基于MMS的即时报警系统设计
引言
随着社会的发展，入室盗窃案越来越多，使人们财产受到极大的威胁。由于入室盗窃者非常狡猾，使警方破案极为困难。而本系统的设计可以为家居提供安全保障，同时为警方破案提供最大化帮助。目前，市场上也出现了各式各样的智能家居控制系统，说明家居安防越来越受重视，即时报警系统不可或缺。
本文设计的报警系统以即时报警为理念，即时将报警系统抓拍的罪犯图像以MMS(Multimedia Messaging Service,彩信)形式发送给用户，从而让用户及时掌握家中动态，为破案提供直接证据。本系统同时能与用户语音交互，用户可以主动要求系统抓拍室内当前图像。
1 系统的工作原理
1.1 系统方案设计
系统总体方案的设计应该全面考虑系统的总体功能， 进行硬件的初步选型后， 确定一个硬件实现的可行方案。经过反复对比， 考虑到节约整体成本， 系统以Atmel公司生产的AVR系列ATmega16L单片机为控制核心，并选用低功耗和低成本的功能器件。经过调查研究，从技术上认真分析，认为需满足下列5条技术要求，方能实现功能完善、即时报警这两个主要目标。
① 报警系统灵敏度要高，能即时向用户发送警情；
② 报警地点与被呼叫对象（用户）之间的空间距离应不受限制；
③ 能够与用户进行语音交互；
④ 如因故死机，应能正常恢复运行；
⑤ 整个系统应能隐蔽安装，不易被罪犯发觉破坏。
1.2 系统框图
即时报警系统由AVR单片机ATmega16L、语音模块、GPRS模块、DTMF译码电路、人体热红外感应电路和图像采集模块组成，系统框图如图1所示。
图1 系统框图
1.3 系统主要功能
① 当人体热红外感应探头感应到人体热红外线时，便会启动人体热红外感应电路产生一个触发信号，并传送给主控单片机ATmega16L。微控制器在被触发后启动摄像头模块抓拍图片，并将图片以MMS形式通过GPRS模块发送给用户指定的手机号码；发送完后给用户打电话，语音通知用户报警。
② 用户可以主动给系统拨号，系统与用户语音交互，接受用户控制，如设定报警号码、要求抓拍图片等。
2 主要功能模块硬件电路设计
2.1 主控芯片电路
ATmega16L单片机是一款高性能、低功耗的8位AVR微处理器，具有先进的RISC结构，内部有大容量的ROM、RAM、Flash和EEPROM，集成4通道PWM和SPI串行外设接口，有两个可编程的串行UART和丰富的片内/片外中断引脚。
2.2 人体热红外感应电路
此部分电路以热释电红外传感器和红外传感信号处理器BISS0001为核心，热释电红外传感器是一种能够感应人体靠近或远离的传感器，将人体红外热辐射信号转化成电信号。人体都有恒定的体温，一般在37 ℃左右，人体会发射10 μm 左右的特定波长红外线。热释电红外传感器通过菲涅尔透镜将热释的红外信号聚焦在热释电红外传感器(PIR)上。热释电红外传感器将透过滤光晶片的红外辐射能量的变化转换成电信号，即热电转换。因此在被动红外探测器的警戒区内，当无人体移动时，热释电红外感应器感应到的只是背景温度；当人体进入警戒区时，热释电红外感应器感应到的是人体温度与背景温度的差异。此时将前后两次采集的数据进行比较，根据比较结果，可以判断出是否有人进入警戒区。人体热红外感应电路如图2所示，主控器通过与SING 端相连的输入端口的高低电平来判断是否有人进入警戒区。
图2 人体热红外感应电路
PIR将热电转换的电信号由S脚传送到第一级运放的1IN+脚，运算放大器OP1（1IN-、1IN+为差分输入端）组成传感信号预处理电路，将信号放大，然后耦合给运算放大器OP2（2IN-为反相输入端），再进行第二级放大，同时将直流电位抬高 (≈05VDD)后，BISS0001内部将输出信号送到由比较器COP1和COP2组成的双向鉴幅器，检出有效触发信号。由于BISS0001内部VH≈07VDD，VL≈03VDD，所以当VDD=5 V时，可有效抑制±1 V的噪声干扰，提高系统的可靠性。BISS0001具有感应封锁时间：感应模块在每一次感应输出后（高电平变成低电平），可以紧跟着设置一个封锁时间段，在此时间段内感应器不接收任何感应信号。
