基于PSTN的智能语音报警系统设计论文

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1、基于PSTN的智能语音报警系统摘要 随着社会的发展，人的活动、居住区域越来越大，偷窃、火灾、煤气中毒等安全问题越来越受到人们关注。家庭报警系统已经成为家庭需求，办公楼以及商店等也把安全问题作为重点来抓。目前，市场上虽已售有多种自动拨号报警器，但质量参差不齐，高端产品价格非常昂贵，而低端产品质量和性能很难得到保证。本系统研究的方向是智能化、可扩展、性价比高的智能语音报警系统。本系统立足于人性化的交互管理，个性化的保密设置，以及应用语音频谱分析技术，具有极高的安全性能。本系统是一个基于PSTN（公共电话网），以微处理器为控制器的智能语音报警系统，可分为核心控制台和报警传感外设两部分。控制台的核心部

2、分包括两片单片机，其中凌阳SPCE061单片机处理语音部分以及控制电话机的工作，而89C51单片机则负责处理传感器信号、与凌阳SPCE061单片机进行双机通信以及报警显示等。由于系统采用了无线传输技术，大大地扩展了使用范围。报警传感外设可以应用不同的传感器，比如气体传感器、红外传感器、磁感应装置、烟雾传感器、温度传感器、热敏传感器等，以适应不同的用户需求。系统采用了DTW方法的语音识别技术，识别率可以达到94%，而且用户可以设定个性口令信息，极大地提高了安全性能。PSTN（公共电话网）是整个系统的通讯平台，保证了监控系统与用户间的实时信息交互。本系统实时性好、误报率低、抗干扰能力强，基本达到了

3、产品化的要求。因此应用范围非常广泛，具有广阔的市场开发前景。关键字 公共电话网（PSTN） 单片机 传感器 语音识别及提示0.前言随着物质生活水平的不断提高，人们对自己的个人安全和家庭财产安全、公共场所安全等越来越重视，安全已成为一种市场需求；同时经济的飞速发展伴随着城市流动人口的急剧增加，给家庭住宅、办公室、商店等防控增加了新的难题和提出了新的课题，传统的人防物防形式已经难以适应社会形势发展的需求。科学技术的进步和普遍应用，进一步推动了智能化社区和智能化商店的建设步伐。建立智能语音报警系统，是应对目前日趋复杂的社会形势尤其是对入室盗窃、抢劫案件、火灾、煤气中毒以及爆炸等进行层次性和综合性解决

4、的最佳方式和重要手段，是编织社会化防范网络，建设平安宁波，平安中国的实际需要；是整合治安防范资源，提升国家城市防控水平，促进安全技术防范管理工作可持续发展的有效途径；智能语音报警系统突破了传统的技术防范的概念，为建立一体化的新型家庭、办公楼、商铺防控体系提供了有效的平台；是新时期家庭、办公楼、商铺防控的最佳人机结合形式，可有效提高防控的科技含量和社会含量，发展前景广阔。目前市场上的高端电话报警产品虽然在质量，可靠性方面做地比较好。但是其产品价格昂贵，一般在一千元左右，常常让普通老百姓望而却步。而低端产品在质量，稳定性方面存在诸多问题。有少部分的市区家庭、中小型商铺购买安装了简易防盗报警装置，将

5、报警信息发送到自己指定的电话或者遥控器，由于质量不稳定，没有采取有效的误报警防范措施，且报警信息又得不到有效的分析过滤，处警也得不到有效保证，因此常常发生误报现象，防盗、防火效果不理想。并且，目前市场上的产品，无论是低端的还是高端的都缺少人机交互的功能，普通老百姓对名目繁多的功能键无可奈何，无法体现现代生活的智能化要求。根据仅仅是防患于未然的这种心理需求，防盗报警器在300元以下的价位才能平衡这种心理需求。所以，我们开发防盗报警产品的原则是：即便是在300元以下的价位到了终端用户手里，也应该给中间商留有足够的利润空间。而一般能达到电话自动拨号报警的产品仅出厂价就在300元左右了。同时，本系统采

6、用语音频谱分析技术，语音播放清晰以及能接收并分析用户的语音，与用户进行交流，这样做既提供了友好的人机交互界面，使用户能够方便地使用，也检测了用户的身份保证了系统安全性。此外，系统在报警信号接收方面作了许多改进，提高了整个系统的性能，具有广阔的市场前景。1.性能指标1.1电气特性：1) 系统的核心控制台的额定工作电压是6V，额定功耗小于30mW。2) 16*2背光LCD，能直接显示工作状态。3) 四节防暴备用电池，断电情况下可维持正常工作7天。1.2功能特性：1) 具有防火、防盗、防煤气中毒等功能。2) 具有对氢气、酒精、一氧化碳、甲烷等易燃易爆气体浓度超标预警的功能。3) 具有本地显示报警状态

