基于MMS的即時(shí)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

隨著社會(huì)的發(fā)展，入室盜竊案越來(lái)越多，使人們財(cái)產(chǎn)受到極大的威脅。由于入室盜竊者非常狡猾，使警方破案極為困難。而本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以為家居提供安全保障，同時(shí)為警方破案提供最大化幫助。目前，市場(chǎng)上也出現(xiàn)了各式各樣的智能家居控制系統(tǒng)，說(shuō)明家居安防越來(lái)越受重視，即時(shí)報(bào)警系統(tǒng)不可或缺。

本文設(shè)計(jì)的報(bào)警系統(tǒng)以即時(shí)報(bào)警為理念，即時(shí)將報(bào)警系統(tǒng)抓拍的罪犯圖像以MMS(Multimedia Messaging Service,彩信)形式發(fā)送給用戶，從而讓用戶及時(shí)掌握家中動(dòng)態(tài)，為破案提供直接證據(jù)。本系統(tǒng)同時(shí)能與用戶語(yǔ)音交互，用戶可以主動(dòng)要求系統(tǒng)抓拍室內(nèi)當(dāng)前圖像。

1　系統(tǒng)的工作原理

1.1　系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)應(yīng)該全面考慮系統(tǒng)的總體功能， 進(jìn)行硬件的初步選型后， 確定一個(gè)硬件實(shí)現(xiàn)的可行方案。經(jīng)過(guò)反復(fù)對(duì)比， 考慮到節(jié)約整體成本， 系統(tǒng)以Atmel公司生產(chǎn)的AVR系列ATmega16L單片機(jī)為控制核心，并選用低功耗和低成本的功能器件。經(jīng)過(guò)調(diào)查研究，從技術(shù)上認(rèn)真分析，認(rèn)為需滿足下列5條技術(shù)要求，方能實(shí)現(xiàn)功能完善、即時(shí)報(bào)警這兩個(gè)主要目標(biāo)。

① 報(bào)警系統(tǒng)靈敏度要高，能即時(shí)向用戶發(fā)送警情；
② 報(bào)警地點(diǎn)與被呼叫對(duì)象（用戶）之間的空間距離應(yīng)不受限制；
③ 能夠與用戶進(jìn)行語(yǔ)音交互；
④ 如因故死機(jī)，應(yīng)能正?；謴?fù)運(yùn)行；
⑤ 整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)能隱蔽安裝，不易被罪犯發(fā)覺(jué)破壞。

1.2　系統(tǒng)框圖

即時(shí)報(bào)警系統(tǒng)由AVR單片機(jī)ATmega16L、語(yǔ)音模塊、GPRS模塊、DTMF譯碼電路、人體熱紅外感應(yīng)電路和圖像采集模塊組成，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)框圖

1.3　系統(tǒng)主要功能

① 當(dāng)人體熱紅外感應(yīng)探頭感應(yīng)到人體熱紅外線時(shí)，便會(huì)啟動(dòng)人體熱紅外感應(yīng)電路產(chǎn)生一個(gè)觸發(fā)信號(hào)，并傳送給主控單片機(jī)ATmega16L。微控制器在被觸發(fā)后啟動(dòng)攝像頭模塊抓拍圖片，并將圖片以MMS形式通過(guò)GPRS模塊發(fā)送給用戶指定的手機(jī)號(hào)碼；發(fā)送完后給用戶打電話，語(yǔ)音通知用戶報(bào)警。
② 用戶可以主動(dòng)給系統(tǒng)撥號(hào)，系統(tǒng)與用戶語(yǔ)音交互，接受用戶控制，如設(shè)定報(bào)警號(hào)碼、要求抓拍圖片等。

2　主要功能模塊硬件電路設(shè)計(jì)

2.1　主控芯片電路

ATmega16L單片機(jī)是一款高性能、低功耗的8位AVR微處理器，具有先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)，內(nèi)部有大容量的ROM、RAM、Flash和EEPROM，集成4通道PWM和SPI串行外設(shè)接口，有兩個(gè)可編程的串行UART和豐富的片內(nèi)/片外中斷引腳。

2.2　人體熱紅外感應(yīng)電路

此部分電路以熱釋電紅外傳感器和紅外傳感信號(hào)處理器BISS0001為核心，熱釋電紅外傳感器是一種能夠感應(yīng)人體靠近或遠(yuǎn)離的傳感器，將人體紅外熱輻射信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)。人體都有恒定的體溫，一般在37 ℃左右，人體會(huì)發(fā)射10 μm 左右的特定波長(zhǎng)紅外線。熱釋電紅外傳感器通過(guò)菲涅爾透鏡將熱釋的紅外信號(hào)聚焦在熱釋電紅外傳感器(PIR)上。熱釋電紅外傳感器將透過(guò)濾光晶片的紅外輻射能量的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，即熱電轉(zhuǎn)換。因此在被動(dòng)紅外探測(cè)器的警戒區(qū)內(nèi)，當(dāng)無(wú)人體移動(dòng)時(shí)，熱釋電紅外感應(yīng)器感應(yīng)到的只是背景溫度；當(dāng)人體進(jìn)入警戒區(qū)時(shí)，熱釋電紅外感應(yīng)器感應(yīng)到的是人體溫度與背景溫度的差異。此時(shí)將前后兩次采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果，可以判斷出是否有人進(jìn)入警戒區(qū)。人體熱紅外感應(yīng)電路如圖2所示，主控器通過(guò)與SING 端相連的輸入端口的高低電平來(lái)判斷是否有人進(jìn)入警戒區(qū)。

