基 于 PSTN 的 远 程 监 控 系 统 的 研 究 与 实 现 鲍 东 升 兰 州 大 学 信 息 科 学 与 工 程 学 院 兰 州,(730000) E-mail:baodsh03@163.com 摘 要 本 文 对 基 于 公 用 电 话 交 换 网 PSTN 进 行 现 场 设 备 的 控 制 环 境 监 测 及 报 警 的 系 统 进 行 了 研 究 利 用 电 话 包 括 移 动 电 话 作 为 发 出 控 制 命 令 和 接 收 监 测 信 息 的 终 端 设 备, 采 用 MITEL 公 司 的 DTMF 收 发 器 MT8888 作 为 电 话 双 音 多 频 的 解 码 核 心, 使 用 语 音 芯 片 ISD2590 输 出 提 示 及 报 警 语 音, 使 用 单 片 机 AT89S51 作 为 控 制 核 心, 实 现 了 对 远 程 现 场 设 备 的 远 程 监 测 报 警 及 控 制 关 键 词 : 智 能 电 话 公 用 电 话 交 换 网 双 音 多 频 ISD2590 MT8888 中 图 分 类 号 :TP368.1 1 引 言 随 着 我 国 信 息 事 业 的 持 续 快 速 的 发 展, 通 信 基 础 设 施 日 臻 完 善, 固 定 电 话 移 动 电 话 用 户 总 数 接 近 两 亿 利 用 现 有 的 个 人 通 信 终 端, 实 现 基 于 PSTN( 公 用 电 话 交 换 网 ) 的 电 话 远 程 监 控 系 统, 具 有 广 泛 的 使 用 价 值 和 可 推 广 的 市 场 潜 力, 是 智 能 家 庭 建 设 的 重 要 组 成 部 分 本 系 统 实 现 的 功 能 是 通 过 电 话 按 键 远 程 对 相 应 的 家 用 电 器 的 进 行 开 关 操 控, 同 时 当 家 里 发 生 危 险 的 时 候 ( 包 括 温 度 过 高, 湿 度 过 高, 有 人 闯 入, 失 火 ) 自 动 拨 打 户 主 的 电 话 号 码 并 在 接 通 后 通 知 户 主 危 险 情 况 单 片 机 控 制 的 远 程 监 控 系 统 主 要 组 成 部 分 为 : 单 片 机 构 成 主 控 部 分, 进 行 主 要 的 信 息 处 理, 接 收 外 部 操 作 指 令 形 成 各 种 控 制 信 号, 完 成 对 于 相 应 继 电 器 的 操 控 ;DTMF 调 制 解 调 芯 片 用 于 将 数 据 转 换 成 适 宜 于 电 话 线 路 及 常 规 电 话 通 信 终 端 设 备 宜 于 收 发 处 理 的 信 号 ; 摘 挂 机 电 路 用 于 常 规 电 话 线 路 响 铃 及 应 答 操 作 ; 2 系 统 总 体 设 计 2.1 硬 件 总 体 设 计 框 图 1
图 1 总 设 计 框 图 总 体 上 框 图 可 分 为 五 个 部 分 1. 振 铃 检 测 模 块, 主 要 功 能 是 实 现 对 振 铃 的 计 数, 从 而 判 断 是 否 摘 机 2. 模 拟 摘 机 模 块, 主 要 功 能 是 实 现 模 拟 摘 机 3. 语 音 处 理 模 块, 主 要 功 能 是 发 出 操 作 提 示 语 音 及 报 警 提 示 语 音 储 存 在 ISD2590 中 的 语 音 是 提 前 录 进 去 的 4. 双 音 多 频 处 理 模 块, 主 要 功 能 是 解 码 双 音 多 频 信 号 和 发 出 双 音 多 频 信 号, 以 实 现 解 码 按 键 信 号 和 自 动 拨 号 5. 环 境 参 数 采 集 模 块, 主 要 功 能 是 监 测 环 境 信 息, 产 生 中 断 以 实 现 报 警 6. 控 制 模 块, 主 要 功 能 是 实 现 对 家 用 电 器 的 开 关 控 制 2