7、和等级的功能。4) 能对远程用户提供语音信息报警服务。5) 利用无线传播技术，对传感器信号进行无线传输，工作频率为315MHz，有效工作距离最远可达100m。1.3传感器性能特性：1) 气敏传感器MQ7最高加热电压为5V，最低加热电压为1.4V，额定工作电压为5V。2) 能检测的一氧化碳的浓度范围为20ppm2000ppm。3) 热释电红外的探测距离能达到6米以上，角度约为45度。1.4语音交互特性：1) 客户可自行方便地更新口令。2) 采用DTW方法实现语音识别功能，识别率可达94%。3) 基于公共电话网通讯平台，实现系统与用户间的实时信息交互。4) 语音密码验证以及语音设防、布防。2.系统

8、设计方案比较 方案一：以下框图是基于总控制台和专业的语音存储芯片的一种应用方案，在传统的具有语音提示功能的报警产品中应用较为广泛。在这里一般采用单片机来作为总控制台，周围配置上必要的模块，比如报警模块、显示模块和传感器信号接收及解码模块等。此方案的技术虽然已经很成熟，但是具有很大的局限性，比如系统的语音功能非常的有限，缺少交互性，而且极不容易扩展和更新。 方案二：下面是方案二的总体框图，本系统框图的核心是总控制中心，它是整个系统信息处理的部分，也是系统的中心枢纽。总控制中心主要包含两片功能不同的单片机，其中8位的51单片机主要负责传感器信号的采集与处理，以及与凌阳16位单片机的双工通信，而凌阳

9、主要用于语音信号的处理。此方案的另一特点是采用了无线传输技术。 3.方案比较和确定本系统研究方向的特点是突出交互性、智能化以及高安全性，因此需要对大量的语音信号进行处理以及语音的频谱分析。从上面的两种方案来看，第一种方案的优势是技术以及工艺相当的成熟，可能造价会较低，但是它的最大的劣势是扩展很有限，交互性不好；而第二种方案是在传统理论上的创新以及大胆采用新技术，总体优势比较明显，总体性价比高，系统可维护性好。为此我们采用了第二种方案，这是我们的研究成果。4.系统总体框架描述第二种方案是我们的创新。基于第二种方案，本系统功能简单描述如下。本项目是基于公共电话网（PSTN）的智能语音报警系统。它可

10、以利用前端的各类传感器进行环境状态的检测（比如用于检测一氧化碳等有毒气体的气敏传感器、门磁传感器、红外热释等），一旦发现异常就实时的通过无线传输技术传输到以51单片机为核心的控制中心，51单片机立即与凌阳十六位单片机进行双工通信，达成一定的协议，然后由51单片机控制改装的本地电话机自动摘机以及拨号（预先设置的多个号码）并实时监控PSTN上的信令信号，假如远程用户摘机，立即触发凌阳十六位单片机，然后由凌阳十六位单片机的语音模块进行语音提示。假如远程用户未摘机，则呼叫备用号码，直至报警信息得到对方响应为止。本系统还可以通过电话进行远程控制、设定和查询。当远程查询电话拨入时，系统检测到振铃信号后，由

11、凌阳十六位单片机控制摘机，并播放语音信息要求对方进行密码验证，验证通过后方可进行远程的控制台操作，假如连续两次密码验证失败，系统将会自动挂机。5. 硬件模块设计5.1 89C51单片机模块设计核心控制台是基于89C51单片机和凌阳单片机，更以51单片机为主，此单片机作为信息处理总台，需要处理传感器输入信号、控制液晶输出、自动拨号、输出报警信号及与凌阳单片机间的双工通讯。系统总控制中心局部图如下（图3）。 一旦89C51单片机检测到异常情况，循环检测其P3口确定情况是否属实，一旦确定之后，控制继电器进入拨号阶段，同时通知凌阳十六位单片机（我们选用的是SPCE061A EMU BOARD，以下就简

12、称为“61板”）。外部蜂鸣器发出警报声，报警指示灯闪烁，LCD则根据单片机检测到的信号不同显示出不同的报警类别和等级。拨号电路模块是采用4066模拟开关和电话机的拨号盘电路，51单片机的P1口七个口分别通过4066控制矩阵列的4行3列，可以识别0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、*、#十二个键，足够普通拨号和功能键的设置使用。具体电路可参见附录一的总电路图。两个单片机之间信号的传输和合作是本设计的核心和难点，直接关系到整个控制台的能否正常运行以及运行性能的好坏，因此有很重要的意义。所幸两个单片机的双工通信的功能实现基本上由软件来实现，因此在硬件连线上显得简单，但是具体接口间的连接，两者的兼

