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摘要：研究设计了一套基于ARM9的嵌入式无线家居控制系统，本系统以高性能ARM9微处理器为核心，并结合GPRS通信网络、传感技术构成无线家居语音火警控制系统，对家居进行本地和远程两种方式的火警无线监控。
关键词：语音报警；ARM；GPRS；嵌入式系统
中图分类号：TP311.52文献标识码：A文章编号：1007-9599 (2012) 04-0000-02
一、引言
智能家居技术背景的前提下，目前市场上针对普通家庭的智能防火产品很多，但基于远程报警系统的智能家居产品价格不菲。本次设计智能家居火灾语音报警系统实用性非常强，设计成本低，非常适合普通家庭使用。主要利用传感器技术、ARM9控制和GPRS无线通信技术，实现系统远程报警功能。智能语音报警系统主要包括系统中控模块、火灾探测模块、GPRS无线通信模块、语音报警四大个主要模块组成，本文将详细说明各个模块功能及设计现。
二、系统硬件组成
本系统以三星公司的S3C2410X作为主控制器，与传感器信号采集模块、GPRS无线通信模块、语音报警四大模块协同工作，主要负责数据采集（室内的温度及烟雾浓度）、图像的存储、异常的判断及处理。根据家居安防监控系统的功能需求，结合整个系统的成本及控制要求，其硬件结构如图1所示：
（一）ARM9微处理器
S3C2410A是一款基于ARM920T内核的16/32位RISC嵌入式微处理器，由ARM9TDMI、存储管理单元（MMU）和高速缓存三部分组成。其中，MMU可以管理虚拟内存，高速缓存由独立的16KB地址高速Cache和16KB数据高速Cache组成。并为手持设备和一般类型应用提供了一套完整的通用系统外设，即无需配置额外的组件，从而减少整体系统成本。如：S3C2410A集成了如LCD控制器（支持STN和TFT带有触摸屏的液晶显示屏）、3个通道的UART（Universal Asynchronous Receiver and Transmitter）等大量的内部电路和外围接口，每个端口都可以工作在Interrupt（中断模式）或DMA（直接内存访问）模式。它们支持的最高波特率为115.2Kbps.
（二）传感器信号采集
在本系统中，信息采集是由温度传感器、烟雾传感器和摄像头共同完成的。如：当火灾发生时，烟雾传感器负责检测烟雾浓度是否到达到预定报警浓度，若达到，则触发报警；温度传感器则负责检测周围环境温度是否超过了预设的温度，如超过，则触发报警。当同时触发上述两种报警信号时，发出最高报警信号。本系统采用双重报警机构，降低了系统的误报率，提高了系统的可靠性。摄像头负责图像信息的采集。通过摄像头采集监控区域的有效图像信息并存储在SD卡中，以便于以后分析。
温度传感器：选用美国DALLAS公司生产的DS18B20智能数字温度传感器。它将地址线、数据线和控制线合为1根信号线，允许在这根信号线挂接多个1-Wire总线器件。采用1-Wire总线技术可节省I/O资源且结构简单、成本低廉、便于总线扩展和维护等。
烟雾传感器：选用民用的离子式传感器NIS-02C。该传感器通过监测烟雾的浓度来实现火灾防范的，性能远优于气敏电阻类烟雾探测器。
摄像头：选用北京中星微电子有限公司的一款USB摄像头，该摄像头集成了CMOS图像传感器，具有图像信号处理、图像压缩及数据传输等图像处理功能。
（三）GPRS无线通讯模块
1.模块介绍。GPRS （General Packet Radio Service） 无线分组业务：当家居环境发生险情时，根据用户的需求，该通讯模块以文字信息或图片信息的方式告知用户。
GPRS MODEM：选用SIEMENS TC35无线收发模块。TC35支持数据、语音、SMS短消息。TC35i是一款双频900/1800MHZ高度集成的GSM模块。通过与嵌入式平台上外围扩展的串口相连，即可实现嵌入式平台与用户手机之间的通讯。从而实现家电设备的控制信号和自动报警信号的传输，完成系统的通信。