3 模 块 原 件 介 绍 3.1 AT89S51 单 片 机 的 主 要 性 能 和 特 点 AT89S51 是 美 国 ATMEL 公 司 生 产 的 低 功 耗, 高 性 能 CMOS 8 位 单 片 机, 片 内 含 4k bytes 的 可 系 统 编 程 的 Flash 只 读 程 序 存 储 器, 器 件 采 用 ATMEL 公 司 的 高 密 度 非 易 失 性 存 储 技 术 生 产, 兼 容 标 准 8051 指 令 系 统 及 引 脚 它 集 Flash 程 序 存 储 器 既 可 在 线 编 程 ( ISP ) 也 可 用 传 统 方 法 进 行 编 程 及 通 用 8 位 微 处 理 器 于 单 片 芯 片 中, 功 能 强 大, 价 位 低, 可 灵 活 应 用 于 各 种 控 制 领 域 3.2 MT8888 介 绍 MT8888 是 一 种 具 有 Intel 微 处 理 器 接 口 的 功 能 较 强 的 双 音 多 频 (DTMF) 发 送 和 接 收 器 件 它 的 发 送 部 分 采 用 信 号 失 真 小 频 率 稳 定 性 高 的 开 关 电 容 式 D / A 变 换 器, 可 发 出 16 种 双 音 多 频 DTMF 信 号 ; 接 收 部 分 用 于 完 成 DTMF 信 号 的 接 收 分 离 和 译 码, 并 以 4 位 并 行 二 进 制 码 的 方 式 输 出 MT8888 芯 片 集 成 度 高 功 耗 低, 可 调 整 双 音 频 模 式 的 占 空 比, 能 自 动 抑 制 拨 号 音 和 调 整 信 号 增 益, 还 带 有 标 准 的 数 据 总 线, 可 与 TTL 电 平 兼 容, 并 可 方 便 地 进 行 编 程 控 制 ; 可 用 于 寻 呼 系 统 交 换 机 系 统 和 移 动 通 信 转 帐 卡 系 统 互 接 拨 号 器 数 字 通 信 和 计 算 机 等 领 域 其 主 要 功 能 : 一 是 完 整 的 DTMF 发 送 和 接 收 功 能 ; 二 是 检 测 电 话 呼 叫 过 程 中 的 各 种 信 号 音 ; 三 是 高 速 Intel 微 处 理 器 接 口 ; 四 是 可 调 整 保 护 时 间 ; 五 是 呼 叫 音 检 测 到 30dBm [1] 3.2.1 MT8888 内 部 结 构 MT8888 的 内 部 逻 辑 如 图 2 所 示 从 结 构 上 看, MT8888 由 DTMF 信 号 接 收 器 和 DTMF 信 号 产 生 器 两 大 部 分 组 成 接 收 器 部 分 的 输 人 信 号 增 益 可 以 调 节, 发 送 器 部 分 采 用 束 计 数 器 ( burst counter ), 双 音 频 信 号 的 发 送 和 暂 停 可 以 很 灵 活 地 加 以 控 制 呼 叫 处 理 模 式 (Call progressmode) 可 以 检 测 出 在 电 话 网 中 经 常 使 用 的 呼 叫 处 理 信 号 音 从 外 部 看,MT8888 提 供 了 一 个 标 准 的 微 处 理 器 接 口 外 部 微 处 理 器 可 以 很 方 便 地 访 问 其 内 部 的 寄 存 器 ( 包 括 一 个 状 态 寄 存 器 两 个 控 制 寄 存 器 和 两 个 寄 存 器 ), 以 实 现 DTMF 的 收 发 以 及 信 号 音 的 检 测 3
图 2 MT8888 内 部 结 构 框 图 3.2.3 应 用 电 路 MT8888 的 外 围 电 路 非 常 简 单, 与 51 单 片 机 的 接 口 也 很 方 便, 具 体 应 用 电 路 如 图 3 所 示 图 3 MT8888 的 典 型 应 用 电 路 4
3.3 ISD2590 语 音 模 块 的 介 绍 3.3.1 概 述 微 电 子 技 术 的 飞 速 发 展 推 动 了 语 音 合 成 技 术 的 迅 猛 发 展, 各 种 语 音 芯 片 相 继 出 现, 如 UM5101,UM5100,UM93520,TSP5220,T6668,TC883OF 等 C11, 其 突 出 特 点 是 要 对 语 音 建 立 数 学 模 型 并 数 字 化, 将 数 据 存 入 程 序 存 储 器, 再 经 语 音 合 成 芯 片 还 原 成 声 音. 软 硬 件 设 计 工 作 量 大, 成 本 高, 音 质 不 理 想. 而 综 合 性 能 价 格 进 行 比 较,ISD2590 是 目 前 国 内 外 较 理 想 的 语 音 芯 片. 它 是 由 美 国 LSD 公 司 生 产 的 高 保 真 录 放 一 体 化 的 单 片 固 态 语 音 集 成 电 路, 它 摒 弃 了 以 往 的 语 音 合 成 方 法, 采 用 了 LSD 公 司 的 专 利 直 接 模 拟 存 储 技 术, 把 模 拟 数 据 成 功 地 存 入 半 导 体 存 储 器 中. 这 种 突 破 性 的 EEPROM 存 储 方 法 可 以 将 模 拟 数 据 直 接 写 入 单 个 存 储 单 元, 而 不 需 要 A/D 或 D/A 转 换. 这 种 技 术 产 生 的 效 果 是 :(1) 比 同 等 的 数 字 方 式 增 加 了 集 成 度.(2) 模 拟 数 据 的 存 储 是 不 挥 发 的 [2] 4 设 计 思 路 和 工 作 原 理 4.1 软 件 总 体 设 计 图 4 ISD2590 的 典 型 应 用 电 路 5