13、容性等问题还是应该注意的。两者具体连线见表1：表1：89C51与61板通讯连线表89C51状态作用SPCE061状态P3.0输出报警类型（低位）PA.4输入P3.1输出报警类型（高位）PA.5输入P3.4输入表示继电器已切换PB.13.输出P3.5输出报警触发或电话接通确认信号PA.10输入 表2：89C51通讯连线表89C51作用状态P0液晶数据信号输出P1.0控制蜂鸣器输出P1.1-P1.7控制拨号输出P2.5P2.7液晶控制信号输出P3.6P3.7传感器报警信号输入输入5.2 SPCE061A凌阳单片机模块设计语音控制台的核心是凌阳十六位单片机，也是整个系统技术核心。凌阳十六位单片机负责

14、处理语音信息和各种控制信号，具体见功能图（图4）。由于凌阳单片机（特别是61板）在处理语音方面具有一定的优势，特别是它所具有的低功耗这一特点，对于本系统需长时间工作具有很大的优势，能更好的保证整个系统的稳定性。公共电话网电话机系统电源控制摘机信号51单片机凌阳单片机DTMF信号语音提示摘机图4 以凌阳单片机为核心的框图由于凌阳单片机功耗低，2.6V以上的电源就可以使它正常工作，因此，选择凌阳作为整个系统的电源控制芯片，这样，就可以在不需要系统的时候尽量节约电。只需往凌阳用语音输入触发命令即可控制系统电源开关，比如“开机”、“关机”来控制，简单易用。由于此部分的重点是软件部分，包括各种语音的处理

15、，频谱分析以及与51单片机的通信协议等，详细内容见软件流程图以及附录中的整个程序。下面简要介绍一下语音系统的原理。5.3语音系统语音识别以及语音的播放是本系统比较特色的部分。5.3.1语音识别基本原理语音识别系统本质上是一种多维模式识别系统，基本结构如图5所示识别系统。语音识别系统与一般的模式识别系统类似，包括特征提起、语音模式库、模式匹配3个基本单元。预处理特征提取模式匹配后处理语音模式库输入语音识别初步识别结果识别结果训练 图5 语音识别系统的基本结构1) 预处理预处理包括预加重、反混叠滤波、模/数转换、自动增益控制等处理过程，用以去除声门激励、口鼻辐射、高于1/2采样频率的高频和噪声信号

16、的影响，实现语音信号的数字化。在语音识别中，预处理还包括在生声学参数分析之前正确选择识别基元的问题。2) 特征提取经过预处理后的语音信号，要对其进行特征提取，即特征参数分析。该过程就是从原始语音信号中抽取出能够反映语音本质特征参数，形成特征矢量序列。可选择的语音特征参数具体如下：时域参数 包括短时平均过零率、短时平均幅度或短时平均能量、基音周期。短时平均过零率和帧能量用于检测语音端点，基音周期则用于清/浊音分类和汉语的声调识别。频域参数 包括短时频域（有1030个通道滤波组的平均谱、DFT频谱、模仿人耳听觉评率特征的MFL谱等）、前3个共振峰（有幅度、频率、带宽）、倒谱、线性预测系数、PARC

17、OR系统(偏自相关系数)。其他参数 包括声道的形状函数（用于求取讲话者的个性特征）、随机模型（即隐马科尔夫模型）的概率函数、矢量量化的矢量。超音段信心函数 包括音长、音调、音色等。欲选择抽取的参数不仅与所采用的识别方法有关，而且还与识别率和复杂度之间的约束有关。特征的选择对识别效果来说至关重要，其衡量方法是特征间的距离量度。选择的标准应体现对异音字特征间的距离尽可能大，而各同音字间的距离尽可能小。若以前者距离与后者距离之比为优化准则确定“目标量”，则应使改量最大。同时，还要考虑特征参数的计算量，应在保持高识别率的情况下，尽可能减少特征维数，以利于减小存储要求和实时实现。3) 语音模式库语音模型

18、库即声学参数模板。它是用聚类分析等方法，从一个讲话者或多个讲话者的多次重复的语音参数，经过长时间的训练得到的。4) 模式匹配将输入语音的特征参数同训练得到的语音模式库进行比较分析，从而得到初步识别结果。根据模式识别方法的不同，用于语音识别系统时有统计模式识别法和句法模式识别法两类。统计模式识别法 是目前采用最多的识别方法。该方法建立在最大似然决策贝叶斯判决基础之上，大致的识别过程是：首先，提取语音的特征，并训练识别用的参数模板；然后，利用可以衡量未知模式和参数模式（即模板）的似然度来测度函数；最后，选用一种最佳准则及专家知识作为识别决策，对识别候选者作最后判决，得到最好的识别结果作为输出。句法