无线GPRS通信流程包括：串口的初始化、GPRS MODEM的配置、短信发送和接收。当系统检测到家庭安防发出的报警信号时，通过GPRS MODEM，系统能够及时把报警信息发送给指定的用户。
无线Modem与ARM采用串行异步通信接口，其中RS-232C的电平逻辑应转换成TTL电平后，才能与S3C2410X 的串口相接。用户只需通过串口收发AT指令来控制Modem的收发短信工作。
发送短信：采用GPRS模块统一串口发送AT指令。文本（Text）模式和协议数据单元（Protocol Data Unit，缩写PDU）模式是常用的两种模式。文本（Text）模式的优点：收发短信代码简单，实现起来十分容易。缺点：不能收发中文短信。而协议数据单元（PDU）模式则支持中英文短信的手法。因此，本文采用了PDU模式。PDU模式收发短信支持7-bit、8-bit和UCS2三种编码方式。其中，7-bit编码用于发送普通的ASCII字符，8-bit编码通常用于发送数据消息，UCS2编码用于发送Unicode字符。
2.功能实现。将手机卡插入GPRS模块，使GPRS模块的串口和PC机相连。由于系统在配置串口和GPRS MODEM之后，才可以使用串口3与GPRS MODEM进行通信。因此配置串口，波特率为115200，数据位为8位，1位停止位，无奇偶校验。
打开串口设备并向GSM模块发送测试指令，检查模块是否准备就绪；根据需求向GSM模块发送AT指令，控制GSM模块发送短信或者拨打指定电话；三，拨点电话的同时，播放指定的音频文件。
用ARM控制无线Modem，关键在于AT（Attention的）命令。命令结束标志是一个单字符，通常为回车符。AT指令集包含的指令众多，下面对本系统中用到的部分AT指令进行介绍。
（1）连接测试。Modem连接好后，用AT命令，检查硬件连接是否成功。发送AT给模块，若模块返回AT OK，说明与模块通信成功，可以正常接收AT指令。
（2）打电话。通过指令ATD拨打电话，发送ATD***********（*号部分代表电话号码）。听到对方电话响声，则接通。通过指令ATH挂断电话，发送ATH。
（3）发短信测试。AT+CMGF= n选择短消息支持格，设置短消息中心号码。
AT+CMGS=“133########”（目的手机的号码），将要发送的信息复制到pMsg缓冲区中，该缓冲区中的内容将通过串口发送出去。发送则表示发送短信结束。
AT+CMGR=n读取短消息，n是短消息在当前存储区的索引号。
AT+CMGD=n 删除保存的短消息，n是短消息在当前存储区的索引号。
综上所述的AT命令，如果执行成功，MODEM返回的信息中会包含”OK”，否则会包含“ERROR”。通过检查返回值，可以判断AT命令执行是否成功。
（四）语音报警
语音报警模块：采用广州致远公司的语音录放芯片ZY1420A，该芯片性能稳定可靠、使用方便，可减小实际的体积。同时，致远公司提供了专门的基于Windows平台的语音编程器软硬件，可对ZY1420A进行分段录放音操作（本文用语音编程器录制好报警信息，语音电路在现场使用时只受控放音。现场不使用录音功能，可以保证报警信息的质量。）。语音编程器要录制的文件必须为*.WAV类型的声音文件，可以通过Windows提供的录音机软件得到这种类型的声音文件。作用：当检测到家居环境发生火灾时，该模块自动进行语音报警，告知居室主人。
三、软件设计
整个智能家居控制系统以ARM9微处理器为核心，支持C语言和汇编语言，本系统主要采用模块化编程，分为中控模块、传感器信号采集模块、GPRS无线通信模块、语音报警模块等模块。主程序流程图如图2所示。
四、结束语
本智能家庭语音报警系统的研究设计重点在于家居发生火灾，主人不在家时，能通过GPRS模块发送短信息，及时通知主人家中发生的险情，便于户主及时处理，将损失降到最小。与传统家庭安防系统相比，本文设计的智能家庭嵌入式语音报警系统具有处理速度块、高实时性、设计成本低廉等突出的优点，非常适合普通家庭使用。