由此，当有人进入警戒区时，信号输出引脚SING将变为高电平，而无人时则变为低电平。微处理器检测到SING相连的引脚的电平变化，就可以判断有人进入了警戒区。
2.3 图像采集模块
2.3.1 VC0706介绍
图像采集模块采用北京中星微电子公司的VC0706系列芯片，该芯片是中星微电子针对图像采集和处理应用而专门设计的监控摄像机数字图像处理芯片。通过对来自CMOS传感器的视频信号进行AWB（自动白平衡）、AE（自动曝光）、AGC（自动增益控制）等图像处理，并融合低照度下图像增强处理、图像噪声智能预测与抑制等先进技术，通过标准CCIR656接口输出高质量的数字视频信号，供外部处理器进行压缩和处理。
系统MCU通过SPI接口与VC0706连接，依据VC0706的内部通信协议进行通信。VC0706的SPI接口只支持两种工作模式：
① Master mode，VC0706作为SPI的主设备，主要用于连接SPI Flash或者其他SPI从设备；
② Slave mode，VC0706作为SPI的从设备，主要用于连接外部控制器。
同时，VC0706只支持MSB的传输方式和8位的字符长度。
VC0706支持的SPI时序如图3所示。
图3 VC0706的SPI时序图
2.3.2 从VC0706读取图像
MCU要通过SPI读取VC0706采集的视频图像，依据VC0706的内部通信协议进行通信,其步骤如下:
① 发送FBUF_CTRL命令，参数为0x00，来停止当前帧更新。
② 发送GET_FBUF_LEN命令来获取当前帧中图像的长度。
③ 发送READ_FBUF命令来读取图像数据。READ_FBUF命令中参数设置为：
FBUF帧类型设置为0x00；
操作方式设置为0x0F；
起始地址设置为0x00；
数据长度设置为通过GET_FBUF_LEN命令获取的图像长度；
延迟时间用于在数据和命令回复之间添加延迟，以区分数据和命令回复，默认值为3000，可修改为其他值。
④ 发送完READ_FBUF命令后，先等待VC0706的回应，回应正确则等待接收VC0706发送的数据。在数据接收完毕后，VC0706会再次发送命令回复，通知外部主控MCU数据已经发送完毕。
⑤ 读取完毕后，发送FBUF_CTRL命令，参数为0x02，来回复帧的更新。
2.4 语音模块电路
语音电路采用ISD公司出品的高性能单片语音录放芯片ISD4004， 该芯片采用直接模拟量存储技术（DAST），只需要少量的外围电路就可实现录放音，语音的录制和播放非常方便。ISD4004 系列工作电压3 V，单片录放时间8~16 min ，音质好，适用于移动电话及其他便携式电子产品中。ISD4004可以进行多段语音操作，每一段称为一个信息段（在每次操作开始之前由信息起始指针MSP指定），它由信息起始标志、记录数据和信息结束标志（EOM）组成。一个信息段占用一行或者多行存储空间，且可以包含多个地址单元，而一个地址单元只能作为一个独立的段。语音录放电路如图4所示。
图4 语音录放电路
ISD4004的AUOUT引脚是模拟语音信号输出端，其标记为voice，与GPRS模块的语音输入脚相连。录音通过MIC将语音信号加到ISD4004的输入端。ISD4004语音芯片要求主控制器可以是内置有SPI兼容接口的微控制器，也可以用I/O口仿真SPI通信协议。
2.5 DTMF译码电路
