电话网络的智能家居远程报警系统的设计.docx
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电话网络的智能家居远程报警系统的设计.docx
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电话网络的智能家居远程报警系统的设计
河南科技学院
2009届本科毕业论文(设计)
论文题目:
基于电话网络的智能家居
远程报警系统的设计
学生姓名:
弋福气
所在院系:
机电学院
所学专业:
应用电子技术教育
导师姓名:
洪新华邵锋
完成时间:
2009年5月20日
摘要
本文介绍了基于电话网络的家居智能监控系统的软、硬件设计方法。
该系统可实现家居的火灾报警、非法入侵检测和报警等,还预留了其他报警接口。
报警信号通过有线网络到小区监控中心,并通过电话网络向主人报警,也预留110报警功能。
该系统用单片机作为主控制器,给出系统的基本原理、组成框图和软件流程,并详细描述了电话网络的接入方法和语音功能的实现。
该系统实用、功能灵活多样,可以对被遥控对象的状态进行查询以及控制,可以广泛的应用于家用电器或者其它场所的各种控制设备,具有可靠性高、设计新颖、功能齐全、操作简单方便等优点。
关键词:
电话网络,报警系统,双音多频
Anintelligenthouseholdalarmsystembasedon
Telephonenetwork
Abstract
Thedesignofsofewareandhardwareofanintelligenthouseholdguardandalarmbasedontelephonenetworkisintroduced.Thesystemimplementshouseholdfirealarm,illegalintrusiondetectionandalarm.Thesystemispreparedforotheralarminterfaces.Alarminformationissenttocommunitysurveillancecenterandtheownersimultaneitybytelephonenetwork.Thesystemispreparedfor110alarmfunction.ThesystemusesMCUasmaincontroller.Theprinciple,constructblock,andflowchartofthesystemdesignaregiven.Theconnectingtelephonenetworkwayandvoicefunctionaredescribedindetail.Thissystemispractical,thefunctionofflexible,cancontrolthestateofanobjectandcontrolforinquires,itcanbewidelyappliedinhouseholdappliancesorotherplacesofvariouscontrolequipment,withhighreliability,noveldesign,completefunctions,simpleoperatiom,etc.
Keywords:
TelephoneNetwork,AlarmSystem,DTMF
1绪论
远程报警技术是通过一定的手段对被控物体实施一定距离的控制,常用的方式有无线电遥控、有线遥控、红外线和超声波遥控等。
无线电遥控既是利用无线电信号对被控物体实施远距离控制。
无线电遥控不可避免的须占用一定的无线电频率资源,造成电磁污染;常规的有线遥控需进行专门的布线,增加了投入;而红外线、超声波遥控则受距离所限。
现有的遥控方式中,还有载波通信控制手段和基于无线寻呼的遥控方式。
载波方式即通过电力线传递信息,该方式只能局限于同一变电所、同一变压器所辖范围内。
因此也存在距离问题,应用范围有限。
基于无线寻呼的遥控方式利用了现有的寻呼频率资源,不需占用额外的频谱。
而且,随着寻呼网的全国联网,其遥控的距离基本不受限制。
但该方式的受控方动作滞后于控制方的操作,不具备实时性,而且不具备很高的可靠性。
电话遥控作为一较新的课题与常规的遥控方式相比,显示出一定的优越性,不需进行专门的布线,不占用无线电频率资源,避免了电磁污染。
同时,由于电话线路各地联网,可以充分利用现有的电话网,因此遥控距离可跨省市,甚至跨越国家。
目前社会治安状况十分严峻,入室盗抢案件屡见不鲜,由此引发的人身伤害案件也时有发生。
夏季是入室盗抢案件的多发季节,犯罪分子常利用人们夜间开窗熟睡之际入室实施盗窃或暴力抢劫。
随着治安形势的恶化及我们身边盗窃案件的频繁发生,家庭如何防盗已经日益成为人们关注的热点话题之一。
传统的家庭防盗办法是牢笼式防盗方法,主要是安装防盗门和防窗网。
防盗门固然牢固,但是窃贼日益增高的开锁技术及随处可见不知真假的开锁公司让我们感到有些不安。
防窗网影响外部美观和生活感觉并不是致命的弱点,最致命的是:
一旦发生火灾或者地震灾害,它反而会成为我们逃生的最大障碍!
