Home Smart Safety Alarm System Design Based on NXP LPC2478
作者：唐海 周婷 南京信息工程大學(xué)電子與信息工程學(xué)院
概述
目前市場(chǎng)上出現(xiàn)的智能報(bào)警系統(tǒng)性能較為單一，價(jià)格昂貴，一些系統(tǒng)往往是在門(mén)窗被破壞的時(shí)候才發(fā)出警報(bào)通知主人或報(bào)警中心，且響應(yīng)都需要一些時(shí)間，而時(shí)間越久就對(duì)家里的財(cái)物越危險(xiǎn)。安防的最好方法則是當(dāng)不法分子有入侵企圖時(shí)就發(fā)出語(yǔ)音警報(bào)，增加其心理壓力，迫使其自動(dòng)離開(kāi)，而且當(dāng)這種方法失效時(shí)，還可以通過(guò)記錄入侵時(shí)間，以發(fā)送短消息的方式通知主人或報(bào)警中心。本方案正是基于此思想，當(dāng)有人體在門(mén)外活動(dòng)時(shí)，熱釋電紅外傳感器探測(cè)到的信號(hào)經(jīng)專(zhuān)用芯片處理后送給基于ARM7的主控制器 LPC2478，主控制器依據(jù)信號(hào)時(shí)間的長(zhǎng)短發(fā)出一般提示或警告提示指令，同時(shí)警告信息會(huì)以短消息的形式發(fā)送到戶(hù)主手機(jī)上，以便戶(hù)主在第一時(shí)間報(bào)警。該方案智能化高、使用簡(jiǎn)單，不需要戶(hù)主進(jìn)行復(fù)雜的操作，十分適合一般家庭的使用。
系統(tǒng)原理
在系統(tǒng)工作前，戶(hù)主先根據(jù)自己家庭所處環(huán)境及人流情況，通過(guò)鍵盤(pán)設(shè)置最佳報(bào)警響應(yīng)時(shí)間。當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)開(kāi)始工作后，熱釋電紅外傳感器RE200B會(huì)對(duì)探測(cè)范圍內(nèi)的紅外信號(hào)不斷地進(jìn)行采集，當(dāng)有人體出現(xiàn)時(shí)，經(jīng)信號(hào)處理芯片BISS0001處理后會(huì)有一高電平輸出給主控制器——基于ARM7架構(gòu)的LPC2478。當(dāng)高電平的持續(xù)時(shí)間在最佳報(bào)警時(shí)間以?xún)?nèi)，則系統(tǒng)會(huì)對(duì)門(mén)外人員發(fā)出一般語(yǔ)音提示，如“請(qǐng)按動(dòng)門(mén)鈴”;當(dāng)超出最佳報(bào)警時(shí)間時(shí)，系統(tǒng)則會(huì)發(fā)出警告語(yǔ)音提示，同時(shí)開(kāi)始啟動(dòng)短信發(fā)送模塊向戶(hù)主手機(jī)發(fā)送報(bào)警短信，報(bào)警短信的等級(jí)則會(huì)根據(jù)超出最佳報(bào)警時(shí)間的長(zhǎng)短一步步升級(jí)。LPC2478提供的IIS音頻總線(xiàn)接口可以作為一個(gè)編解碼接口與外部8/16位立體聲音頻編解碼芯片——UDA1341TS相連，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的語(yǔ)音報(bào)警模塊。短信發(fā)送模塊采用西門(mén)子公司的TC35i模塊，通過(guò)移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商的GSM無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，由主控制器控制其警報(bào)短信的發(fā)送。在該系統(tǒng)中采用外接存儲(chǔ)單元——SD卡，容量大、價(jià)格低，使用方便，正常提示和報(bào)警提示的語(yǔ)音信息以及短信的發(fā)送內(nèi)容均預(yù)存儲(chǔ)在該卡中。采用LPC2478作為該系統(tǒng)的主控制器，可以減少外部芯片的使用，從而使體積減小，功耗降低。
硬件部分
家庭智能安全報(bào)警系統(tǒng)的硬件部分主要由報(bào)警信號(hào)采集和處理模塊、主控制模塊、語(yǔ)音報(bào)警模塊、短消息發(fā)送模塊和預(yù)設(shè)信息存儲(chǔ)模塊五部分組成，系統(tǒng)總框圖見(jiàn)圖1。主控制模塊控制其他4個(gè)模塊的工作，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能。
主控制模塊采用基于ARM7TDMI—S內(nèi)核的微控制器LPC2478，集成度非常高。內(nèi)嵌98K的片內(nèi)靜態(tài)RAM和512KB的片內(nèi)FLASH存儲(chǔ)器，片內(nèi)集成ADC、DAC轉(zhuǎn)換器、看門(mén)狗、實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC、1個(gè)IIS音頻接口、3個(gè)IIC接口、4個(gè)UART接口等資源，方便擴(kuò)展IIS接口、JTAG調(diào)試接口，外擴(kuò)芯片少，而且采用超小LQFP208封裝，整個(gè)系統(tǒng)微型化，而且電路簡(jiǎn)單，降低了開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)成本。芯片可以實(shí)現(xiàn)最高72MHz的工作頻率，功能較強(qiáng)，能夠滿(mǎn)足嵌入式系統(tǒng)mC/OS-II的要求。