19、模式识别 类似于文章中的句法分析。它不仅应用于语音识别，还广泛地应用于手写文字及图像的识别上。句法模式识别系统的原理如图6所示。首先，对语音信号进行结构分析，由阶层式的分模式构成模型，这就是对象模式。输入的语音信号经过预处理后，对此信号作模式的描述，然后对此输入模式作模式分析，检查输入模式与识别对象的模式的结构是否相同或在某范围内结构一致，由此判定输入模式就是某种对象模式，从而得到识别结果。预处理模式描述模式分析后处理输入语音语音识别初步识别结果识别结果生成规则模式采样图6 句法模式识别原理图5) 后处理在大词汇量连续语音识别系统中，为了抬高识别正确率需要使用语言模型，利用语音识别单位之间连接

20、时的相互制约的关系，采取统计方法与语法相结合的方法建立语言模型，达到限制识别器译码时的自由度，提高系统的性能。目前后处理在嵌入式语音系统中还很难使用。5.3.2语音识别关键步骤1) 语音识别中特征提取特征提取是语音识别的第一步（也称前端处理）。利用一组滤波器来分析语音信号的频率，是最早应用的频谱分析法之一。这种方法使用简单，实时性好，受外界环境的影响小，所以至今仍是频谱分析的常用方法。其原理图如下（图7）：滤波器 LFnfn语音输入滤波器 LFnfn滤波器 LFnfn滤波器 LFnfn 图7 带通滤波器组原理图2) Mel频率倒谱系数Mel频率倒谱系数MFCC(Mel Frequency Ce

21、pstrum Coeficient)是语音信号的频域参数，它也称为临界倒带谱系数。首先用傅立叶变换将时域信号变换成频域信号，然后在频域内按照下表（表3）的临界频率和带宽选取数字滤波器，并在频域内进行计算处理，然后通过反傅立叶变换得到Mel频率倒谱系数。表3 临界频率编号中心频率/Hz频率范围/Hz带宽/Hz编号中心频率/Hz频率范围/Hz带宽/Hz15020100801318501720200028021501002001001424502000232032032502003001001525002320270038043503004001001629002700315045054504005

22、10110173400315037005506570510630120184000370044007007700630770140194800440053009008840770920150205800530064001100910009201080160217000640077001300101170108012701902285007700950018001113701270148021023105009500120002500121600148017202402413500120001550035003) 语音信号的矢量量化矢量量化VQ（Vector Quantization）是一种及其

23、重要的信号压缩方法，特别是在对低速语音编码和语音识别的研究中。量化分为两大类：标量量化和矢量量化。矢量量化的过程是将语音信号波形k个样点的每一帧，或有k个参数的每一参数帧，构成k维空间中的一个矢量，然后对这个矢量进行量化。原理图如下（图8）： XiK维输入矢量信道或存储器计算最小距离min d(Xi,Yj)找到相应角标jmin从码书中找出Yjmix码书Yjj=0,1,M-1失真测度共识码书Yjj=0,1,M-1K维重构矢量Yjjmixjmix 图 8 矢量量化器的原理图5.3.3 语音系统实现过程本系统采用特定人语音识别是指语音模板由单人训练,对训练的语音命令识别准确率高,而其他人的语音命令识

24、别的准确率较低或者不识别。采用凌阳SPCE061A提供的语音识别的API函数库实现。1) 语音采集凌阳的SPCE061A 是16 位单片机，具有DSP 功能，有很强的信息处理能力，最高时钟可达到49M，具备运算速度高的优势等等，这为语音的播放、辨识提供了条件。语音采集通过麦克风输入，其电路图如下（图9）： 2) 语音识别下图是简化的语音识别原理图（图10），辨认特定的使用者即特定语者(Speaker Dependent，SD)模式，使用者可针对特定，语者辨认词汇(可由使用者自行定义)。 语言模式识别结果理解结果声学模式训练复杂声学、言语条件下的语音输入语音处理语音匹配语言模式语音模式训练 图1

25、0 简化的语音识别原理图 特定语者辨识SD（Speaker Dependent），即语音样板由单个人训练，也只能识别训练某人的语音命令。图11是语音辨识的一个整体框图，框图中的函数是凌阳单片机提供的。调用训练模块TrainWord(intWordID, intRespondID)初始化BSR_DeleteSDGroup(0) 辨识部分辨识处理BSR_GetResult()启动实时监控BSR_EnableCPUIndicator()初始化识别器BSR_InitRecognizer(BSR_MIC) 图11 语音辨识的整体框图3）语音录放用凌阳Compress Tool 事先把所需要的语音信号录制

26、好，本系统共包括近二十个语音资源，整个语音信号经凌阳SACM_S480 压缩算法压缩不到20K 存储空间，SPCE061A 单片机具有32k 闪存，使用内部flash 即可满足要求。凌阳SPCE061A 单片机自带双通道DAC 音频输出， DAC1、DAC2 转换输出的模拟量电流信号分别通过AUD1 和AUD2 管脚输出， DAC 输出为电流型输出，所以DAC 输出经过SPY0030音频放大，以驱动喇叭放音，放大电路如图12，这为单片机的音频设计提供了极大方便。在它们后面接一个简单的音频放大电路和喇叭即可实现语音播报功能。这里需要说明一下，由于我们选用的是凌阳单片机的开发板，一些基本的硬件电路