DTMF译码电路采用HT9172芯片来接收DTMF信号。HT9172是盛群半导体公司推出的产品，与HT9170功能相同，脚位兼容，而效能更佳，具有较短的号音侦测时间及较高的抗噪性能，适用于各种采用有线电话及行动电话的遥控系统、自动呼叫系统和工业控制系统等。HT9172是一个具有数字译码和滤波功能的双音多频(DTMF)信号接收器，内置的放大电路可对输入信号进行调整，高速转换的滤波电路将DTMF信号分解为高频和低频信号，利用数字计数的方法对16种DTMF输入进行译码，并产生4位的代码输出。其电路如图5所示。
图5 DTMF译码电路
图中DTMF_IN接GPRS模块EARP引脚（GPRS语音输出引脚之一）。HT9172能够检测用户按下键盘时产生的频率，并将其转化成相应的4位代码输出至D1~D4（连接微处理器相应的I/O口）。当HT9170芯片接收到有效的DTMF信号后，INT端将变为高电平,INT与单片机中断引脚相连，从而使单片机中断并运行中断服务程序。
2.6 GPRS模块
GPRS模块选用ESMART公司提供的iWOW TR800 GSM/GPRS模块，具有标准AT命令接口，支持GSM语音、短信息、GPRS上网、彩信收发等业务。
发送MMS的AT命令流程：
AT$MMSW=0//在编辑一条新彩信之前一定要用此命令reset彩信的各参数，以免发生彩信尺寸已达最大等问题
OK
AT$MMSW=1,1//设置目的号码或邮件地址
13970975217
OK
AT$MMSW=4,1 //彩信主题
Test0
OK
AT$MMSW=5,1,1 //设置彩信内容
My picture
OK
AT$MMSW=6,1,"mms.jpg" //设置要发送的附件
OK
AT$MMSSEND
OK
$MMSTRACE: 1 //返回1，表明发送成功
AT$FDEL="*"//删除存储器里的文件
OK
结语
本文根据报警系统的即时性需要，设计了一款性价比高的控制系统。该系统经过测试和应用，稳定性好，系统的远程报警功能及时，且彩信图像清晰。
随着社会的发展，入室盗窃案越来越多，使人们财产受到极大的威胁。由于入室盗窃者非常狡猾，使警方破案极为困难。而本系统的设计可以为家居提供安全保障，同时为警方破案提供最大化帮助。目前，市场上也出现了各式各样的智能家居控制系统，说明家居安防越来越受重视，即时报警系统不可或缺。
本文设计的报警系统以即时报警为理念，即时将报警系统抓拍的罪犯图像以MMS(Multimedia Messaging Service,彩信)形式发送给用户，从而让用户及时掌握家中动态，为破案提供直接证据。本系统同时能与用户语音交互，用户可以主动要求系统抓拍室内当前图像。
1 系统的工作原理
1.1 系统方案设计
系统总体方案的设计应该全面考虑系统的总体功能， 进行硬件的初步选型后， 确定一个硬件实现的可行方案。经过反复对比， 考虑到节约整体成本， 系统以Atmel公司生产的AVR系列ATmega16L单片机为控制核心，并选用低功耗和低成本的功能器件。经过调查研究，从技术上认真分析，认为需满足下列5条技术要求，方能实现功能完善、即时报警这两个主要目标。
① 报警系统灵敏度要高，能即时向用户发送警情；
② 报警地点与被呼叫对象（用户）之间的空间距离应不受限制；
③ 能够与用户进行语音交互；
④ 如因故死机，应能正常恢复运行；
⑤ 整个系统应能隐蔽安装，不易被罪犯发觉破坏。
1.2 系统框图
即时报警系统由AVR单片机ATmega16L、语音模块、GPRS模块、DTMF译码电路、人体热红外感应电路和图像采集模块组成，系统框图如图1所示。
图1 系统框图
1.3 系统主要功能
① 当人体热红外感应探头感应到人体热红外线时，便会启动人体热红外感应电路产生一个触发信号，并传送给主控单片机ATmega16L。微控制器在被触发后启动摄像头模块抓拍图片，并将图片以MMS形式通过GPRS模块发送给用户指定的手机号码；发送完后给用户打电话，语音通知用户报警。