随着国家智能化小区建设的推广,防盗系统已成为智能小区的必备设备,特别是近几年,安全防范的迫切需要给家庭防盗报警系统提供了越来越广泛的市场。
从国内来看,比较高档的防盗报警装置一般为进口产品,价格昂贵,且大多为有线连接方式。
国内产品尽管不少,但大多为模拟电路形式,且结构和功能简单,可靠性差,难以联网。
在已普及的公共电话网基础上研制一种新型家用自动报警系统,这对于保障居民的生命财产安全,提高公安、消防、医疗、保安等部门的快速反应能力,有着十分重要的意义。
随着生活节奏日益加快,人们整日忙碌于工作、学习,在家中的时间愈来愈少。
家中常常无人看守是人们的财产安全的一大隐患。
如果有一个智能报警器能及时发现危险和异常情况,及时通知主人并采取处理措施,就能够把损失减少。
本文介绍一种采用单片机控制的基于电话线的远程报警器。
其主要特点是采用MITEL公司的MT8880集成电路收发电话双音频信号和检测呼叫信号。
由于该芯片由ISO2CMOS技术制造,具有低功耗、高可靠性的特点,又能将其他同类芯片的单一功能集成,因此而节约了成本,提高了整体稳定性。
2总体设计方案
2.1设计要求
根据设计要求首先确定远程控制报警用什么方法传输信号是个关键,我们可以利用手机移动网进行无线传输,也可利用电力线,电话线传输信号等等。
虽然电力线的抗干扰能力优于其它传输,但它传输的距离毕竟有限,而用无线传输设计比较复杂,难度较大,所以采用电话线传输是目前最合适的一种方案。
如由ISD25120语音芯片构建的语音电路;由基本的防火,防盗,防煤气泄漏报警电路和MT8880专用解码芯片组成的DTMF信号的发送及传输电路等,从而达到对家里的意外情况进行实时远程监控,能够方便的,及时的把所有情况告诉我们大家。
2.2系统设计方框图
智能家居远程报警系统主要有模拟摘机电路、信号音检测电路、防盗报警电路、煤气泄漏报警电路、防火报警电路,单片机处理电路、自动拨号电话,语音电路等等。
电路总方框图如图1所示。
图1系统总体设计方框图
3硬件系统设计
3.1防盗报警电路分析
3.1.1热释电效应
能产生热释电效应的晶体称之为热释电体或热释电元件,其常用的材料有单(LiTaO3 等)、压电陶瓷(PZT等)及高分子薄膜(PVFZ等)。
热释电传感器利用的正是热释电效应,是一种温度敏感传感器。
它由陶瓷氧化物或压电晶体元件组成,元件两个表面做成电极,当传感器监测范围内温度有ΔT的变化时,热释电效应会在两个电极上会产生电荷ΔQ,即在两电极之间产生一微弱电压ΔV。
由于它的输出阻抗极高,所以传感器中有一个场效应管进行阻抗变换。
热释电效应所产生的电荷ΔQ会跟空气中的离子所结合而消失,当环境温度稳定不变时,ΔT=0,传感器无输出。
当人体进入检测区时,因人体温度与环境温度有差别,产生ΔT,则有信号输出;若人体进入检测区后不动,则温度没有变化,传感器也没有输出,所以这种传感器能检测人体或者动物的活动。
3.1.2防盗电路原理分析
当有人体移动时,人体本身就能发射红外线,正好移动到热释电检测器的检测范围,那么就会发出一串脉冲,最后经过处理就会输出一个高电平,如图7所示。
即VT2导通,P1.0输出低电平,送给单片机处理,根据实际情况就实现了防盗的功能。
图2人体移动检测电路
3.2防火报警电路分析
3.2.1MQ-2气体传感器的介绍
(1)特点:
广泛的探测范围;
高灵敏度∕快速响应恢复;
优异的稳定性∕寿命长;
简单的驱动电路;
(2)应用:
可用于家庭和工厂的气体泄漏监测装置,适宜于液化气、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氢气、烟雾等的探测。
(3)灵敏度调整
MQ-2型气敏元件对不同种类、不同浓度的气体有不同的电阻值。
因此,在使用此类型气敏元件时,灵敏度的调整是很重要的。
建议使用1000ppm氢气或1000ppm丁烷校准传感器。
当精确测量时,报警点的设定应考虑温湿度的影响。
3.2.2烟雾检测电路分析
烟雾检测电路采用的传感器是MQ-2型,此电路有NPN型三极管8050,可调电阻和一个上拉电阻组成。
如果意外发生导致家里失火,那么这个烟雾检测传感器就会第一时间检测到失火信号输出一个信号给三极管的基极,三极管导通,集电极就会输出一个低电平送给单片机处理,从而实现了防火的目的。
图3烟雾检测电路
3.3煤气泄漏报警电路
3.3.1MQ-N5型半导体气敏元件介绍
MQ-N5型半导体气敏元件是以金属氧化物SnO2为主体材料的N型半导体气敏元件,当元件接触还原性气体时,其电导率随气体浓度的增加而迅速升高。
(1)特点:
用于可燃性气体的检测(CH4,C4H10,H2等);
灵敏度高;
响应速度快;
输出信号大;
寿命长、工作稳定可靠。
(2)技术指标:
加热电压(VH)AC或DC5±0.5V
回路电压(VC)最大DC24V
负载电阻(RL)2KΩ
清洁空气中电阻(Ra)≤4000KΩ
灵敏度(S=Ra/Rdg)≥4(在1000ppmC4H10中)
响应时间(tres)≤10S
恢复时间(trec)≤30S
检测范围50-10000ppm
(3)使用方法及注意事项:
1)元件开始通电工作时,没有接触可燃性气体,其电导率也急剧增加1分钟后达到稳定,这时方可正常使用,这段变化在设计电路时可采用延时处理解决。
2)加热电压的改变会直接影响元件的性能,所以在规定的电压范围内使用为佳。
3)元件在接触标定气体1000ppmC4H10后10秒以内负载电阻两端的电压可达到(Vdg-Va)差值的80%(即响应时间);脱离标定气体1000ppmC4H1030秒钟以内负载电阻两端的电压下降到(Vdg-Va)差值的80%(即恢复时间)。
4)符号说明:
检测气体中电阻-Rdg检测气体中电压-Vdg
Rdg与Vdg的关系:
Rdg=RL(VC/Vdg-1)
5)负载电阻可根据需要适当改动,不影响元件灵敏度。
6)使用条件:
温度-15~35℃;相对湿度45~75%RH;大气压力80~106KPa。
7)环境温湿度的变化会给元件电阻带来小的影响,当元件在精密仪器上使用时,应进行温湿度补偿,最简便的方法是采用热敏电阻补偿之。
8)避免腐蚀性气体及油污染,长期使用需防止灰尘堵塞防爆不锈钢网。
9)元件六脚位置可与电子管七角管座匹配使用。
10)使用元件前请详细参看本说明。
3.3.2煤气检测电路
当家里的煤气由于意外情况或者使用时间久了,导致意外泄漏,那可就是一件非常严重的事情。
这是我们只要安装一个简单的煤气泄漏检测电路(如图4所示)就可以及时的发现问题的严重性。
煤气检测用的传感器是MQ-5型,电路简单,当煤气泄漏达到一定得浓度时,这个灵敏度可以根据具体情况来调节。
图4煤气检测电路
3.4模拟摘挂机电路
当有意外情况发生时,比如家里的煤气泄漏了,可以通过煤气传感器检测到煤气已经泄漏,电路马上开始工作。
检测信号送给单片机处理,有程序控制,首先得先接通电话,也就是如图5所示。
平常没有任何突发事情发生时,P1.0口一直保持高电平,三极管VT1不导通,电路不工作。