27、已经集成在开发板上，所以语音系统实现过程主要通过软件实现，具体设计参见软件部分。5.4系统与PSTN的接口本系统所有与外界相关联的通讯均以电话为媒介，我们利用单片机检测电话线上的信号来得到控制信号，从而控制整个系统的运行。5.4.1接口实现公共电话网上的信号是一种悬浮信号，电话使用的是悬浮地，因此，电话信号一旦与其他地连接，由于其地端参考点不同，就不能工作在正确状态，信号会被迅速衰减，我们也就无从得到正确的信号。为了解决这一问题，我们在实验过程中曾尝试了几个不同方案，比如用变压器、电池供电、稳压整流等等，最终考虑到系统整体，采用光电耦合。电话线上平时有50伏左右的直流电压，但是这个电压还不足以

28、驱动整流电路的光电耦合；有振铃信号到来时，电话线路上有90伏振铃信号，经过整流及滤波后，驱动光电耦合器，如图13所示。有振铃信号时，输出为低电平，无振铃时为高电平，CPU以此来来判断有无振铃及振铃次数。当整个系统处于工作状态时，有电话打入振铃信号从电话线进入整流电路，经光耦后输入到凌阳单片机。凌阳控制自动摘机，接通电话。这时拨打者可听到语音提示输入密码，输入正确密码并确认后，进入主菜单操作，用户这时可以通过按不同的功能键查询不同的信息，同时也可以修改密码。查询结束退出后，系统又进入待机状态，检测报警信号和等待电话查询。电话拨出当51单片机检测到异常情况时，随即启动自动拨号程序，同时把这一情况告

29、之凌阳单片机，确认电话接通后马上进行语音报警；如若遇到号码接不通的情况，一定时间后自动挂断，并开始拨打存储在ROM中的下一号码，循环往下直至打通为止。5.4.2信令标准根据国家标准，电话主要铃声有以下几种：铃流 铃流用来呼叫被叫用户。铃流为253Hz正弦波，谐波失真不大于10，输出电压有效值90正负15V，振铃采用5s断续，即一秒送，4s断，断、续时间偏差不超过10。拨号音 用来通知主叫用户可以拨号。拨号音采用频率为45025Hz的交流电源，发送电平为-103dBm，是连续的信号音。回铃音 表示被叫用户处于被振铃状态，采用频率为45025Hz的交流电源，发送电平为-103dBm，它是5s断续的

30、信号音，即1s送，4s断，与振铃音一致。忙音 表示本次接续遇到机线忙或被叫用户忙，采用频率为45025Hz的交流电源，发送电平为-103dBm，它是0.7断续的信号音，即0.35送，0.35断。久叫不应90s后送忙音。催挂音 它是由测量台发送给久不挂机用户的信号，其目的是通知用户挂机，采用频率95050Hz的交流电源，发送电平为025dBm，发送连续信号音，响度变化分五级，由最低级逐步升高。电话的各种铃声的判别用单片机处理，经过整形电路，根据各种铃声的不同通断时间，得到不同占空比的信号，即可获得相应处理。具体见89C51单片机部分。5.4.3铃流整形电路电话的各种铃流可以利用整形电路（本设计采

31、用以LM567为核心的锁相环鉴频电路）得到不同占空比的TTL信号，其中有铃声时有此信号，无铃声时一直为高电平，因此总体上说是不连续的波形信号。整形电路见图14。将这种波形送入单片机进行判断，就能实现各种功能。5.4.4自动拨号模块拨号电路，通过测试，电话机的键盘拨号原理是一个二维矩阵，用一个二维向量表示一个按键，如图17例如按键1为A,E，按键2为B,E芯片是通过检测A E，B E是否导通来检测键1和键2的状态，其他按键的检测同理。若A E导通,则表示键1按下。机械按钮的导通原理是手动按下，令其导通（如图15）。按此原理，我们设计了用模拟电子开关来代替机械的按键接通。模拟电子开关的大致原理如下

32、（如图16）：Ac是控制端，用TTL电平就可以控制。当Ac为低电平时,A E相当于断开,当Ac为高电平时,A E导通。AcEA模拟开关AEAc图15 机械按钮原理图 图16 模拟电子开关原理图整个键盘如图17所示,芯片原理连接图如图18所示。E F G321ABCD654987#*0 图17 键盘工作原理图E F GFcGc Ec 模拟开关ABCDCc Dc Ac Bc 模拟开关全部接通图18 模拟电子开关键盘根据上面两个图列出如表4所示按键与控制端的编码对应关系表4 按键编码表Ac Bc Cc Dc Ec Fc Gc 按键Ac Bc Cc Dc Ec Fc Gc按键1 0 0 0 1 0 0