软 件 总 体 框 图 如 图 6 所 示 图 5 软 件 总 体 框 图 4.2 工 作 原 理 描 述 图 6 主 程 序 流 程 6
4.3.1 主 程 序 工 作 原 理 描 述 图 7 所 示 为 主 程 序 流 程 图, 可 见 主 程 序 有 两 条 主 线, 一 个 是 控 制 操 作 即 对 现 场 设 备 进 行 控 制 的 函 数, 一 个 是 报 警 处 理 函 数, 即 当 环 境 参 数 ( 温 度, 湿 度, 有 人 闯 入, 着 火 ) 超 限, 即 进 入 相 应 的 处 理 函 数, 程 序 一 开 始 查 询 相 应 的 状 态 标 志, 而 状 态 标 志 是 在 中 断 函 数 中 设 置 的, 本 设 计 使 用 了 两 个 外 部 中 断, 中 断 1 为 检 测 振 铃 并 计 数, 当 达 到 一 定 数 目 即 置 位 相 应 的 标 志 位, 中 断 2 中 设 置 报 警 状 态 标 志, 当 环 境 参 数 超 限 会 引 发 中 断, 在 中 断 函 数 中 设 置 标 志, 这 样 当 有 相 应 的 状 态 标 志 为 1 时 主 程 序 就 进 入 相 应 的 处 理 函 数 而 进 行 相 应 的 操 作 4.3.2 控 制 操 作 执 行 函 数 流 程 控 制 操 作 流 程 如 图 8 所 示, 首 先 是 摘 机, 然 后 密 码 检 测, 密 码 检 测 通 过 之 后 提 示 对 方 按 相 应 的 按 键 选 择 操 作, 包 括 状 态 查 询 控 制 操 作 和 挂 机 状 态 查 询 是 查 询 一 下 相 应 的 家 用 电 器 的 开 关 状 态, 从 而 利 于 用 户 进 行 操 作 ; 控 制 操 作 就 是 对 家 用 电 器 进 行 相 应 的 开 关 操 作 ; 当 用 户 执 行 完 之 后 就 可 以 按 挂 机 键 从 而 使 系 统 挂 机 4.3.3 报 警 处 理 函 数 流 程 报 警 处 理 函 数 流 程 如 图 9 所 示, 摘 机 之 后 发 送 电 话 号 码, 延 时 3 秒 之 后 检 测 是 否 接 通, 如 果 接 通 了 则 播 放 语 音, 告 知 用 户 发 生 何 种 危 险 情 况, 之 后 会 挂 机 如 果 电 话 线 路 没 有 接 通, 则 进 一 步 判 断 是 否 无 人 接 听, 当 无 人 接 听 时 延 时 3 秒 之 后 再 检 测, 如 果 检 测 三 次 还 是 无 人 接 听, 则 挂 机 结 束 如 果 是 线 路 忙, 先 挂 机, 延 时 10 秒 之 后 再 摘 机, 发 送 号 码 并 判 断, 如 果 三 次 都 线 路 忙 则 挂 机 处 理 结 束 [3] 7
图 7 控 制 操 作 流 程 8
开 始 摘 机 发 送 电 话 号 码 延 时 3 秒 检 查 线 路 状 态 是 线 路 接 通 了 吗 户 主 摘 机 后 处 理 函 数 否 无 人 接 听 吗 是 是 否 线 路 忙? 无 人 接 听 达 到 三 次? 是 否 否 线 路 忙 达 到 三 次? 是 挂 机 延 时 10 秒 挂 机 结 束 图 8 报 警 处 理 函 数 流 程 9