② 用户可以主动给系统拨号，系统与用户语音交互，接受用户控制，如设定报警号码、要求抓拍图片等。
2 主要功能模块硬件电路设计
2.1 主控芯片电路
ATmega16L单片机是一款高性能、低功耗的8位AVR微处理器，具有先进的RISC结构，内部有大容量的ROM、RAM、Flash和EEPROM，集成4通道PWM和SPI串行外设接口，有两个可编程的串行UART和丰富的片内/片外中断引脚。
2.2 人体热红外感应电路
此部分电路以热释电红外传感器和红外传感信号处理器BISS0001为核心，热释电红外传感器是一种能够感应人体靠近或远离的传感器，将人体红外热辐射信号转化成电信号。人体都有恒定的体温，一般在37 ℃左右，人体会发射10 μm 左右的特定波长红外线。热释电红外传感器通过菲涅尔透镜将热释的红外信号聚焦在热释电红外传感器(PIR)上。热释电红外传感器将透过滤光晶片的红外辐射能量的变化转换成电信号，即热电转换。因此在被动红外探测器的警戒区内，当无人体移动时，热释电红外感应器感应到的只是背景温度；当人体进入警戒区时，热释电红外感应器感应到的是人体温度与背景温度的差异。此时将前后两次采集的数据进行比较，根据比较结果，可以判断出是否有人进入警戒区。人体热红外感应电路如图2所示，主控器通过与SING 端相连的输入端口的高低电平来判断是否有人进入警戒区。
图2 人体热红外感应电路
PIR将热电转换的电信号由S脚传送到第一级运放的1IN+脚，运算放大器OP1（1IN-、1IN+为差分输入端）组成传感信号预处理电路，将信号放大，然后耦合给运算放大器OP2（2IN-为反相输入端），再进行第二级放大，同时将直流电位抬高 (≈05VDD)后，BISS0001内部将输出信号送到由比较器COP1和COP2组成的双向鉴幅器，检出有效触发信号。由于BISS0001内部VH≈07VDD，VL≈03VDD，所以当VDD=5 V时，可有效抑制±1 V的噪声干扰，提高系统的可靠性。BISS0001具有感应封锁时间：感应模块在每一次感应输出后（高电平变成低电平），可以紧跟着设置一个封锁时间段，在此时间段内感应器不接收任何感应信号。
由此，当有人进入警戒区时，信号输出引脚SING将变为高电平，而无人时则变为低电平。微处理器检测到SING相连的引脚的电平变化，就可以判断有人进入了警戒区。
2.3 图像采集模块
2.3.1 VC0706介绍
图像采集模块采用北京中星微电子公司的VC0706系列芯片，该芯片是中星微电子针对图像采集和处理应用而专门设计的监控摄像机数字图像处理芯片。通过对来自CMOS传感器的视频信号进行AWB（自动白平衡）、AE（自动曝光）、AGC（自动增益控制）等图像处理，并融合低照度下图像增强处理、图像噪声智能预测与抑制等先进技术，通过标准CCIR656接口输出高质量的数字视频信号，供外部处理器进行压缩和处理。
系统MCU通过SPI接口与VC0706连接，依据VC0706的内部通信协议进行通信。VC0706的SPI接口只支持两种工作模式：
① Master mode，VC0706作为SPI的主设备，主要用于连接SPI Flash或者其他SPI从设备；
② Slave mode，VC0706作为SPI的从设备，主要用于连接外部控制器。
同时，VC0706只支持MSB的传输方式和8位的字符长度。
VC0706支持的SPI时序如图3所示。
图3 VC0706的SPI时序图
2.3.2 从VC0706读取图像
MCU要通过SPI读取VC0706采集的视频图像，依据VC0706的内部通信协议进行通信,其步骤如下:
① 发送FBUF_CTRL命令，参数为0x00，来停止当前帧更新。
② 发送GET_FBUF_LEN命令来获取当前帧中图像的长度。
③ 发送READ_FBUF命令来读取图像数据。READ_FBUF命令中参数设置为：
FBUF帧类型设置为0x00；
