基于GSM网络的火灾报警网络监控器的设计

前言

        火灾报警网络监控器是火灾报警系统与城市火灾报警网络监控中心的一个中间设备，它完成火灾报警系统和城市火灾报警网络监控中心之间的信息转发。城市火灾报警网络监控中心只有通过火灾报警网络监控器才能将整个城市的火灾报警系统连成一个火灾报警监控网络，达到快速掌握城市火警动态的目的。城市火灾报警网络的组成如图1所示。

        传统的城市火灾报警网络一般是基于PTSN网络（公用电话网）通过DTMF信号进行通讯的。火灾报警网络监控器利用modem芯片发送和接收DTMF信号，网络监控中心利用语音卡等设备发送和接收DTMF信号，利用PTSN网络实现的城市火灾报警网络实现低成本，通讯可靠性高的特点，所以得到了广泛的应用。但在实际使用过程中也发现了一些不足，网络监控器使用的电话线如果与用户电话线同线时会出现影响用户正常通话的情况，为了通讯可靠需要开通独立的专用电话，这又增加了另布电话线等额外工作量。而且有线连接的电话线也更容易受到人为等外界因素的影响，出现线路通讯故障而影响到系统的可靠运行。如果能利用无线GSM网络来实现网络监控器与监控中心的通讯应该是很好的选择。但出于早期的GSM网络通讯可靠性不高，网络覆盖面也比较窄，而且通讯资费又很贵，所以一直不能得到实际的应用。
如今，随着无线移动通讯技术的快速发展，基于GSM网络的无线移动通讯技术日益完善，通讯可靠性进一步提高，网络覆盖面得到扩大，而且通讯资费也已经与有线电话相当，甚至更低。所以在城市火灾报警网络中利用GSM网络进行通讯应该是切实可行的。

1、网络监控器的工作原理

1.1 报警发送

        网络监控器通过RS232/485通讯接口时刻监听着火灾报警控制器发出的各种报警信号，当接收到火灾报警控制器发送来得报警信息时，监控器将进行声音、指示灯提示，显示屏显示当前报警内容，同时进入报警发送延时。

        在延时阶段，用户可以通过键盘操作对报警信息的真伪进行确认，监控器再将经过人工确认的报警信息转换为规定的通讯格式上传至城市火灾报警网络监控中心，监控器的指示灯、显示屏同时显示通讯过程中的提示信息。如果在延时阶段用户没有进行任何判别操作，延时结束，监控器向网络监控中心发送未经过人工确认的报警信息。

       如果数据没有上传成功，监控器重新选择另一个监控中心号码拨号，显示屏显示重新上传信息。如此重复，直到将数据成功上传或呼叫完所有的目标号码。如果呼叫了所有目标号码，数据也没有成功上传，显示屏显示上传失败信息。

1.2 接收数据

        监控中心可以远程设置监控器的工程参数：自动报名时间、监控器时间、报警延时、振铃和回铃次数。对监控器进行点名呼叫、对现场值班人员进行查岗。

        当监控器检测到呼叫的电话，并经过“握手验证”确定了呼叫电话的合法性后，监控器指示灯、显示屏显示通讯过程中的提示信息，监控器开始接收监控中心的数据信息。数据接收完成后，监控器将对数据进行处理，并将处理结果返回给呼叫方，通讯结束。

1.3 监控器设置

        用户可以通过键盘和显示屏设置工程参数：振铃和回铃次数、用户编码、城市代码、报警延时、监控器时间、用户密码、查阅历史纪录。

2、网络监控器的硬件设计

        主要包括GSM模块接口电路、DTMF信号解调电路、上位机接口电路、LCM电路、电源电路及MCU控制电路，硬件框图如图2所示。
 
        在监控器的设计中使用GSM模块完成和固定电话之间DTMF信号的传输， 由于GSM网络支持通过GSM模块通过信令发送DTMF信号，但不支持GSM模块直接解码DTMF信号，所以在监控器的设计中必须增加DTMF解码电路，对GSM模块音频输出接口输出的信号进行解码。