報(bào)警信號(hào)采集和處理模塊主要由熱釋電紅外傳感器(PIR)RE200B和紅外傳感專(zhuān)用處理芯片BISS0001構(gòu)成。熱釋電紅外傳感器利用熱釋電效應(yīng)，以非接觸形式檢測(cè)出人體輻射的紅外線(xiàn)，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)。在實(shí)際使用時(shí)在傳感器前安裝菲涅爾透鏡，可將檢測(cè)距離提高到10m以上。針對(duì)PIR信號(hào)變化緩慢、幅值小的特點(diǎn)，選用了BISS0001紅外信號(hào)專(zhuān)用芯片，該芯片內(nèi)部集成運(yùn)算放大器、電壓比較器、狀態(tài)控制器、延時(shí)時(shí)間定時(shí)器和封鎖時(shí)間定時(shí)器，完全滿(mǎn)足紅外信號(hào)處理需要。RE200B的D、G、S端分別為電源端、地端和目標(biāo)輸出電壓端。BISS0001芯片的輸出信號(hào)VO送至主控制器，供其讀取，具體電路見(jiàn)圖2。
語(yǔ)音報(bào)警模塊主要由NXP公司生產(chǎn)的一種支持IIS總線(xiàn)數(shù)據(jù)格式的音頻編解碼芯片UDA1341TS組成。IIS是SONY和NXP等公司共同推出的一種主要針對(duì)數(shù)字音頻處理技術(shù)和設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)接口，它將音頻數(shù)據(jù)和時(shí)鐘信號(hào)分離，從而避免了由時(shí)鐘帶來(lái)的抖動(dòng)問(wèn)題，系統(tǒng)中不再需要消除抖動(dòng)的器件。UDA1341TS的IIS總線(xiàn)接口信號(hào)線(xiàn)為：位時(shí)鐘輸入BCK、字選擇輸入WS、數(shù)據(jù)輸入DATAI、數(shù)據(jù)輸出DATAO和音頻系統(tǒng)時(shí)鐘SYSCLK信號(hào)線(xiàn)。主控制器LPC2478提供了IIS總線(xiàn)接口發(fā)送和接收共兩組六根信號(hào)線(xiàn)，即IISRX_CLK、IISRX_WS、IISRX_SDA、IISTX_CLK、IISTX_WS、IISTX_SDA，具體電路見(jiàn)圖3。
短消息發(fā)送模塊則由西門(mén)子公司的TC35i模塊組成。TC35i模塊主要由GSM基帶處理器、GSM射頻模塊、供電模塊(ASIC)、閃存、ZIF連接器、天線(xiàn)結(jié)構(gòu)六部分組成。為了方便調(diào)試，我們購(gòu)置了一款基于TC35i 的GSM模塊開(kāi)發(fā)設(shè)備，該開(kāi)發(fā)設(shè)備上已經(jīng)預(yù)留出與主控制器進(jìn)行連接的接線(xiàn)端口即TXD、RXD、GND，只需將這三個(gè)接線(xiàn)端口分別與LPC2478的RXD、TXD、GND相連，就可以實(shí)現(xiàn)通過(guò)主控制器對(duì)模塊的控制，硬件連接非常簡(jiǎn)單，可以加快開(kāi)發(fā)的進(jìn)度。
預(yù)設(shè)信息存儲(chǔ)模塊主要由SD卡構(gòu)成。LPC2478提供了SD/MMC卡主機(jī)控制器，因此在設(shè)計(jì)SD/MMC卡接口電路時(shí)，只需將這些接口相應(yīng)地接到SD/MMC卡座就可以了。SD/MMC接口電路見(jiàn)圖4。SD卡有兩種工作模式，即SD和SPI模式。在此設(shè)計(jì)中，我們選擇SPI模式，SD卡的SPI通道由以下4個(gè)信號(hào)組成：CS(片選)、CLK(時(shí)鐘)、DataIn(主機(jī)到卡的數(shù)據(jù)信號(hào))和DataOut(卡到主機(jī)的數(shù)據(jù)信號(hào))。CS是SD卡的片選信號(hào)線(xiàn)，在整個(gè)SPI操作過(guò)程中，必須保持低電平有效，CLK便于同步，DataIn不但傳輸數(shù)據(jù)，還發(fā)送命令，同樣DataOut除了發(fā)送數(shù)據(jù)外還傳送應(yīng)答信號(hào)。SD卡中主要用來(lái)存儲(chǔ)正常語(yǔ)音和報(bào)警語(yǔ)音信息以及預(yù)設(shè)的報(bào)警短消息。整個(gè)操作均由LPC2478來(lái)控制。
系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)使用C語(yǔ)言進(jìn)行編程，全部為模塊化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)程序流程圖如圖5所示。
結(jié)語(yǔ)
本文介紹的普通家庭用智能安全報(bào)警系統(tǒng)，采用恩智浦半導(dǎo)體(NXP Semiconductors)高度集成的LPC2478微處理器，芯片內(nèi)部集成IIS接口用于語(yǔ)音處理，SPI接口用于SD卡信息存取，UART接口則用于實(shí)現(xiàn)對(duì)GSM模塊的控制，該款芯片豐富的片上資源，極大滿(mǎn)足了設(shè)計(jì)要求，簡(jiǎn)化了外圍電路。