示命令信息，表示系统的处置命令，如系统复位等，这里需要注意的是存储在值班中心和存储在警示分机中相同文件名下的语音文件的内容可以不同.例如A0510.MP3表示IP地址为192.168.1.5的终端设备产生的第1种报警信息，此时警示分机中存储的该文件名下的语音内容为“你已经进入警戒区域，请立即退回”，而值班中心存储的该文件名下的语音内容为“有人进入警戒区域，请立即处置”，分别用以对入侵者进行警示和对值班人员进行提醒.

3.2.2 文本文件名命名当有事件发生时，文字显示设备上采用文字显示具体的警示内容，不同的事件显示的警示信息可不相同，各个文本文件的编码也不相同，每个文本文件中写入了文字显示设备需要显示文字的16进制代码，比如需要显示“警戒区域，立即退回”，其代码为“BEAF BDE4C7F8D3F2A1A1 C1A2BCB4CDCB BBD8”.在对文本文件命名时，同样也采用5位编码格式，文件名第一位为C，其余各位命名与语音文件命名方式相同.