圖2　人體熱紅外感應(yīng)電路

PIR將熱電轉(zhuǎn)換的電信號(hào)由S腳傳送到第一級(jí)運(yùn)放的1IN+腳，運(yùn)算放大器OP1（1IN-、1IN+為差分輸入端）組成傳感信號(hào)預(yù)處理電路，將信號(hào)放大，然后耦合給運(yùn)算放大器OP2（2IN-為反相輸入端），再進(jìn)行第二級(jí)放大，同時(shí)將直流電位抬高 (≈0?5VDD)后，BISS0001內(nèi)部將輸出信號(hào)送到由比較器COP1和COP2組成的雙向鑒幅器，檢出有效觸發(fā)信號(hào)。由于BISS0001內(nèi)部VH≈0?7VDD，VL≈0?3VDD，所以當(dāng)VDD=5 V時(shí)，可有效抑制±1 V的噪聲干擾，提高系統(tǒng)的可靠性。BISS0001具有感應(yīng)封鎖時(shí)間：感應(yīng)模塊在每一次感應(yīng)輸出后（高電平變成低電平），可以緊跟著設(shè)置一個(gè)封鎖時(shí)間段，在此時(shí)間段內(nèi)感應(yīng)器不接收任何感應(yīng)信號(hào)。

由此，當(dāng)有人進(jìn)入警戒區(qū)時(shí)，信號(hào)輸出引腳SING將變?yōu)楦唠娖?，而無(wú)人時(shí)則變?yōu)榈碗娖?。微處理器檢測(cè)到SING相連的引腳的電平變化，就可以判斷有人進(jìn)入了警戒區(qū)。

2.3　圖像采集模塊

2.3.1　VC0706介紹

圖像采集模塊采用北京中星微電子公司的VC0706系列芯片，該芯片是中星微電子針對(duì)圖像采集和處理應(yīng)用而專門設(shè)計(jì)的監(jiān)控?cái)z像機(jī)數(shù)字圖像處理芯片。通過(guò)對(duì)來(lái)自CMOS傳感器的視頻信號(hào)進(jìn)行AWB（自動(dòng)白平衡）、AE（自動(dòng)曝光）、AGC（自動(dòng)增益控制）等圖像處理，并融合低照度下圖像增強(qiáng)處理、圖像噪聲智能預(yù)測(cè)與抑制等先進(jìn)技術(shù)，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)CCIR656接口輸出高質(zhì)量的數(shù)字視頻信號(hào)，供外部處理器進(jìn)行壓縮和處理。

系統(tǒng)MCU通過(guò)SPI接口與VC0706連接，依據(jù)VC0706的內(nèi)部通信協(xié)議進(jìn)行通信。VC0706的SPI接口只支持兩種工作模式：

① Master mode，VC0706作為SPI的主設(shè)備，主要用于連接SPI Flash或者其他SPI從設(shè)備；
② Slave mode，VC0706作為SPI的從設(shè)備，主要用于連接外部控制器。
同時(shí)，VC0706只支持MSB的傳輸方式和8位的字符長(zhǎng)度。
VC0706支持的SPI時(shí)序如圖3所示。

圖3　VC0706的SPI時(shí)序圖

2.3.2　從VC0706讀取圖像

MCU要通過(guò)SPI讀取VC0706采集的視頻圖像，依據(jù)VC0706的內(nèi)部通信協(xié)議進(jìn)行通信,其步驟如下:

① 發(fā)送FBUF_CTRL命令，參數(shù)為0x00，來(lái)停止當(dāng)前幀更新。
② 發(fā)送GET_FBUF_LEN命令來(lái)獲取當(dāng)前幀中圖像的長(zhǎng)度。
③ 發(fā)送READ_FBUF命令來(lái)讀取圖像數(shù)據(jù)。READ_FBUF命令中參數(shù)設(shè)置為：
FBUF幀類型設(shè)置為0x00；
操作方式設(shè)置為0x0F；
起始地址設(shè)置為0x00；
數(shù)據(jù)長(zhǎng)度設(shè)置為通過(guò)GET_FBUF_LEN命令獲取的圖像長(zhǎng)度；
延遲時(shí)間用于在數(shù)據(jù)和命令回復(fù)之間添加延遲，以區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)和命令回復(fù)，默認(rèn)值為3000，可修改為其他值。
④ 發(fā)送完READ_FBUF命令后，先等待VC0706的回應(yīng)，回應(yīng)正確則等待接收VC0706發(fā)送的數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)接收完畢后，VC0706會(huì)再次發(fā)送命令回復(fù)，通知外部主控MCU數(shù)據(jù)已經(jīng)發(fā)送完畢。
⑤ 讀取完畢后，發(fā)送FBUF_CTRL命令，參數(shù)為0x02，來(lái)回復(fù)幀的更新。

