王勤湧,許明海, 章雙磊

(1.溫州大學(xué) 城市學(xué)院，浙江 溫州　325000; 2.浙江宇視科技有限公司,杭州　310000)

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基于STM32的多網(wǎng)絡(luò)人防警報(bào)終端設(shè)計(jì)

王勤湧1,許明海1, 章雙磊2

(1.溫州大學(xué) 城市學(xué)院，浙江 溫州325000; 2.浙江宇視科技有限公司,杭州310000)

傳統(tǒng)人防警報(bào)系統(tǒng)一般采用單一途徑觸發(fā)方式，實(shí)時(shí)性和可靠性易受限制，據(jù)此設(shè)計(jì)了多種遠(yuǎn)程方式控制警報(bào)的終端，采用STM32作為主控芯片，外圍集成包括移動通訊、固話、有線以太網(wǎng)絡(luò)3種技術(shù)途徑觸發(fā)多種警報(bào)；3種途徑的仲裁采用先到先觸發(fā)的兼容方式，并給出了終端的架構(gòu)及內(nèi)部設(shè)計(jì)運(yùn)行原理，充分發(fā)揮了不同網(wǎng)絡(luò)在不同環(huán)境下的優(yōu)勢，保障了不期災(zāi)害發(fā)生時(shí)警報(bào)的實(shí)時(shí)快速預(yù)警；同時(shí)對狀態(tài)信息進(jìn)行反饋，經(jīng)實(shí)際使用測試，系統(tǒng)穩(wěn)定，實(shí)時(shí)，可靠性強(qiáng)，為破壞性災(zāi)害發(fā)生時(shí)的成功預(yù)警提供了一種可靠方法。

STM32；DTMF；SIM5320E；以太網(wǎng)

0　引言

人防警報(bào)是我國防戰(zhàn)備建設(shè)的重要組成部分，和平時(shí)期主要用于抗災(zāi)救災(zāi)警報(bào)和突發(fā)事故情況下的災(zāi)情預(yù)報(bào)，如水庫洪災(zāi)，火災(zāi)等，戰(zhàn)時(shí)則用于人民防空，可在緊急時(shí)刻預(yù)警人民群眾，周全人們的生命安全和財(cái)產(chǎn)安全。當(dāng)前人防警報(bào)的觸發(fā)多采用人工手動現(xiàn)場觸發(fā)或超短波發(fā)送的方式，形式單一，覆蓋范圍小[1]，在災(zāi)難時(shí)刻警報(bào)觸發(fā)途徑易受限制，往往在危急時(shí)刻并不能完全保障實(shí)效性，因此，設(shè)計(jì)一種實(shí)時(shí)性強(qiáng)，可多種途徑觸發(fā)警報(bào)的系統(tǒng)，不僅節(jié)省時(shí)間，而且避免了現(xiàn)場人工操作的不穩(wěn)定因素，能夠最大限度的爭取可生時(shí)間。

本設(shè)計(jì)采用STM32F103VCT6[2]作為主控芯片，并實(shí)現(xiàn)多種遠(yuǎn)程可控硬件電路觸發(fā)警報(bào)，包括基于DTMF技術(shù)的有線固話警報(bào)方式，基于SIM5320E的2 G/3 G無線通信警報(bào)方式，以及基于NePort-L485的以太網(wǎng)警報(bào)方式，采用多網(wǎng)絡(luò)融合，多種途徑觸發(fā)警報(bào)，并使用先到達(dá)先觸發(fā)的工作模式，充分利用各種網(wǎng)絡(luò)在不同環(huán)境下的特長和優(yōu)勢。

1　終端硬件結(jié)構(gòu)

從功能上看，人防警報(bào)終端包括2 G/3 G模塊功能，以太網(wǎng)模塊功能，電話網(wǎng)絡(luò)DTMF數(shù)據(jù)接收功能，以及鋰電池充電，設(shè)備電源監(jiān)測，防盜功能和警報(bào)監(jiān)測功能，設(shè)備以STM32F103RDT6芯片為中心，在接收到遠(yuǎn)程端發(fā)出的信號后，驅(qū)動警報(bào)器進(jìn)行工作。終端功能結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1　終端功能結(jié)構(gòu)圖

1.1SIM5320E無線通訊電路

SIM5320E是SIMCom公司出品的一款SMT封裝的2 G/3 G模塊[3]，2 G支持4頻段GSM,3 G支持WCDMA 900 Mhz頻段和WCDMA 2100 Mhz頻段，可根據(jù)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)狀況自動切換，結(jié)構(gòu)緊湊，開發(fā)簡便，工作電壓2.5～5.5 V，2.8 V IO電平，外圍只需配置SIM卡電路和天線電路，即可正常工作，與STM32主芯片的通訊需通過電平轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)，如圖2所示。

