嵌入式GSM短信息接口的軟硬件設計

關(guān)鍵詞：GSM SMS UTF-8 GB-2312 無(wú)線(xiàn)通信 無(wú)線(xiàn)數傳 遙控 中文編碼

引 言

　　SMS（Short Message Service）短信息服務(wù)是GSM（Global System for Mobile Communication）系統中提供的一種GSM終端（手機）之間，通過(guò)服務(wù)中心(Service Center)進(jìn)行文本信息收發(fā)的應用服務(wù)，其中服務(wù)中心完成信息的存儲和轉發(fā)功能。短信息服務(wù)作為GSM網(wǎng)絡(luò )的一種基本業(yè)務(wù)，已得到越來(lái)越多的系統運營(yíng)商和系統開(kāi)發(fā)商的重視，基于這種業(yè)務(wù)的各種應用也蓬勃發(fā)展起來(lái)。以GSM網(wǎng)絡(luò )作為數據無(wú)線(xiàn)傳輸網(wǎng)絡(luò )，可以開(kāi)發(fā)出多種前景極其樂(lè )觀(guān)的各類(lèi)應用，如無(wú)線(xiàn)數據的雙向傳送、無(wú)線(xiàn)遠程檢測和控制等。典型的應用有：變電站、電表、水塔、水庫或環(huán)保監測點(diǎn)等監測數據的無(wú)線(xiàn)傳輸和無(wú)線(xiàn)自動(dòng)警報；遠程無(wú)線(xiàn)控制高壓線(xiàn)路斷電器、加熱系統、防洪攔阻系統或其它機電系統的啟動(dòng)和關(guān)閉；車(chē)隊交通管理和控制指揮系統；控制和監測香煙、食品和飲料自動(dòng)售貨機的運行狀態(tài)和存貨水平等等。

　　由于GSM網(wǎng)絡(luò )在全國范圍內實(shí)現了聯(lián)網(wǎng)和漫游，具有網(wǎng)絡(luò )能力強的特點(diǎn)，用戶(hù)無(wú)需另外組網(wǎng)，在極大提高網(wǎng)絡(luò )覆蓋范圍的同時(shí)為客戶(hù)節省了昂貴建網(wǎng)費用和維護費用。同時(shí)，它對用戶(hù)的數量也沒(méi)有限制，克服了傳統的專(zhuān)網(wǎng)通信系統投資成本大，維護費用高，且網(wǎng)絡(luò )監控的覆蓋范圍和用戶(hù)數量有限的缺陷。比起傳統的集群系統在無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )覆蓋上具有無(wú)法比擬的優(yōu)勢，加上GSM的SMS本身具備的數據傳送功能，都使得這些應用得到迅速的普及。利用GSM短信息系統進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信還具有雙向數據傳輸功能，性能穩定，為遠程數據傳送和監控設備的通信提供了一個(gè)強大的支持平臺。

1 SMS短信息的無(wú)線(xiàn)數傳監視和控制

　　通常情況，基于SMS短信息服務(wù)的無(wú)線(xiàn)數傳監視和控制系統為一個(gè)點(diǎn)到多點(diǎn)的遠程無(wú)線(xiàn)雙向數據通信和控制系統，如圖1所示。系統的中心點(diǎn)為數據或監控指揮中心，由計算機網(wǎng)絡(luò )、數據庫、電子地圖和GSM通信接口組成。監控中心主要完成各種信息和數據的收發(fā)和整理：一方面，接收各個(gè)監控點(diǎn)上傳的信息和數據，并把它們放入相應的數據庫和分發(fā)給相應的監控計算機，以實(shí)現對各個(gè)監控點(diǎn)的監控和管理；另一個(gè)方面，監控中心響應監控計算機發(fā)出的對各個(gè)監控點(diǎn)的控制信息，并且把這些信息下發(fā)到相應的監控點(diǎn)上，從而達到對監控點(diǎn)設備進(jìn)行控制的目的。

