Home Smart Safety Alarm System Design Based on NXP LPC2478

作者：唐海 周婷 南京信息工程大学电子与信息工程学院

概述

目前市场上出现的智能报警系统性能较为单一，价格昂贵，一些系统往往是在门窗被破坏的时候才发出警报通知主人或报警中心，且响应都需要一些时间，而时间越久就对家里的财物越危险。安防的最好方法则是当不法分子有入侵企图时就发出语音警报，增加其心理压力，迫使其自动离开，而且当这种方法失效时，还可以通过记录入侵时间，以发送短消息的方式通知主人或报警中心。本方案正是基于此思想，当有人体在门外活动时，热释电红外传感器探测到的信号经专用芯片处理后送给基于ARM7的主控制器 LPC2478，主控制器依据信号时间的长短发出一般提示或警告提示指令，同时警告信息会以短消息的形式发送到户主手机上，以便户主在第一时间报警。该方案智能化高、使用简单，不需要户主进行复杂的操作，十分适合一般家庭的使用。

系统原理

在系统工作前，户主先根据自己家庭所处环境及人流情况，通过键盘设置最佳报警响应时间。当整个系统开始工作后，热释电红外传感器RE200B会对探测范围内的红外信号不断地进行采集，当有人体出现时，经信号处理芯片BISS0001处理后会有一高电平输出给主控制器——基于ARM7架构的LPC2478。当高电平的持续时间在最佳报警时间以内，则系统会对门外人员发出一般语音提示，如“请按动门铃”;当超出最佳报警时间时，系统则会发出警告语音提示，同时开始启动短信发送模块向户主手机发送报警短信，报警短信的等级则会根据超出最佳报警时间的长短一步步升级。LPC2478提供的IIS音频总线接口可以作为一个编解码接口与外部8/16位立体声音频编解码芯片——UDA1341TS相连，从而实现系统的语音报警模块。短信发送模块采用西门子公司的TC35i模块，通过移动运营商的GSM无线网络，由主控制器控制其警报短信的发送。在该系统中采用外接存储单元——SD卡，容量大、价格低，使用方便，正常提示和报警提示的语音信息以及短信的发送内容均预存储在该卡中。采用LPC2478作为该系统的主控制器，可以减少外部芯片的使用，从而使体积减小，功耗降低。

硬件部分

家庭智能安全报警系统的硬件部分主要由报警信号采集和处理模块、主控制模块、语音报警模块、短消息发送模块和预设信息存储模块五部分组成，系统总框图见图1。主控制模块控制其他4个模块的工作，实现系统的功能。



主控制模块采用基于ARM7TDMI—S内核的微控制器LPC2478，集成度非常高。内嵌98K的片内静态RAM和512KB的片内FLASH存储器，片内集成ADC、DAC转换器、看门狗、实时时钟RTC、1个IIS音频接口、3个IIC接口、4个UART接口等资源，方便扩展IIS接口、JTAG调试接口，外扩芯片少，而且采用超小LQFP208封装，整个系统微型化，而且电路简单，降低了开发和生产成本。芯片可以实现最高72MHz的工作频率，功能较强，能够满足嵌入式系统mC/OS-II的要求。

报警信号采集和处理模块主要由热释电红外传感器(PIR)RE200B和红外传感专用处理芯片BISS0001构成。热释电红外传感器利用热释电效应，以非接触形式检测出人体辐射的红外线，并将其转变为电压信号。在实际使用时在传感器前安装菲涅尔透镜，可将检测距离提高到10m以上。针对PIR信号变化缓慢、幅值小的特点，选用了BISS0001红外信号专用芯片，该芯片内部集成运算放大器、电压比较器、状态控制器、延时时间定时器和封锁时间定时器，完全满足红外信号处理需要。RE200B的D、G、S端分别为电源端、地端和目标输出电压端。BISS0001芯片的输出信号VO送至主控制器，供其读取，具体电路见图2。



语音报警模块主要由NXP公司生产的一种支持IIS总线数据格式的音频编解码芯片UDA1341TS组成。IIS是SONY和NXP等公司共同推出的一种主要针对数字音频处理技术和设备的标准接口，它将音频数据和时钟信号分离，从而避免了由时钟带来的抖动问题，系统中不再需要消除抖动的器件。UDA1341TS的IIS总线接口信号线为：位时钟输入BCK、字选择输入WS、数据输入DATAI、数据输出DATAO和音频系统时钟SYSCLK信号线。主控制器LPC2478提供了IIS总线接口发送和接收共两组六根信号线，即IISRX_CLK、IISRX_WS、IISRX_SDA、IISTX_CLK、IISTX_WS、IISTX_SDA，具体电路见图3。



短消息发送模块则由西门子公司的TC35i模块组成。TC35i模块主要由GSM基带处理器、GSM射频模块、供电模块(ASIC)、闪存、ZIF连接器、天线结构六部分组成。为了方便调试，我们购置了一款基于TC35i 的GSM模块开发设备，该开发设备上已经预留出与主控制器进行连接的接线端口即TXD、RXD、GND，只需将这三个接线端口分别与LPC2478的RXD、TXD、GND相连，就可以实现通过主控制器对模块的控制，硬件连接非常简单，可以加快开发的进度。

预设信息存储模块主要由SD卡构成。LPC2478提供了SD/MMC卡主机控制器，因此在设计SD/MMC卡接口电路时，只需将这些接口相应地接到SD/MMC卡座就可以了。SD/MMC接口电路见图4。SD卡有两种工作模式，即SD和SPI模式。在此设计中，我们选择SPI模式，SD卡的SPI通道由以下4个信号组成：CS(片选)、CLK(时钟)、DataIn(主机到卡的数据信号)和DataOut(卡到主机的数据信号)。CS是SD卡的片选信号线，在整个SPI操作过程中，必须保持低电平有效，CLK便于同步，DataIn不但传输数据，还发送命令，同样DataOut除了发送数据外还传送应答信号。SD卡中主要用来存储正常语音和报警语音信息以及预设的报警短消息。整个操作均由LPC2478来控制。



系统程序设计

本系统使用C语言进行编程，全部为模块化设计，系统程序流程图如图5所示。

结语

本文介绍的普通家庭用智能安全报警系统，采用恩智浦半导体(NXP Semiconductors)高度集成的LPC2478微处理器，芯片内部集成IIS接口用于语音处理，SPI接口用于SD卡信息存取，UART接口则用于实现对GSM模块的控制，该款芯片丰富的片上资源，极大满足了设计要求，简化了外围电路。