 
2.1 DTMF信号解码电路

        通过DTMF信号编解码专用集成芯片MT8888C实现DTMF信号解码，MT8888C具有适合与MSC51系列单片机接口的读写信号，其信号输入接口就与GSM模块音频输出接口连接，如图3所示。

 
2.2 GSM模块接口电路

        GSM模块采用西门子的TC35i模块[1]。TC35i模块具有标准的MODEM串行控制接口，MCU使用AT命令控制其工作，有电话呼入时模块的RING引脚会输出相应的电平变化信号给MCU检测。

2.3上位机接口电路

        监控器通过RS232/RS485接口与上位机通讯。为了避免上位机通过接口电路输入干扰噪声，影响DTMF电路的工作，使用光藕对接口信号隔离。

2.4电源电路

        以市电220VAC供电，通过变压器隔离出路低压交流电源，经过稳压电路稳压，分别为GSM模块，单片机系统和光藕隔离部分供电。

2.5 MCU控制电路

        采用WINBOND的W77E58P单片机，该单片机内置两个USRT接口，分别分配给GSM模块和上位机通讯使用。使用看门狗电路确保程序的可靠运行，使用外部RAM作为发送数据的缓存器，EEPROM保存工作参数。

3、网络监控器的软件设计

        单片机通过AT指令对TC35i模块进行初始化和发送DTMF信号[2]。由MT8888C解码TC35i模块输出的DTMF信号。终端设备软件工作流程如图4所示。

 
        监控器控制程序使用C51语言实现[3]，开发速度快、结构化强、可维护性好。

        单片机上电复位后首先进行初始化，包括设置串口工作方式、波特率、以及变量和标志位初值。然后，通过串口1对TC35i模块初始化，检查如SIM卡情况、GSM网络信号强度等。然后监控器就进入检测循环，检测是否收到了火灾报警控制器发送来的报警信号和外部电话呼入信号。

        如果收到了火灾报警控制器发送来的报警信号后，就显示提示信息，等待用户进行人工确认，在人工确认或延时时间已到后，就通过AT命令控制TC35i模块拨号呼叫监控中心，如果呼叫失败就重复呼叫，呼叫成功后就将通信固定格式组成的DTMF报警信号发送到监控中心。如果监控中心接收失败，没有发回接收响应信号，就重新拨号呼叫监控中心进行上传。完成后就返回检测循环。

        如果检测到有外部电话呼入，就对模块RING脚输出的振铃信号进行计数，等待固定的振铃次数后就接通电话，对呼入电话进行合法性验证，同时显示相应的提示信息。如果不是监空中心呼入的电话就挂机返回检测循环；如果确认是监控中心的电话就等待接收监控中心发来的数据命令，并对命令进行相应的处理，完成后返回检测循环。

4、结果及分析

         分别把三台样机放置在三个现场进行了为其一个月的试运行测试，测试期间由值班人员每天不定期人为制造上传报警数据，测试结果统计如表1所示。

        试运行测试得到的结果是比较好的，只有2号和3号样机在试运行过程中出现了共计3次的上传失败情况，分析原因主要是因为运行行期间设置的目标电话号码过少，只设置了2个目标电话号码（全部设置怕影响正常的通讯），网络监控中心电话占线所至。运行测试表明，实际的运行应该可以得到满意的效果。

5、结论

        基于GSM网络的火灾报警网络监控器采用GSM网络的语音信道完成了与网络监控中心的通讯，形象的说就是移动电话与固定电话间的语音通讯。GSM网络的火灾报警网络监控器在设计中既考虑到与现有城市火灾报警网络的兼容性（考虑到一些老用户不会马上淘汰原来得PTSN设备），也考虑到了通讯的是实时性和可靠性。这样，新的基于GSM网络的火灾报警网络监控器既能无缝的与原有城市火灾报警网络兼容，同时完成了向GSM网络的升级，而且监控中心无须升级，节省改造成本。