[科研项目]嵌入式开发技术在3G开发应用中的研究，项目编号：GYGG2010-0-1-1
关键词：语音报警；ARM；GPRS；嵌入式系统
中图分类号：TP311.52文献标识码：A文章编号：1007-9599 (2012) 04-0000-02
一、引言
智能家居技术背景的前提下，目前市场上针对普通家庭的智能防火产品很多，但基于远程报警系统的智能家居产品价格不菲。本次设计智能家居火灾语音报警系统实用性非常强，设计成本低，非常适合普通家庭使用。主要利用传感器技术、ARM9控制和GPRS无线通信技术，实现系统远程报警功能。智能语音报警系统主要包括系统中控模块、火灾探测模块、GPRS无线通信模块、语音报警四大个主要模块组成，本文将详细说明各个模块功能及设计现。
二、系统硬件组成
本系统以三星公司的S3C2410X作为主控制器，与传感器信号采集模块、GPRS无线通信模块、语音报警四大模块协同工作，主要负责数据采集（室内的温度及烟雾浓度）、图像的存储、异常的判断及处理。根据家居安防监控系统的功能需求，结合整个系统的成本及控制要求，其硬件结构如图1所示：
（一）ARM9微处理器
S3C2410A是一款基于ARM920T内核的16/32位RISC嵌入式微处理器，由ARM9TDMI、存储管理单元（MMU）和高速缓存三部分组成。其中，MMU可以管理虚拟内存，高速缓存由独立的16KB地址高速Cache和16KB数据高速Cache组成。并为手持设备和一般类型应用提供了一套完整的通用系统外设，即无需配置额外的组件，从而减少整体系统成本。如：S3C2410A集成了如LCD控制器（支持STN和TFT带有触摸屏的液晶显示屏）、3个通道的UART（Universal Asynchronous Receiver and Transmitter）等大量的内部电路和外围接口，每个端口都可以工作在Interrupt（中断模式）或DMA（直接内存访问）模式。它们支持的最高波特率为115.2Kbps.
（二）传感器信号采集
在本系统中，信息采集是由温度传感器、烟雾传感器和摄像头共同完成的。如：当火灾发生时，烟雾传感器负责检测烟雾浓度是否到达到预定报警浓度，若达到，则触发报警；温度传感器则负责检测周围环境温度是否超过了预设的温度，如超过，则触发报警。当同时触发上述两种报警信号时，发出最高报警信号。本系统采用双重报警机构，降低了系统的误报率，提高了系统的可靠性。摄像头负责图像信息的采集。通过摄像头采集监控区域的有效图像信息并存储在SD卡中，以便于以后分析。
温度传感器：选用美国DALLAS公司生产的DS18B20智能数字温度传感器。它将地址线、数据线和控制线合为1根信号线，允许在这根信号线挂接多个1-Wire总线器件。采用1-Wire总线技术可节省I/O资源且结构简单、成本低廉、便于总线扩展和维护等。
烟雾传感器：选用民用的离子式传感器NIS-02C。该传感器通过监测烟雾的浓度来实现火灾防范的，性能远优于气敏电阻类烟雾探测器。
摄像头：选用北京中星微电子有限公司的一款USB摄像头，该摄像头集成了CMOS图像传感器，具有图像信号处理、图像压缩及数据传输等图像处理功能。
（三）GPRS无线通讯模块
1.模块介绍。GPRS （General Packet Radio Service） 无线分组业务：当家居环境发生险情时，根据用户的需求，该通讯模块以文字信息或图片信息的方式告知用户。
GPRS MODEM：选用SIEMENS TC35无线收发模块。TC35支持数据、语音、SMS短消息。TC35i是一款双频900/1800MHZ高度集成的GSM模块。通过与嵌入式平台上外围扩展的串口相连，即可实现嵌入式平台与用户手机之间的通讯。从而实现家电设备的控制信号和自动报警信号的传输，完成系统的通信。
