基于以太網的文字聲光警示系統設計

陳博敏，衛建華，王 錦

（西安工程大學 電子信息學院，陜西 西安710048）

0 引 言

在安防、交通、建設等現場經常需要進行語音或文字信息的警示，比如安防禁區、道路交通路口或施工現場，可通過語音播報、文字顯示或警示燈等方式進行預警信息提示，以避免事故發生［1－2］.

現有的警示系統較多采用PSTN電話網絡［3］或RS-485總線［4］進行組網，這些組網方式與以太網［5－6］系統相比，以太網系統有明顯的優勢.其次大多數警示系統的警示語音存儲采用ISD4003等專用語音芯片［7］，需要顯示的文字信息通常存儲在專用存儲器中［8］，修改語音及文字信息需要專業人員通過專業設備進行操作，導致這種系統易用性及適應性不高.

本文針對以上系統的缺點，設計了一種基于以太網的語音文字警示系統，采用UDP協議進行數據傳輸，充分發揮以太網通信系統的優勢，將警示文字及語音分別采用TXT文件及MP3文件格式存儲在SD卡中，不同的應用場所只需要簡單地修改SD卡中的相應文件即可，操作簡單方便，存儲數據量大，可適用于不同的應用場合.

1 警示系統組成

警示系統由PC機、中心主機、以太網交換機及分機組成，以太網警示系統組成如圖1所示.其中主機、PC機及交換機安裝在中心值班室，各分機安裝在警示目標位置.各設備之間采用網線連接，若距離較遠，可采用光纖傳輸.PC機上安裝相應的監控軟件，配合數據庫系統可記錄系統數據，方便查詢管理.由于該警示系統對實時性要求比較高，因此采用UDP協議進行系統數據傳輸.中心主機、PC機及分機的IP設置時按照C類網進行設計，最多可支持252臺分機.

1.1 警示分機

警示分機安裝于需要警示的目標單位，其組成圖如圖2所示.警示分機由主控單元、以太網控制器、以太網接口、SD卡單元、按鍵輸入單元、語音解碼單元、功放、MIC、串行接口單元、閃爍警示燈、LED顯示屏及不同類型的探測器等部分組成.系統中所需要的語音及文字警示信息預先存儲在SD卡中，語音信息以MP3格式存儲，文字信息以TXT格式存儲，語音解碼芯片負責對CPU讀取到的語音文件進行解碼輸出，隨后通過功放后進行語音播報；串行接口負責LED顯示屏與CPU之間的串行信號電平轉換，最終可在LED顯示屏上顯示預先存儲在SD卡中的文字信息；以太網控制器配合以太網接口可以完成中心主機到以太網的連接；探測器可選多種類型，如主動紅外入侵探測器、熱釋電紅外線傳感器等［9］，主要負責人員、車輛等入侵行為的檢測.

圖1 以太網警示系統組成

圖2 警示分機組成

警示分機的觸發分為兩種形式，一種是探測器自動觸發，另外一種是人工按鍵觸發.當探測器檢測到有非法入侵時，探測器會向CPU送入報警信號，警示分機隨之會分三個步驟依次做出響應，第一步是將報警數據打包后通過以太網向系統傳輸，第二步是通過串口將SD卡中預置的文字信息在LED顯示屏上顯示，第三步是將SD卡中預置的語音文件通過語音解碼芯片解碼后送入功放進行播報.假設探測器1位于1號警戒區域，當有人非法入侵該區域時，探測器1及時檢測到該次入侵，警示分機將首先通過以太網向中心主機及其他分機傳輸報警數據，其次啟動閃爍警示燈閃爍，同時通過語音播報及文字顯示設備做出響應，LED顯示屏將顯示“警戒區域，立即退回”，隨后語音播報“你已進入警戒區域，且勿前行，立即退回”.人工按鍵觸發警示可在三種情況下使用，一是值班人員發現有異常情況需要警示時，按下相應按鍵，此時語音及文字警示按照預先定義的內容進行播報顯示，比如值班人員發現有接近警戒區域但尚未觸發到探測器時，人工觸發按鍵后分機系統調用SD卡中預先存儲的文字及語音信息，LED顯示“警戒區域，請勿進入”，語音播報“這里是警戒區域，請保持距離”；二是若入侵者觸發自動警示后并沒有退出警戒區，此時值班人員可人工按鍵觸發，LED屏顯示文字“再次警告，立即退回”，語音播報“這里是警戒區域，立即退回，否則后果自負”；三是值班人員發現異常情況后向系統上報報警信息，但語音及文字均不做出響應.分機中的MIC可作為備用措施，當值班人員需要進行某種提示但SD卡庫中并未預置該語音數據時使用.

