防盗报警系统中话线断线呼救无线网的研究与应用

摘要：针对借助固定电话通信的防盗报警器在话线遭到破坏情况下，无法将警情送达接警中心或用户手机的现象，提出一种电路简单、通信可靠、占用信道时间短、成本低廉的话线断线无线呼救系统。给出完整的硬件电路，其中包括话线断线与摘机检测电路，ASK调制的无线发射电路，以及断线呼救与应答信息的构成、通信协议，并详细描述呼救信息发送、接收处理流程。实验证明，该无线呼救系统极大地提高借助固定电话通信的防盗报警器的可靠性，使其误报率降低了50％，漏报率降低了30％。
关键词：单片机；防盗报警；无线通信；编码；解码

    在社会治安形势尚未彻底好转前，入屋盗窃、抢劫案件不时发生。常见的防盗网、防盗门、防盗锁等被动防盗设施效果有限，并没有给住户带来真正的安全，反而影响了市容、埋下了消防隐患。在这种情况下，各类防盗报警设备销量猛增，但多数防盗报警主机只能通过固话线路向外发送警情信息。据报道，在多数恶性入屋犯罪事件中，犯罪分子一般先提前破坏大门外布线规范、一眼就能找到固话线路，后才择机撬门或开锁入屋。在这种情况下，报警主机除了借助警号阻吓外，无法将警情送出。为避免固话断线发送不了警情的弊端，个别品牌防盗报警器内置GSM模块，借助移动网络通信。然而这类主机价格昂贵。日常维护费用大，普及率不高。因此，如何在防盗报警器中增加成本低廉、通信可靠的话线断线呼救系统成了一种必然趋势。

1 系统硬件电路
    话线断线无线呼救系统硬件电路由话线断线检测电路、本地话机摘机检测电路、无线发射电路(调制方式、载波频率与报警主机内的无线接收模块相同)等部分组成，如图1所示。

    外线经极性变换电路后送话线断线检测电路，其输出信号接MCU的I／O引脚；本地话机摘机检测电路输出信号接MCU的另一I／0引脚。当有效时，表示本地话机摘机，忽略话线断线检测电路输出信号。话线断线检测与本地电话摘机检测具体电路如图2所示。

    本地电话摘机检测电路由电阻R4、R5，以及U2、U3组成。用户摘机时，话机电流流经R4，只要话机电流不小于15 mA，则R4上的压降必定大于1．23 V，PC817光耦内发光二极管可靠导通。R4取值范围在82～100 Ω之间，过大则话机电压偏小，影响话机通话；反之，太小则可能造成其上压降小于1．2 V，PC817不能可靠导通。R5为发光二极管限流电阻，阻值在5l～100Ω之间。由于无法确定外线极性，需要由U2、U3的发光二极管反向并联构成双极性检测，这样无论L1为正极还是L2为正极均可保证在摘机状态下U2、U3总有一个处于导通状态。
    外线经二极管VD1～VD4构成的极性变换电路后得到极性固定的馈电电压，加到U1光耦的1、2引脚。在挂机状态下，15 V稳压二极管VDZ击穿，光耦内发光二极管电流约0．4 mA(交换机馈电约为48 V)，光敏三极管饱和导通，输出高电平，表示话线正常；反之，如果断线或挂接在外线上的其他话机被摘机等原因，则极性变换电路输出电压必定小于12 V，稳压二极管截止，光耦内光敏三极管也截止，输出低电平。
    在本地话机摘机检测输出信号为高电平状态下，表示话线断线，可根据报警主机的状态，做出相应处理——在撤防状态下，通过蜂鸣器提示话线故障(即话线盗用提示)：在布防状态下，报警主机内的MCU控制器借助无线发射电路(图3)向邻近同类型主机发出断线呼救信号，同时触发警号鸣响提醒邻居或住户。