33、10 0 1 0 1 0 071 0 0 0 0 1 020 0 1 0 0 1 081 0 0 0 0 0 130 0 1 0 0 0 190 1 0 0 1 0 040 0 0 1 0 1 000 1 0 0 0 1 050 0 0 1 1 0 0*0 1 0 0 0 0 160 0 0 1 0 0 1#用单片机控制 Ac Bc Cc Dc Ec Fc Gc便可以实现自动拨号。5.5液晶显示模块液晶显示应用16*2的字符型LCD LC1621，用来实时显示前端传感器的监控状态，并能实时的显示报警信息。LCD作为系统报警的一个部分，是了解报警类型和等级的最直观的“窗口”，它的功能的实现必须完

34、全依托于89C51单片机中的LCD的显示协议。所以这部分的设计的重点是软件部分，而硬件方面相对来说比较的简单，只要根据下面提供的LCD管脚功能表进行连接（表5）。表5 LC1621的管脚功能表 PinSymbollevelfunction1VSS0VGND2VDD+5VPower supply for logic3VO-Operating voltage for LCD4RSH/LH:DataL:Instruction code5R/WH/LH:ReadL:Write6EH,H-LEnable signal7DB0H/LIn 8-bit bus mode,used as loworder bi

35、directional data bus,In 4-bit bus mode,open thesepins8DB1H/L9DB2H/L10DB3H/L11DB4H/LIn 8-bit bus mode,used as highorder bidirectional data bus,In 4-bit bus mode,used as bothHigh and low order data bus12DB5H/L13DB6H/L14DB7H/L15LEDA+5VPower supply for LED backlight 16LEDK0V5.6双音多频（DTMF）模块远程电话接入时的工作状态查询

36、和密码修改等操作都是借按键实现的，因此，需要专门的DTMF解码芯片来识别。本系统使用的HT9170B是综合了数字解码器和和多带滤波器功能的双音频（DTMF）接收器，可工作在下电模式和抑制模式。它把16倍的DTMF音频解码，转化为4位代码输出，内置高精度转换电容滤波器把音频（DTMF）信号分离为高频信号和低频信号，具体转换见表4，外围电路见图19。表6：DTMF数据输出表低通（Hz）高通（Hz）数字OED3D2D1D069712091HLLLH69713362HLLHL69714773HLLHH77012094HLLLL77013365HLHLH77014776HLHHL85212097HLHH

37、H85213368HHHLL85214779HHLLH94112090HHLHL9411336*HHLHH9411477#HHLLL6971633AHHHLH7701633BHHHHL8521633CHHHHH9411633DHHHLL-ANYLZZZZ5.7传感器外设传感器（transducer/sensor）是指能够受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件（sensing element）指传感器重能直接感受（或响应）被测量的部分，转换元件（transduction element）指传感器中能将敏感元件感受（或响应）的被测量转换成适于传输和（或）测量的

38、电信号部分。传感器一般按将外界输入的信号变换电信号采用的效应分为三类：利用物理效应进行变换的物理传感器；利用化学反应进行变换的化学传感器；利用生物效应进行变换的生物传感器。5.7.1传感器概述传感器是本系统前端的主要部分，本系统可以在传感器方面选择气敏传感器、热敏传感器、光传感器、温度传感器、门磁传感器、红外传感器等等。因为篇幅的原因，在以下只介绍两种比较典型的传感器。5.7.2气敏传感器气敏传感器选用的是能感应氢气、一氧化碳、甲烷、酒精等可燃气体MQ7气敏传感器。以下是其典型电路图（图20）。以上传感器的两条线是用来加热电热丝的，随着电热丝的发热，一旦感应到对其敏感的气体，另两个脚之间的电阻

39、将会变小，而且这种变化将是类似的线形的。从而根据在RL电阻的两端的电压与电压比较器LM339来比较，产生高低电平。再利用以下的无线收发模块来传感前端检测到的信号。经过多次的实验测试，本模块的总体性能还不错，但是也有些许的不如意之处，首先，模块受外界的干扰比较大，加热的电源的电压、加热的时间和湿度都有一定的影响。但是考虑到应用范围大多是在住宅的厨房，周围环境的变化并不是很大，所以还是具有一定的实际应用性。5.7.3热释电红外传感器热释电红外传感器是一种能检测人体发射的红外线而输出电信号的传感器，它能组成防入侵报警器或各种自动化节能装置。实质上热释电传感器是对温度敏感的传感器。它由陶瓷氧化物或压电