2.4　語(yǔ)音模塊電路

語(yǔ)音電路采用ISD公司出品的高性能單片語(yǔ)音錄放芯片ISD4004， 該芯片采用直接模擬量存儲(chǔ)技術(shù)（DAST），只需要少量的外圍電路就可實(shí)現(xiàn)錄放音，語(yǔ)音的錄制和播放非常方便。ISD4004 系列工作電壓3 V，單片錄放時(shí)間8~16 min ，音質(zhì)好，適用于移動(dòng)電話及其他便攜式電子產(chǎn)品中。ISD4004可以進(jìn)行多段語(yǔ)音操作，每一段稱為一個(gè)信息段（在每次操作開(kāi)始之前由信息起始指針MSP指定），它由信息起始標(biāo)志、記錄數(shù)據(jù)和信息結(jié)束標(biāo)志（EOM）組成。一個(gè)信息段占用一行或者多行存儲(chǔ)空間，且可以包含多個(gè)地址單元，而一個(gè)地址單元只能作為一個(gè)獨(dú)立的段。語(yǔ)音錄放電路如圖4所示。

圖4　語(yǔ)音錄放電路

ISD4004的AUOUT引腳是模擬語(yǔ)音信號(hào)輸出端，其標(biāo)記為voice，與GPRS模塊的語(yǔ)音輸入腳相連。錄音通過(guò)MIC將語(yǔ)音信號(hào)加到ISD4004的輸入端。ISD4004語(yǔ)音芯片要求主控制器可以是內(nèi)置有SPI兼容接口的微控制器，也可以用I/O口仿真SPI通信協(xié)議。

2.5　DTMF譯碼電路

DTMF譯碼電路采用HT9172芯片來(lái)接收DTMF信號(hào)。HT9172是盛群半導(dǎo)體公司推出的產(chǎn)品，與HT9170功能相同，腳位兼容，而效能更佳，具有較短的號(hào)音偵測(cè)時(shí)間及較高的抗噪性能，適用于各種采用有線電話及行動(dòng)電話的遙控系統(tǒng)、自動(dòng)呼叫系統(tǒng)和工業(yè)控制系統(tǒng)等。HT9172是一個(gè)具有數(shù)字譯碼和濾波功能的雙音多頻(DTMF)信號(hào)接收器，內(nèi)置的放大電路可對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行調(diào)整，高速轉(zhuǎn)換的濾波電路將DTMF信號(hào)分解為高頻和低頻信號(hào)，利用數(shù)字計(jì)數(shù)的方法對(duì)16種DTMF輸入進(jìn)行譯碼，并產(chǎn)生4位的代碼輸出。其電路如圖5所示。

圖5　DTMF譯碼電路

圖中DTMF_IN接GPRS模塊EARP引腳（GPRS語(yǔ)音輸出引腳之一）。HT9172能夠檢測(cè)用戶按下鍵盤時(shí)產(chǎn)生的頻率，并將其轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的4位代碼輸出至D1~D4（連接微處理器相應(yīng)的I/O口）。當(dāng)HT9170芯片接收到有效的DTMF信號(hào)后，INT端將變?yōu)楦唠娖?INT與單片機(jī)中斷引腳相連，從而使單片機(jī)中斷并運(yùn)行中斷服務(wù)程序。

2.6　GPRS模塊

GPRS模塊選用ESMART公司提供的iWOW TR800 GSM/GPRS模塊，具有標(biāo)準(zhǔn)AT命令接口，支持GSM語(yǔ)音、短信息、GPRS上網(wǎng)、彩信收發(fā)等業(yè)務(wù)。

發(fā)送MMS的AT命令流程：

AT$MMSW=0//在編輯一條新彩信之前一定要用此命令reset彩信的各參數(shù)，以免發(fā)生彩信尺寸已達(dá)最大等問(wèn)題
OK
AT$MMSW=1,1//設(shè)置目的號(hào)碼或郵件地址
13970975217
OK
AT$MMSW=4,1 //彩信主題
Test0
OK
AT$MMSW=5,1,1 //設(shè)置彩信內(nèi)容
My picture
OK
AT$MMSW=6,1,"mms.jpg" //設(shè)置要發(fā)送的附件
OK
AT$MMSSEND
OK
$MMSTRACE: 1 //返回1，表明發(fā)送成功
AT$FDEL="*"//刪除存儲(chǔ)器里的文件
OK

結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)報(bào)警系統(tǒng)的即時(shí)性需要，設(shè)計(jì)了一款性價(jià)比高的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)經(jīng)過(guò)測(cè)試和應(yīng)用，穩(wěn)定性好，系統(tǒng)的遠(yuǎn)程報(bào)警功能及時(shí)，且彩信圖像清晰。