一旦有触发信号,单片机立即给P1.0置低电平,三极管VT1导通,继电器KA通电,开关KB闭合,电话线路构成一个回路,说明这边已经摘机了,交换机就会自动判别这边电话是摘机还是处于挂机状态,接着执行下一步的程序判断。
图5模拟摘挂机电路
3.5自动拨号电路
3.5.1双音多频信号介绍
DTMF(DualToneMultiFrequency)信号是音频电话的拨号信号。
由美国AT&T贝尔实验室研制,双音多频信号编码技术易于识别,抗干扰能力强,发号速度快,且比用modem进行远程传输的方法更为经济实用,因此这种拨号方法取代了传统的脉冲拨号。
电话中的双音多频信号有两种用途:
一是用于双音多频信号的拨号,去控制交换机接通被叫的用户电话机;二是利用双音多频信号遥控电话机各种动作,如播放留言,语音信箱。
这些都离不开DTMF信号的产生。
目前,大多数的DTMF信号的产生都是采用专用芯片MT5087,MT8880等,这种方法信号编码产生速度快但有很大的局限性,如果音频信号频率的改变应用于别的系统时,专用芯片就发挥不了作用了,其次是要实现用户多路双音多频信号发送比较困难。
3.5.2DTMF信号的特性
DTMF是由低频组(fb)和高频组(fa)两组频率信号构成,每个数字信号由低频组和高频组的任意一个叠加而成。
根据CCITT的建议,DTMF的编译码定义如表4所示。
表4电话拨号数字对应的高低频率组
数字键盘
高频组/Hz
1209
1336
1477
1633
低频组
/Hz
697
1
2
3
A
770
4
5
6
B
852
7
8
9
C
941
﹡
0
#
D
可用下式表示:
F(t)=A_{a}sin(2f_{a}t+A_{b}sin(2f_{b}t))
(1)
式中两项分别表示低、高音群的值,Ab和Aa分别表示低音群和高音群的样值量化基线,而且两者幅值比为K=Ab/Aa(0.7 同时规定,对应于表1中的标称频率在发送时,DTMF信号的频率偏差不应当超过1.5%,每位数字的信号极限时长应该大于40ms,而接收设备对2%的偏差应能可靠的接收,对30ms~40ms时长的信号可以正常的接收。 3.5.3DTMF信号的应用 DTMF信号即双音多频信号,最先用于程控电话交换系统来代替号盘脉冲信号,如图6所示。 图6DTMF用于拨号系统 主叫用户摘机按键拨号后,电话号码所对应的DTMF信号通过电话线传到程控交换机中的DTMF接受电路,交换机中的微机识别被叫电话号码后,接通主被叫用户实现双方通话。 DTMF信号还用于自动控制系统,如果把DTMF的发送电路用于主控系统,接受电路用于被控系统,就可以方便地组成有线或无线通信系统,如图7所示,其通道数视需要而定,16通道以内每通道只需编一位号码即可,若需要更多通道,则可象电话号码编号一样编为两位或两位以上的号码。 图7DTMF用于控制系统 3.5.4DTMF收发模块 (1)芯片功能 MT8880具有与微控制器(单片机)相连的接口,必须与单片机配合使用,其引脚功能如下: IN+、IN—: 分别为内部放大器的同相输入端和反相输入端,即接收DTMF信号的输入端; GS: 内部放大器的输出端,外接一个负反馈电阻至IN_端; UREF: 内部参考电压输出端,该参考电压等于UDD/2; UDD、Uss: 分别为电源的正、负端,供电电压为5V; OSCl、OSC2: 外接一个3.58MHz晶体,形成晶体振荡器; TONE: 双音频信号输出端; R/W;读/写控制端,该端施以高电平时读MT8880,施以低电平时写MT8880; RSI: 用于选择内部各寄存器的控制端,该端施以高电平时选中控制寄存器或状态寄存器,施以低电平时选中发送数据寄存器或接收数据寄存器。 