    有效通信距离与发射功率、天线形状与尺寸、载波频率、接收模块灵敏度等因素有关。即使采用2SC3356小功率发射管，对于一个设计优良的ASK调制发射电路(发射功率在4～6 mW之间)，有效接收距离也小于200 m(开阔地带)。
    因为防盗报警主机内一般已有无线接收、解调电路(其主要任务是接收无线探头、遥控器发出的编码信息)，因此无须额外的无线接收、解调电路。

2 通信协议
2．1 呼救信息
    在住房商品化时代，邻居之间电话号码、主机编号等均涉及个人隐私，因此断线后，呼救方必须提供接警中心用户编号(6位BCD码。注：报警主机普遍采用C．ID协议与接警中心通信，而C．ID协议中用户编号最多6位)警情代码、被触发的防区号、机主本地电话号码(不能用接警中心用户编号作为邻居主机拨通后告知机主的语音信息，原因是机主不熟悉该编号，只能用机主本地电话号码)、用户手机、小灵通或办公室固定电话号码等信息。为减少无线信道占用时间，将以上信息分3帧(每帧64 bit)送无线发射模块。相应的，接收方收到邻居呼救信号后，必须给出相应的应答信号，以便呼救方感知呼救信号是否已被附近同类主机可靠接收，同时阻止其他主机拨打呼救主机对应的机主电话。避免“一机呼救多机响应”现象。同样为尽可能减少信道占用时间，应答信息帧为32 bit(由l字节标识信息和3字节接警中心用户编号组成)。
2．2 信息帧格式与调制方式
    呼救信息帧格式与应答信息帧格式如表l所示。

    为了能够直接利用报警主机内无线接收、解调电路完成呼救信号接收与解调，呼救信号调试方式、载波频率与系统内其他无线发射设备相同。例如，当系统其他无线发射设备采用315 MHz ASK调制方式，信息帧编码方式与2262编码器兼容时，可利用信息帧同步头脉宽比的大小来区分信息类型。由于2262编码器同步头脉宽比为1：32(高低电平时间为4：124)，那么呼救信息同步头脉宽比可选定为l：10(高低电平时间为4：36)，相应地应答信息同步头脉宽比选定为1：17(高低电平时间为4：64)，如图4所示。

    图中α为比例系数，与PT2262器件频率有关。这样利用软件解码方式。不难分辨、处理以上三类信息。

3 信息收发与处理流程
    话线断线处理过程大致如图5所示。话线断线时，检测主机当前状态，在撤防状态时，则触发蜂鸣器断续鸣叫；在布防状态时，则初始化、等待信道空闲。当有空闲信道时，依次发送3帧呼救信息，然后初始化等待应答信号时间、触发警号鸣响。与此同时等待附近同类主机的应答信号。在特定时间内没有应答信号，呼救次数减l。次数未减到O则继续等待信道空闲，然后发送呼救信息；如果呼救信息减到0则退出。
如果主机接收到附近主机的呼救成功的信息(应答标志为0x13)，表示呼救成功，然后退出。

    如果主机接收到附近主机响应(应答标志为0x15)，表示附近主机转发的第一个呼救没人响应，则判断呼救次数，接着选择下一个用户电话号码并发送呼救信息的第2帧。然后再等待应答信号直到有用户响应或呼救次数减到O退出。
    如果主机接收到附近主机的呼救成功信息(应答标志为Oxll)，则表示附近主机响应但接收的信息有误，则依次发送3帧呼救信息。再次判断呼救次数、等待应答标志转到相应的处理过程。

    断线呼救信息接收处理过程大致如图6所示。为保证通信的可靠性，在发送断线信息、应答信号前，可利用报警主机内的无线接收电路探测无线信道是否处于空闲状态。

4 结束语
    本文介绍的话线断线无线呼救系统硬件电路简单、成本低廉，软件设计、调试容易。自2005年以来，先后将该系统应用于多家防盗报警设备生产厂商委托开发的8款防盗报警主机中，实践表明系统运行稳定、可靠，取得良好的社会效益和经济效益。