圖2　SIM5320E與主控芯片連接示意圖

SIM5320E在接收到遠(yuǎn)程端發(fā)送的短信命令后，通過串口將信息發(fā)送至主控芯片，而后主控芯片進(jìn)行識別，所有命令通過AT指令完成。

1.2以太網(wǎng)模塊

模塊為終端設(shè)備的多網(wǎng)融合的一種網(wǎng)絡(luò)傳輸方式，主要接收來自遠(yuǎn)程客戶端的各種指令，并進(jìn)行反饋。

該模塊采用CONEXTOP公司的NePort-485L模塊，NePort系列是CONEXTOP公司于2002年初發(fā)布的一款高度集成,高性能的的嵌入式設(shè)備，較為成熟，擁有10 M/100 M的以太網(wǎng)接口，利用該模塊，任何帶有標(biāo)準(zhǔn)串口的設(shè)備都可以輕松連入以太網(wǎng)，3.3 V供電，與主控芯片串口電平匹配，可無縫連接。

1.3電話網(wǎng)絡(luò)DTMF接收電路

電話模塊包括線路監(jiān)測，響鈴次數(shù)檢測，摘機(jī)電路和DTMF電路四部分組成。

1.3.1 電話線路監(jiān)測

電話線路監(jiān)測電路用來判斷電話線是否處于在位及通路狀態(tài)，電路圖如圖3所示。

圖3　電話線路監(jiān)測電路

RJ11為電話水晶頭插座，DS105芯片用于整流，正常通路情況下，圖中三極管導(dǎo)通，其中ON_LINE信號連接主控芯片，反映了電話通路的狀態(tài)。

1.3.2 響鈴次數(shù)檢測電路

響鈴次數(shù)檢測電路用于判斷響鈴次數(shù)，以便適時(shí)摘機(jī)，電路圖如圖4所示。

圖4　響鈴次數(shù)檢測電路

1.3.3 摘機(jī)電路及DTMF電路

摘機(jī)電路及DTMF[4]電路如圖5，圖6所示。在指定次數(shù)的振鈴之后，主控芯片拉高圖5中的PICK_UP信號進(jìn)行摘機(jī)，而后DTMF電路開始工作。

圖5　摘機(jī)電路及DTMF電路

圖6　DTMF電路

DTMF芯片使用HT9170D芯片，HT9170系列利用數(shù)字計(jì)數(shù)的方法對16種DTMF輸入進(jìn)行解碼，并產(chǎn)生4 bit的代碼輸出，分別對應(yīng)圖6的D0，D1，D2，D3信號，解碼之后DV信號置高，提醒主控芯片接收4 bit數(shù)據(jù)進(jìn)行識別，包括密碼識別和警報(bào)信號類型識別。HT9170D采用5 V供電，但通訊速率不高，因此和主控芯片信號的連接使用簡單三極管電路進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換即可。

1.4其他外圍電路

終端電路還包括設(shè)備電源監(jiān)測電路，鋰電池充電電路，防盜電路和警報(bào)監(jiān)測電路。

設(shè)備終端使用12 V電源供電并使用ADC功能輪詢監(jiān)測供電情況，同時(shí)內(nèi)置8.4 V鋰電池以備在外部供電缺失或受損時(shí)仍能進(jìn)行正常工作，充電電路使用CN3702芯片作為管理芯片，CN3702是PWM降壓模式雙節(jié)鋰電池充電管理集成電路，可獨(dú)立對鋰電池充電進(jìn)行全面自動管理，具有封裝外形小，外圍元器件少和使用簡單等優(yōu)點(diǎn)，最高充電電流可達(dá)5 A，可實(shí)現(xiàn)鋰電池的涓流充電、恒流充電、恒壓充電全過程。

防盜開關(guān)安裝在設(shè)備內(nèi)部，當(dāng)設(shè)備被打開時(shí)，便會觸發(fā)開關(guān)，終端將進(jìn)行記錄并上報(bào)。

警報(bào)監(jiān)測電路使用MIC采集警報(bào)，并使用FFT頻譜分析確認(rèn)開啟的警報(bào)類型，并上報(bào)。

2　終端軟件設(shè)計(jì)

終端軟件主體上也分為三部分：2 G/3 G模塊短信識別程序；以太網(wǎng)程序；電話網(wǎng)絡(luò)程序。主控芯片加載μC/OS-II系統(tǒng)[5]，進(jìn)行設(shè)備的初始化動作，而后采用任務(wù)調(diào)度的方式使3種網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)進(jìn)行工作。