4.3.4 电 话 线 路 状 态 的 判 断 在 报 警 处 理 函 数 中, 在 发 送 号 码 之 后 要 对 电 话 线 路 进 行 检 测, 以 判 断 进 行 何 种 操 作 检 测 的 方 法 依 赖 于 电 话 线 路 中 的 几 种 信 号 音, 国 家 标 准 GB3380-82 规 定 : 回 铃 音 忙 音 拨 号 音 工 作 频 率 均 为 450Hz ±25Hz 拨 号 音 为 连 续 信 号 ; 忙 音 为 0. 35s 通 0. 35s 断 ; 回 铃 音 为 1s 通 4s 断 [4] 由 此 可 知, 拨 号 音 回 铃 音 和 忙 音 的 频 率 相 同, 只 是 断 续 比 不 同 且 在 时 间 上 有 明 显 的 差 异 MT8888 的 呼 叫 处 理 滤 波 器 是 一 个 带 通 滤 波 器, 如 果 工 作 在 CP 模 式, 只 要 信 号 频 率 落 在 310~500Hz 频 率 范 围 内, 片 内 呼 叫 处 理 器 便 可 滤 出 经 限 幅 得 到 的 方 波, 由 IRQ/ CP 端 输 出, 以 用 于 判 断 呼 叫 的 性 质 和 类 别 这 样 就 可 实 现 对 三 种 信 号 音 的 检 测 因 此, 判 断 信 号 音 的 方 法 是 : 对 收 到 的 5 秒 长 度 的 信 号 方 波 的 频 率 进 行 计 数, 再 通 过 计 数 值 对 信 号 进 行 判 断 4.3.5 对 于 ISD2590 芯 片 的 录 音 ISD2590 在 使 用 之 前 要 先 录 好 音, 录 音 电 路 由 单 片 机 主 控, 录 音 电 路 如 图 10 所 示 由 拨 码 开 关 输 入 地 址, 按 下 录 音 按 键 即 进 入 中 断 执 行 录 音 程 序, 按 下 放 音 按 键 即 进 入 中 断 执 行 放 音 程 序 图 9 录 音 模 块 原 理 图 10 10
5 结 束 语 该 系 统 可 以 实 现 对 家 用 电 器 的 远 程 控 制, 并 可 以 监 测 房 屋 内 的 环 境 状 况, 当 家 里 发 生 危 险 的 时 候 ( 包 括 温 度 过 高, 湿 度 过 高, 有 人 闯 入, 失 火 ) 自 动 拨 打 户 主 的 电 话 号 码 通 知 户 主 危 险 情 况 同 时 提 供 了 语 音 提 示 界 面 和 密 码 验 证 功 能, 具 有 一 定 的 安 全 性 同 时 本 系 统 也 可 用 于 无 人 职 守 现 场 的 远 程 监 控 参 考 文 献 [1]. 董 守 田, 徐 风 文 DTMF 收 发 芯 片 MT8888 的 应 用 农 机 化 研 究 2003 [2]. 韦 丽 华, 汤 胜 利 基 于 语 音 的 微 机 控 制 报 警 器 辽 宁 师 范 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 ) 2001 [3]. 刘 威, 袁 小 平 基 于 电 话 线 的 远 程 报 警 器 的 设 计 通 信 技 术 与 应 用 2004 [4]. 张 文 东 程 控 数 字 交 换 技 术 原 理 北 京 邮 电 大 学 出 版 社 2003 The research and design of remote monitor and control system based on PSTN Bao Dongsheng School of Information Science & Engineering,Lanzhou University,Lanzhou, PRC(730000) Abstract In this paper, the system which can control the field devices, monitor the environmental parameters and alarm was studied.the system uses the telephone including mobile phone as terminal device which can issue control orders and receive monitoring information, the DTMF transceiver/receiver MT8888 of MITEL as telephone DTMF decoder core, the ISD2590 voice chip to output hint voice and alarm voice, AT89S51 as a control core, to achieve the remote control function of field devices and environmental monitoring and alarm function. Keywords:smart phones PSTN DTMF ISD2590 MT8888 11