更具体的对应关系必须根据R/W端的状态共同确定,详见表5所示; 表5内部寄存器功能 RSI R/W 内部寄存器及功能 0 0 写数据发送寄存器 0 1 读数据接收寄存器 1 0 控制寄存器CRA或CRB 1 1 读状态寄存器 SYNC,同步脉冲(时钟脉冲)输入端,每读/写MT8880时,必须施以一个正脉冲; IRQ: 在双音频模式并且在中断模式时,当收到有效DTMF信号或准备发送DTMF信号时该端由高电平变到低电平;在呼叫处理模式且检测到有效信号音时,该端输出方波; D0~D3: 写入命令或读出状态的数据线。 MT8880有很强的功能,它可以有6种工作模式,下面介绍常用的3种模式。 (1)双音频模式: 在该模式下,芯片能接收并译码DTMF信号或产生并发送DTMF信号。 接收信号从IN—端输入,发送信号从TONE端输出。 (2)呼叫处理模式: 在该模式下,芯片可以从输入信号中检测电话呼叫过程的各种信号音(回铃音、拨号音、忙音,拨号音是450Hz的连续信号,忙音为0.35秒通、0.35秒断,回铃音为1秒通、4秒断)。 当信号频率落在320~510Hz范围以内时,能从IRQ端输出方波,否则IRQ端为低电平。 (3)中断模式: 在该模式下,若芯片同时被设置为接收或发送DTMF信号模式,那么当收到有效DTMF信号并译码后,IRQ端变为低电平;在准备发出DTMF信号时,IRQ端变为低电平。 中断模式下,若芯片同时被设置为呼叫处理模式,在收到有效信号音时,1只Q端能输出对应的方波。 MT8880内部有5个寄存器: 数据发送寄存器TDR、数据接收寄存器RDR、控制寄存器CRA及CRB、状态寄存器SR。 芯片工作手何种功能,取决于在单片机的控制下写入控制寄存器CRA和CRB的内容,而芯片的某些状态可以根据读出状态寄存器SR的内容来判断。 当需要接收DTMF信号时,首先往控制寄存器CRA和CRB 写入相应的控制字,把芯片设置为DTMF模式,通过读取状态寄存器中的D2位,可以判断是否收到一个有效的DTMF信号并已译码。 若已收到则读取内部“接收数据寄存器”的内容(从芯片的D0一D3脚读出)。 当需要发送DTMF信号时,同样应先往控制寄存器CRA和CRB写入相应的控制字,把芯片设置为DTMF模式,通过读取状态寄存器中的D,位,可以判断是否发送完一个DTMF信号。 若已发送完,则把下一个要发送的数字由D。 ~D3写入到内部“发送数据寄存器”。 如果芯片同时又被设置为中断模式,则通过检测IRQ端状态,也能判断一个DTMF信号收到或发送完毕与否。 如何选中“接收数据寄存器”或“发送数据寄存器”,应根据表5的规定,给引脚RSI和R/W施以相应电平。 如果要检测电话信号音(回铃音、拨号音、忙音),则应首先向控制寄存器CRA、CRB写入对应于该工作模式的控制字,然后检测IRQ端的方波信号,根据方波信号的间歇、间隔规律来判断是哪一种信号音。 控制寄存器CRA、CRB以及状态寄存器都只有4个位(比特),分别记为D。 、Dl、D2、D,,要写控制寄存器或读状态寄存器,只要按照表8—4的规定给RSI引脚及R/W引脚施以相应电平就可以通过引脚D。 ~D3写入或读出。 控制寄存器和状态寄存器各个位的功能意义简述如下: (1)控制寄存器CRA。 D0;把该位设置为“1”,则芯片被设置成DTMF模式,允许收、发双音频信号。 D1: 把该位设置为“1",则芯片被设置为信号音检测模式(呼叫处理模式),当D2也设为“1”时,引脚IRQ端能输出与各种信号音对应的方波。 