2.12 G/3 G模塊短信識別程序

STM32主控芯片通過串口AT命令"AT+CNMI=2,1"設(shè)置短信提醒功能，新短信到達(dá)后先查找到短信索引index，并使用"AT+CMGRD="將短信內(nèi)容讀取至緩沖區(qū)，同時(shí)刪除短信，而后判斷短信號碼是否有操作權(quán)限，若有授權(quán)，根據(jù)短信內(nèi)容觸發(fā)相應(yīng)警報(bào)，最后使用AT+CMGS="號碼"命令回發(fā)短信表示成功。相關(guān)流程圖如圖7所示。

圖7　短信識別流程圖

2.2以太網(wǎng)程序

NePort-485L以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸模塊主要是把終端設(shè)備的數(shù)據(jù)打包通過有線網(wǎng)絡(luò)推送到目標(biāo)IP地址，并接收來自以太網(wǎng)的各種指令。 NePort-485L為串口轉(zhuǎn)網(wǎng)口模塊，所以對于STM32來說，只需按照串口方式操作相關(guān)協(xié)議即可，相關(guān)流程圖如圖8所示。

圖8　以太網(wǎng)程序流程圖

2.3電話網(wǎng)絡(luò)程序

電話網(wǎng)絡(luò)在檢測到預(yù)定的振鈴次數(shù)后自動摘機(jī)，而后用戶可通過固話輸入操作密碼，密碼驗(yàn)證通過后在10s內(nèi)輸入警報(bào)協(xié)議命令，即可觸發(fā)警報(bào)，相關(guān)流程如圖9所示。

圖9　電話網(wǎng)絡(luò)程序流程圖

3　設(shè)備應(yīng)用情況與總結(jié)

目前該終端設(shè)備已在溫州某地區(qū)批量使用，在一些重要紀(jì)念日、水庫泄洪、臺風(fēng)等預(yù)警中，設(shè)備能夠被移動網(wǎng)絡(luò)、固話或有線網(wǎng)絡(luò)途徑及時(shí)觸發(fā)并驅(qū)動警報(bào)器工作，充分發(fā)揮了不同網(wǎng)絡(luò)在不同環(huán)境下的優(yōu)勢和特點(diǎn)，能夠最大限度的保障人防警報(bào)系統(tǒng)的及時(shí)性和可靠性。為自然災(zāi)害頻發(fā)地區(qū)應(yīng)急救災(zāi)體系的構(gòu)建提供了一個(gè)很好的參考實(shí)例。

[1]劉碧貞，黃華，祝詩平. 北斗在遠(yuǎn)程人防警報(bào)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 自動化儀表，2015,36(4):22-24.

[2]劉純虎,付斌,盛慶華.基于STM32的微型USB—CAN適配器開發(fā)[J]. 計(jì)算機(jī)測量與控制，2013,21(4):996-998.

[3]雷勇,李澤滔.基于3 G的遠(yuǎn)程醫(yī)療服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 自動化與儀器儀表，2013,5, 65-66.

[4]陳為召,魏為民. 強(qiáng)噪聲環(huán)境下的DTMF音頻信號識別[J]. 計(jì)算機(jī)科學(xué)，2014,41(B10):156-160.

[5]丁力,宋志平,徐萌萌,等. 基于STM32的嵌入式測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013(S1):260-265.

[6]易軍凱,羅會明. 基于依存文法的垃圾短信自動識別[J]. 北京化工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013,40(B12): 81-85.

Design of Multi Network Civil Air Defense Alarm Terminal Based on STM32

Wang Qinyong1，Xu Minghai1，Zhang Shuanglei2

(1. City College， Wenzhou University, Wenzhou325000, China;2. Zhejiang Uniview Technologies Co., Ltd. , Hangzhou310000, China )

Traditional civil air defense alarm system is normally a single pathway triggered and real time and reliability are easily Limited. A multi network civil air defense alarm terminal that use the STM32 as the main control chip is designed. It is a variety of remote control alarm terminal, including three approaches for mobile communications, fixed telephone, and Ethernet network technology to trigger alarms. Three ways of arbitration using the first come first served rule. And the terminal architecture and operation principle is proposed to guarantee the rapid and real-time warning alarm when the disaster occurred. The advantages of different networks in different environments are fully obtained and the state information can be feedback. The system is stability, real-time, high reliability through testing. It provides a reliable method for the early warning of the disaster.

STM32;DTMF;SIM5320E; Ethernet

2015-07-20；

2015-08-25。

浙江省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(LZ15F030002)。

王勤湧(1985-)，男，浙江溫州人，碩士研究生，主要從事智能控制方向的研究。

1671-4598(2016)01-0237-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.01.065

TB277

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