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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