40、晶体元件组成，在元件两个表面做成电极，在环境温度有T的变化时，由于有热释电效应，在两个电极上会产生电荷Q，即在两电极之间产生一微弱的电压V。由于它的输出阻抗极高，在传感器中有一个场效应管进行阻抗变换。热释电效应所产生的电荷Q会被空气中的离子所结合而消失，即当环境温度稳定不变时，T=0，则传感器无输出。当人体进入检测区，因人体温度与环境温度有差别，产生T，则有T输出；若人体进入检测区后不动，则温度没有变化，传感器也没有输出了。所以这种传感器也称为人体运动传感器。传感器不加光学透镜(也称菲涅尔透镜)，其检测距离小于2m，而加上光学透镜后，其检测距离可增加到10m左右。以下是我们热释电红外应用的电路

41、图（图21）。 5.8无线传输技术以及编解码本模块是此系统的亮点之一。此模块的最大特点是非常出色的解决了原来应用范围偏小以及受周围环境影响较大的难题。无线收发模块是利用315MHZ的业余频段，并利用2262、2272的编解码电路，此种设计的优势是由于采用了编解码电路，所以在抗误码方面相当的出色。而采用无线收发模块在空阔地带可以做到50-100M的通信。DF发射模块未设编码集成电路，而增加了一只数据调制三极管Q2（如图22）,这种结构使得它可以方便地和其它固定编码电路、滚动码电路及单片机接口，而不必考虑编码电路的工作电压和输出幅度信号值的大小。比如用PT2262或者SM5262等编码集成电路配接

42、时，直接将他们的数据输出端第17脚接至DF数据模块的数据端即可。 如果接收端用PT2272或者SM5272解码时，可以将DF接收模块的数据输出端直接接PT2272或者SM5272的第14脚， 如果利用单片机的软件解码可 以省略解码芯片，使系统的硬件得以简化，但是要考虑单片机的时钟频率的倍频会对接收模块的干扰，比如单片机应离开接收模块，降低单片机的工作频率，中间加入屏蔽等，更应该避免共用一条地线（接收模块电路如图23）。6.2 89C51单片机的软件模块（图26）注：左图中系统通电中的系统指的是除61单片机以外的所有外围电路通电。系统通电51开机初始化液晶已 摘机严重超时，电话信道不通不成功拨号

43、液晶显示拨号成功对方未摘机检测回铃音超时重拨对方 已摘机未摘机液晶显示对方已摘机，即线路也接通传送报警种类及线路接通信号给61液晶显示拨号完成液晶提示开机信息等待报警信号无信号不成功采集并记录报警类型成 功液晶提示报警开始等待61摘机信号有报警 信号 图 26 89C51单片机软件模块框图7.系统测试7.1系统功能测试系统功能测试是关系到整个项目完成情况的实质性阶段，也是检验系统软硬件兼容情况良好与否的必经之路。下面是对系统的一些测试过程的简单描述，里面包括各个环节的操作流程。1、 系统语音训练测试1） 电源开启；2） 凌阳单片机开发板（61板）开始工作，并通过扬声器第一次发声“请输入触发名称

44、”；3） 操作者应答，比如“SUPER FIVE”；4） 凌阳单片机开发板（61板）通过扬声器第二次发声“请输入触发名称”；5） 操作者再次应答，必须要同第一次的回答内容以及语调语术等都一样；6） 如果顺利通过，凌阳单片机开发板（61板）则通过扬声器发声“请输入开机命令”；7） 操作者初始化开机命令，比如“请开机”；8） 凌阳单片机开发板（61板）通过扬声器再次发声“请输入开机命令”；9） 操作者再次应答，“请开机”10） 如果顺利通过，凌阳单片机开发板（61板）则通过扬声器发声“请输入关机命令”；11） 操作者初始化关机命令，比如“请关机”；12） 凌阳单片机开发板（61板）通过扬声器再次发

45、声“请输入关机命令”；13） 操作者再次应答，“请关机”；14） 以上过程如果在哪里出现异常，凌阳单片机开发板（61板）通过扬声器会提醒“请再说一次”，操作者则根据语音提示继续训练。2、 系统启动测试1）电源开启；2）凌阳单片机开发板（61板）正常通电，等待语音开启命令；3）操作者命令，“SUPER FIVE”；4）如果操作者通过命令验证，凌阳单片机开发板（61板）回答“在”；如没有通过验证，则没有反应；5）验证通过后，操作者命令：“请开机”； 6）凌阳单片机开发板（61板）应答“开机”，并开启外围电路及89C51单片机的电源，然后89C51启动，初始化液晶并显示等等。3、 电话报警测试1）传

46、感器检测并确定到有异常情况；通过无线发射部分，向89C51单片机发送编码信号；2）89C51单片机检测到报警类刑解码信号后，触发凌阳单片机，同时经过处理发出警报信息，液晶显示报警状况以及等级等等相关信西。3）凌阳单片机控制摘机，并通知89C51单片机摘机过程完成；4）由89C51单片机自动拨打存放的第一个号码，若打不通，则继续拨打另一个号码；5）被拨打的远程电话接通后，89C51单片机通知凌阳单片机，由凌阳单片机开发板（61板）发送语音警报类型以及等级；6）语音信息发送结束后，远程用户可选择输入密码进行相关功能的设置，否则直接挂机，本地系统由凌阳单片机完成挂机。4、 电话查询测试1）有远程电话