1.2值班中心

人員進行處理，值班人員可通過按鍵操作發出相應指令，如系統復位等指令.若值班中心由于條件限制無法安裝PC機，則可參考警示分機的組成對中心主機進行配置，將圖2中的探測器及MIC省去，并將功放換為有源音箱即可作為中心主機使用.

由于本系統采用以太網傳輸，因此也可安裝視頻監控系統，可實時對目標區域進行視頻監視，也可共用傳感器實現視頻聯動.

圖3 中心主機組成

2 警示系統芯片選型及電路實現

為了提高本系統的易用性，中心主機及警示分機均采用模塊化設計，以CPU主控單元、以太網單元為核心，根據不同的需求添加SD卡、LED顯示、語音解碼輸出等模塊單元，中心主機與警示分機采用相同的程序代碼，為使用者帶來很大的便利性.

2.1 硬件電路設計

2.1.1 以太網控制器及接口電路選型 本系統采用以太網進行數據傳輸，因此以太網接口電路的設計至關重要，考慮到系統的可靠性、低功耗等需求，因此選用Silicon Laboratories的CP2200作為以太網控制芯片［7］.CP2200是一款針對工業控制領域的以太網控制器，集成了IEEE 802.3以太網媒體訪問控制器（MAC）、10Base-T物理層（PHY）和8kB非易失性FLASH存儲器的單芯片以太網控制器，其8位并行總線接口支持Intel和Motorola總線方式，可以使用復用或非復用方式尋址.CP2200的8kB片內FLASH存儲器，可用于存儲用戶數據、Web服務器內容或作為通用非易失性存儲器.FLASH存儲器的最后6個存儲單元是工廠預編程的唯一的48位MAC地址，這樣可以從大多數嵌入式系統的生產過程中消除必不可少的序列化步驟.CP2200完全兼容100／1 000BASE-T網絡，可以工作在全雙工或半雙工模式，具備自適應功能，能進行自動極性檢測和糾正，具有碰撞自動重發功能，能自動填充和生成CRC，支持廣播和多播MAC尋址，且工作溫度范圍為－40～＋85℃，完全符合系統要求.

在以太網接口電路選擇方面，經查CP2200應用手冊，其推薦的以太網變壓器的比為1CT∶2.5，因此采用中山HanRun的HR911175A作為以太網接口.HR911175A是內部集成了以太網隔離變壓器并外置指示燈和RJ45插座的以太網接口，可有效減小電路板的大小.

2.1.2 主控芯片、語言解碼芯片選型 （1）主控芯片.主控芯片選用Silicon Labs的C8051F040單片機，該單片機是高度集成的混合信號SoC級微控制器芯片，具有與8051單片機兼容的高速CIP-51微控制器內核，峰值速度可達25MIPS；除了標準8051的數字外設部件外，片內還集成了數據采集與控制系統中常用的模擬部件及其他一些數字外設部件及1個64kB的FLASH存儲器，并且還有硬件實現的UART串行接口和完全支持CAN2.0A和CAN2.0B的CAN控制器，具備64個數字I／O端口，可硬件實現SPI和I2C總線及UART串行接口，滿足系統對控制端口的需求［8］.同時片內調試電路提供全速、非侵入式的在線系統調試（不需仿真器），使得調試更加方便，與使用仿真芯片、目標仿真頭和仿真插座的仿真系統相比具有更優越的性能，工作溫度范圍在－40～＋85℃之間，與CP2200有很好的兼容性.（2）語音解碼芯片.語音解碼芯片選用芬蘭VLSI的單芯片MP3／WMA／MIDI音頻解碼器和ADPCM編碼器VS1003B，其內部集成了一個高性能、低功耗的DSP處理器核VS-DSP，可為使用者提供工作數據存儲器；片上集成5kB的指令RAM和0.5kB的數據RAM及串行的控制和數據輸入接口；擁有1個高品質可變采樣率的ADC、1個立體聲DAC，以及1個耳機放大器，可通過SPI總線單片機進行通信［9］.