D2: 把该位设置为“1",则芯片被设置成中断模式,其具体功能见前述的3种模式介绍。 D3: 把该位设置为“1",表明允许选择控制寄存器CRB,因此应在写入控制寄存器CRA后,接着写控制寄存器CRB。 (2)控制寄存器CRB。 D0: 把该位设置为“0”时芯片工作于普通双音频模式;设置为“1"时芯片工作于突发模式,突发和暂停长度各为(51土2)ms。 D2: 把该位设置为“0”时允许产生双音频,否则只产生单音频。 D3: 行/列音选择,当D2=1(单音模式)时,D3用于选择行音或列音(即音频频率的选择)。 (3)状态寄存器SR。 D0: 发生中断时该位为“1",读取状态寄存器后自动清“0”。 D1: 准备发送新数据时为“1",读取状态寄存器后自动清“0”。 D2: 接收数据寄存器满(即收到有效数据)时为“1”,读取状态寄存器后自动清“0”。 D3: 一定时间内检测不到DTMF信号时为“1",检测到DTMF信号时清“0”。 表6MT8880各频率对应的输出电平 FLOW FHIJH DIGIT D3 D2 D1 D0 697 1209 1 0 0 0 1 697 1336 2 0 0 1 0 697 1477 3 0 0 1 1 770 1209 4 0 1 0 0 770 1336 5 0 1 0 1 770 1477 6 0 1 1 0 852 1209 7 0 1 1 1 852 1336 8 1 0 0 0 852 1477 9 1 0 0 1 941 1336 0 1 0 1 0 941 1209 * 1 0 1 1 941 1477 # 1 1 0 0 697 1633 A 1 1 0 1 770 1633 B 1 1 1 0 852 1633 C 1 1 1 1 941 1633 D 0 0 0 0 (2)自动拨号电路 MT8880是MITEL公司推出的专门用于处理DTMF信号的专用集成电路芯片,不仅具有接收和发送DTMF信号的自动拨号功能,还可以检测电话干线上拨号音、回铃音和忙音等信号音,适合与单片机接口,外围电路简单。 当有小偷试图进入卧室时,或者煤气泄漏,失火等等,对应的传感器就会发出信号。 然后送给单片机,单片机再进行相应的处理之后,首先得接通电话,也就是模拟摘机。 检测到拨号音之后,开始发送我们预先设置好的电话号码,通过MT8880的TONE端输出耦合到电话线上,实际上这就是相当于一个简单的电话机。 在拨号的过程中,MT8880开始检测各种信号音,刚开始检测到回铃音,一旦对方摘机,马上就会检测到摘机信号,说明对方已经摘机。 这是就你可以把提前 录好的语音信息发送到电话线上,告知家里的具体情况。 原理图如图8所示。 图8自动发号电路 3.6语音提示电路 3.6.1语音芯片工作方式 (1)操作模式 当最高位地址(MSB)A8、A9都为高电平时,地址端就作为操作模式选择端(高电平有效)。 表8操作模式功能表 模式控制 功能 典型应用 A0/M0 信息检索 快速检索信息 A1/M1 删除EOM标志 在全部语音录放结束时,给出EOM标志 A2/M2 未用 当工作模式操作时,此端应接低电平 A3/M3 循环放音 从0地址开始连续重复放音 A4/M4 连续寻址 可录放连续的多段信息 A5/M5 CE电平触发 允许信号中止 A6/M6 按钮控制 简化器件接口 使用操作模式时需要注意两点:
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