47、拨入；2）凌阳单片机开发板（61板）检测到相关信息并自动摘机；3）系统通过电话网向远程用户进行语音提示：“请输入密码”，等待用户输入；4）系统校验用户所输入的密码，如正确，则进入查询状态5），如不正确，则要求再次输入；若对方两次密码验证均失败，则系统自动挂机；5）若密码验证通过，则用户可按功能键进行选择，系统通过语音信息提供对方所要查询的信息及相关功能设置；6）查询结束，远程用户按退出键或直接挂机，本地系统皆能自动挂机。5、 密码修改测试1）有远程电话拨入；2）凌阳单片机开发板（61板）检测到相关信息并进行自动摘机；3）系统通过电话网向远程用户进行语音提示：“请输入密码”，等待用户输入； 4）

48、系统校验用户所输入的密码，如正确，则进入查询状态5），如不正确，则要求再次输入，若对方在指定时间内未输入密码或两次密码验证均失败，则系统自动挂机；5）若密码验证通过，用户可根据语音提示信息进入密码修改菜单；6）输入新密码，确认，再次输入新密码，确认；7）若两次输入一致，则系统语音提示新密码已生效；通过以上测试，系统已能实现其基本功能，且运行状况良好。7.2系统指标测试由于实验设备以及环境的限制，以下的指标有一定的误差性，请原谅。这也是我们整个系统在以后的完善过程中的重点课题，1） 气敏传感器MQ7对氢气、一氧化碳浓度的敏感度最高，其次是对于甲烷等气体。（由于仪器设备的缺乏，我们没有具体测出在系

49、统中设定的各个等级的明确浓度，只是定性的进行实验以及验证）。2） 热释电红外的传感器模块能检测到人体进入的最远距离为145厘米，能监控到的范围可达到40几度。加了菲涅尔透镜后，距离明显变大，能检测的距离可达670厘米左右。3） 测得整个系统的额定功耗稍小于30mW。4） 报警时系统最大的总工作电流为180mA。5） 回铃音经过RC滤波，得到了矩形波。测得的频率为450赫兹左右，最低电压为0V，峰值为4.8V，可以分别代表为数字电路中的0和1，这样就可以被单片机所识别。6） 电子模拟开关的导通电阻是60欧姆，断开时是无穷大。8.结束语该系统在传统的基于PSTN的电话报警器的基础上，作了相当大的改

50、进。其最大特点是，具有语音提示和语音报警功能，并采用语音频谱分析技术，能够接收用户的语音命令，从而使整个系统呈现出独有的人性化的特点。系统还采用了无线电传播技术，使前端传感器与系统控制中心分离，这使得用户在整个系统的安装和使用上大为方便。系统备有防暴电池，能够防止他人恶意地破坏系统电源，从而保证了系统本身的安全。虽然在功能上还不够完善，系统整体性能还不够稳定，但是系统中已经实现的功能已经能够满足普通家庭、一般企事业单位的基本需求。除此之外，系统制造成本比较低，能为普通老百姓所接受，因此系统具有很高的开发价值和广阔的市场前景。由于时间所限，系统做得不够完善，希望各位专家提出宝贵意见。参考文献1L

51、awrence Rabiner,Biing-Hwang Juang.Fundamentals of Speech RecognitionM.北京：清华大学出版社，1999 2罗亚非.凌阳16位单片机应用基础M.北京：北京航空航天大学出版社，20033薛钧义，张彦斌等.凌阳16位单片机原理及应用M.北京：北京航空航天大学出版社，20034 张友德，赵志英，涂时亮.单片微型机原理、应用与实验M.上海：复旦大学出版社，20005李晶皎.嵌入式语音技术及凌阳16位单片机应用M.北京：北京航空航天出版社，20036 王涌.电话报警系统的设计.单片机与嵌入式系统应用J.2002(3),58-617 魏立伟,王英健.多功能自动拨号报警与拨号控制装置的研究.电声技术J1999(10),38-418 张哓林.基于电话网络的远程报警装置.信息技术J.2002(1),32-339 才滢,李莉.家用智能电话报警器的设计和应用 .仪器仪表与分析监测J.2001(1),20-2310 曹立进,高敦堂,都思丹,孙宗琪,黄慧鹏.家用自动电话报警系统的设计与实现.微处理机J.2000(3),30-3311 鲁俊生,萧四友,阚先宏,万光毅.智能化电话报警器研制方案.浙江万里学院学报J.2001(3)