2.1.3 LED顯示屏選擇 本系統選用帶有串行通信接口的雙色LED顯示屏，根據顯示內容的不同可分別采用紅色、黃色及綠色顯示文字，以達到更好的警示作用.如果將LED顯示屏升級為串口＋以太網雙接口，可為LED顯示屏分配一個IP地址后也接入警示系統，則可通過值班室的PC機對LED顯示屏進行遠程控制，實現遠程文字顯示控制.

2.1.4 警示系統硬件電路 這里以警示分機的硬件電路為例來說明電路組成，如圖4所示.主處理器通過并行總線與CP2200相連，隨后經過HR911175A接入以太網；SD卡用來存儲系統需要的MP3及TXT文件，VS1003B通過SPI總線的3條數據線和4條控制線實現與C8051F040單片機的通信，解碼后的語音信號通過LM1875放大后送入定向性能較好的號角喇叭進行語音播放；LED顯示屏用來顯示警示文字信息，與主處理器采用串行通信，串行通信速率選擇9 600bit／s；8位撥碼開關用來設置系統IP地址的最后一位，方便IP地址的改變.

圖4 警示分機硬件電路組成

3 系統設備相關參數設定

3.1 IP地址設置

由于本系統通常采用C類網進行設計，IP地址默認設置為192.168.1.XXX，在單片機程序中預先設定系統的網關、子網掩碼和IP地址初始值，通過硬件電路中的8位撥碼開關來設定IP地址的最后一位，需要改變IP地址是只需對8位撥碼開關進行操作即可.

3.2 SD卡中語音及文本文件命名

SD卡中寫入了MP3格式的音頻和TXT格式的文件兩種格式的文件，為了便于單片機調用語音及文本文件其文件命名需要遵守相同的命名規則.語音文件的內容可根據具體應用場合來錄制，這里要注意的是該語音文件的采樣率最好不超過128kbit／s.文本文件中寫入了報警文字信息的GB2312代碼，用于在文字顯示設備上顯示警示信息的具體內容.為了便于文件管理，將MP3文件的第一位確定為A，TXT文件的第一位確定為C，兩種文件名稱的其他位對應同一種警示事件時可采用相同的命名規則.

3.2.1 MP3文件命名 當有事件發生時，播放器就會播放警示語音，但是不同的事件播放的內容不相同，各個音頻文件的命名也不相同.在對音頻文件命名時，采用5位編碼方式，文件名第一位為A，代表Audio音頻文件，其余的4位數字采用16進制表示，每一位代表不同的含義.第2，3位組合后設定為與觸發設備的IP地址最后1位相同，代表觸發設備的源地址，第4位表示觸發事件的信息，共有16種狀態，第5位表示命令信息，表示系統的處置命令，如系統復位等，這里需要注意的是存儲在值班中心和存儲在警示分機中相同文件名下的語音文件的內容可以不同.例如A0510.MP3表示IP地址為192.168.1.5的終端設備產生的第1種報警信息，此時警示分機中存儲的該文件名下的語音內容為“你已經進入警戒區域，請立即退回”，而值班中心存儲的該文件名下的語音內容為“有人進入警戒區域，請立即處置”，分別用以對入侵者進行警示和對值班人員進行提醒.

3.2.2 文本文件名命名 當有事件發生時，文字顯示設備上采用文字顯示具體的警示內容，不同的事件顯示的警示信息可不相同，各個文本文件的編碼也不相同，每個文本文件中寫入了文字顯示設備需要顯示文字的16進制代碼，比如需要顯示“警戒區域，立即退回”，其代碼為“BEAF BDE4C7F8D3F2A1A1 C1A2BCB4CDCB BBD8”.在對文本文件命名時，同樣也采用5位編碼格式，文件名第一位為C，其余各位命名與語音文件命名方式相同.

4 結 論

（1）本文設計的文字聲光警示系統，組合文字、語音及燈光等警示方式，對進入警示區域的人員或車輛進行視覺和聽覺上多重提醒，可有效杜絕事故的發生，保障人員的人身安全.

（2）系統中所需要的文字及語音信息分別以TXT及MP3文件形式均存儲在SD卡中，若應用于安防、交通路口、施工現場、學校、博物館等不同的場所，無需改變軟件程序及硬件電路，只需要對SD卡中的相關文件內容進行對應修改即可.

（3）由于該系統采用以太網進行數據傳輸，系統組網不受拓撲結構限制，便于擴充升級，也可以與以太網視頻監控系統緊密結合，實現報警視頻聯動.

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