无线GPRS通信流程包括：串口的初始化、GPRS MODEM的配置、短信发送和接收。当系统检测到家庭安防发出的报警信号时，通过GPRS MODEM，系统能够及时把报警信息发送给指定的用户。
无线Modem与ARM采用串行异步通信接口，其中RS-232C的电平逻辑应转换成TTL电平后，才能与S3C2410X 的串口相接。用户只需通过串口收发AT指令来控制Modem的收发短信工作。
发送短信：采用GPRS模块统一串口发送AT指令。文本（Text）模式和协议数据单元（Protocol Data Unit，缩写PDU）模式是常用的两种模式。文本（Text）模式的优点：收发短信代码简单，实现起来十分容易。缺点：不能收发中文短信。而协议数据单元（PDU）模式则支持中英文短信的手法。因此，本文采用了PDU模式。PDU模式收发短信支持7-bit、8-bit和UCS2三种编码方式。其中，7-bit编码用于发送普通的ASCII字符，8-bit编码通常用于发送数据消息，UCS2编码用于发送Unicode字符。
2.功能实现。将手机卡插入GPRS模块，使GPRS模块的串口和PC机相连。由于系统在配置串口和GPRS MODEM之后，才可以使用串口3与GPRS MODEM进行通信。因此配置串口，波特率为115200，数据位为8位，1位停止位，无奇偶校验。
打开串口设备并向GSM模块发送测试指令，检查模块是否准备就绪；根据需求向GSM模块发送AT指令，控制GSM模块发送短信或者拨打指定电话；三，拨点电话的同时，播放指定的音频文件。
用ARM控制无线Modem，关键在于AT（Attention的）命令。命令结束标志是一个单字符，通常为回车符
（1）连接测试。Modem连接好后，用AT命令，检查硬件连接是否成功。发送AT
（2）打电话。通过指令ATD拨打电话，发送ATD***********（*号部分代表电话号码）。听到对方电话响声，则接通。通过指令ATH挂断电话，发送ATH。
（3）发短信测试。AT+CMGF= n选择短消息支持格，设置短消息中心号码。
AT+CMGS=“133########”（目的手机的号码），将要发送的信息复制到pMsg缓冲区中，该缓冲区中的内容将通过串口发送出去。发送
AT+CMGR=n读取短消息，n是短消息在当前存储区的索引号。
AT+CMGD=n 删除保存的短消息，n是短消息在当前存储区的索引号。
综上所述的AT命令，如果执行成功，MODEM返回的信息中会包含”OK”，否则会包含“ERROR”。通过检查返回值，可以判断AT命令执行是否成功。
（四）语音报警
语音报警模块：采用广州致远公司的语音录放芯片ZY1420A，该芯片性能稳定可靠、使用方便，可减小实际的体积。同时，致远公司提供了专门的基于Windows平台的语音编程器软硬件，可对ZY1420A进行分段录放音操作（本文用语音编程器录制好报警信息，语音电路在现场使用时只受控放音。现场不使用录音功能，可以保证报警信息的质量。）。语音编程器要录制的文件必须为*.WAV类型的声音文件，可以通过Windows提供的录音机软件得到这种类型的声音文件。作用：当检测到家居环境发生火灾时，该模块自动进行语音报警，告知居室主人。
三、软件设计
整个智能家居控制系统以ARM9微处理器为核心，支持C语言和汇编语言，本系统主要采用模块化编程，分为中控模块、传感器信号采集模块、GPRS无线通信模块、语音报警模块等模块。主程序流程图如图2所示。
四、结束语
本智能家庭语音报警系统的研究设计重点在于家居发生火灾，主人不在家时，能通过GPRS模块发送短信息，及时通知主人家中发生的险情，便于户主及时处理，将损失降到最小。与传统家庭安防系统相比，本文设计的智能家庭嵌入式语音报警系统具有处理速度块、高实时性、设计成本低廉等突出的优点，非常适合普通家庭使用。
[科研项目]嵌入式开发技术在3G开发应用中的研究，项目编号：GYGG2010-0-1-1