操作方式设置为0x0F；
起始地址设置为0x00；
数据长度设置为通过GET_FBUF_LEN命令获取的图像长度；
延迟时间用于在数据和命令回复之间添加延迟，以区分数据和命令回复，默认值为3000，可修改为其他值。
④ 发送完READ_FBUF命令后，先等待VC0706的回应，回应正确则等待接收VC0706发送的数据。在数据接收完毕后，VC0706会再次发送命令回复，通知外部主控MCU数据已经发送完毕。
⑤ 读取完毕后，发送FBUF_CTRL命令，参数为0x02，来回复帧的更新。
2.4 语音模块电路
语音电路采用ISD公司出品的高性能单片语音录放芯片ISD4004， 该芯片采用直接模拟量存储技术（DAST），只需要少量的外围电路就可实现录放音，语音的录制和播放非常方便。ISD4004 系列工作电压3 V，单片录放时间8~16 min ，音质好，适用于移动电话及其他便携式电子产品中。ISD4004可以进行多段语音操作，每一段称为一个信息段（在每次操作开始之前由信息起始指针MSP指定），它由信息起始标志、记录数据和信息结束标志（EOM）组成。一个信息段占用一行或者多行存储空间，且可以包含多个地址单元，而一个地址单元只能作为一个独立的段。语音录放电路如图4所示。
图4 语音录放电路
ISD4004的AUOUT引脚是模拟语音信号输出端，其标记为voice，与GPRS模块的语音输入脚相连。录音通过MIC将语音信号加到ISD4004的输入端。ISD4004语音芯片要求主控制器可以是内置有SPI兼容接口的微控制器，也可以用I/O口仿真SPI通信协议。
2.5 DTMF译码电路
DTMF译码电路采用HT9172芯片来接收DTMF信号。HT9172是盛群半导体公司推出的产品，与HT9170功能相同，脚位兼容，而效能更佳，具有较短的号音侦测时间及较高的抗噪性能，适用于各种采用有线电话及行动电话的遥控系统、自动呼叫系统和工业控制系统等。HT9172是一个具有数字译码和滤波功能的双音多频(DTMF)信号接收器，内置的放大电路可对输入信号进行调整，高速转换的滤波电路将DTMF信号分解为高频和低频信号，利用数字计数的方法对16种DTMF输入进行译码，并产生4位的代码输出。其电路如图5所示。
图5 DTMF译码电路
图中DTMF_IN接GPRS模块EARP引脚（GPRS语音输出引脚之一）。HT9172能够检测用户按下键盘时产生的频率，并将其转化成相应的4位代码输出至D1~D4（连接微处理器相应的I/O口）。当HT9170芯片接收到有效的DTMF信号后，INT端将变为高电平,INT与单片机中断引脚相连，从而使单片机中断并运行中断服务程序。
2.6 GPRS模块
GPRS模块选用ESMART公司提供的iWOW TR800 GSM/GPRS模块，具有标准AT命令接口，支持GSM语音、短信息、GPRS上网、彩信收发等业务。
发送MMS的AT命令流程：
AT$MMSW=0//在编辑一条新彩信之前一定要用此命令reset彩信的各参数，以免发生彩信尺寸已达最大等问题
OK
AT$MMSW=1,1//设置目的号码或邮件地址
13970975217
OK
AT$MMSW=4,1 //彩信主题
Test0
OK
AT$MMSW=5,1,1 //设置彩信内容
My picture
OK
AT$MMSW=6,1,"mms.jpg" //设置要发送的附件
OK
AT$MMSSEND
OK
$MMSTRACE: 1 //返回1，表明发送成功
AT$FDEL="*"//删除存储器里的文件
OK
结语
本文根据报警系统的即时性需要，设计了一款性价比高的控制系统。该系统经过测试和应用，稳定性好，系统的远程报警功能及时，且彩信图像清晰。
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