2 GSM無(wú)線(xiàn)通信控制終端

　　GSM無(wú)線(xiàn)通信控制終端為一個(gè)MC3的嵌入式系統，具有如圖2所示的測量、數據采集、控制、無(wú)線(xiàn)通信功能。GSM無(wú)線(xiàn)通信控制終端通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò )和監控中心進(jìn)行雙向的信息傳輸。它將測量和采集到的數據信息傳送到監控中心，同時(shí)接收監控中心的控制數據，對設備實(shí)施相應的控制。

3 GSM通信接口的硬件實(shí)現

　　GSM無(wú)線(xiàn)通信控制終端的通信接口一般采用目前在市場(chǎng)上提供的可供二次開(kāi)發(fā)的標準的GSM模塊，如TC35、FALCOM、WISMO3等。這些通信模塊都具備GSM無(wú)線(xiàn)通信的全部功能，并提供標準的UART串行接口，支持GSM 07.05所定義的AT命令集的指令。因此，MCU能非常方便地通過(guò)UART接口與GSM模塊連接，并直接使用AT命令就可以方便簡(jiǎn)潔地實(shí)現短信息的收發(fā)、查尋和管理。

　　在我們設計的GSM無(wú)線(xiàn)通信控制終端中，采用的GSM通信模塊為FALCOM A2D，MCU使用的是Atmel公司的高速8位微控制器ATmage128。ATmega128芯片為64個(gè)引腳，內部集成了4K字節的RAM、4K字節的EEPROM、128K字節的Flash以及2個(gè)UART串行接口等。由于采用了高性能的MCU，省掉了大量的外圍器件，如外擴RAM、ROM存儲器等，使硬件結構大大簡(jiǎn)化，提高了系統的可靠性。系統的硬件框圖如圖3所示。

4 基于GSM通信的軟件接口

　　市場(chǎng)上提供的可供二次開(kāi)發(fā)的標準的GSM模塊都支持GSM 07.05所定義的AT命令集的指令。因此，MCU通過(guò)UART串行接口直接向GSM模塊下發(fā)AT命令，就可以方便簡(jiǎn)潔地實(shí)現基于GSM的短信息SMS的收發(fā)、查尋和管理。表1列出了與SMS相關(guān)的一些常用的GSM AT指令。

表1 與SMS相關(guān)的常用GSM AT命令

　　根據GSM 07.05的定義，SMS短信息的發(fā)送和接收模式共有三種：Block模式、基于A(yíng)T命令的Text模式和基于A(yíng)T命令的PDU模式。使用Block模式需要模塊生產(chǎn)廠(chǎng)家提供驅動(dòng)支持；而用于中英文短信息傳送應使用PDU模式，只傳送英文短信息（純文本格式）使用Text模式。Text模式的短信息發(fā)送和接收比較簡(jiǎn)單，如不需要傳送中文則最好采用Text模式發(fā)送和接收短信息。

　　采用Text模式發(fā)送接收短信息的步驟分為初始化GSM模塊、發(fā)送文本短信息和接收短信息。下面一段簡(jiǎn)單的程序給出一個(gè)示例：

PRINT "AT+CSCA=";Chr(34);"+8613800210500";Chr(34) ‘設置短信息中心號碼

PRINT "AT+CMGF=1" ‘設置為T(mén)ext模式

PRINT "AT+CMGS=";Chr(34);"13500123456";Chr(34) ‘發(fā)送一條短信息

PRINT "This is a test SMS";Chr(26)

PRINT "AT+CMGR=1" ‘讀取收到的一條

‘短信息

.

.

.

　　該程序使用BASCOM-AVR高級語(yǔ)言編寫(xiě)，其中PRINT語(yǔ)句的功能是通過(guò)URAT串行口發(fā)送字符串，Chr(34)代表ASCII字符（“），Chr(26) 代表ASCII字符（Ctrl-Z）。第一行語(yǔ)句設置短信息服務(wù)中心號碼，即通過(guò)串口發(fā)送以下字符串： AT+CSCA= "+8613800210500"，其中+8613800210500為上海地區中國移動(dòng)的短信息服務(wù)中心號碼。第二行語(yǔ)句設置短信息發(fā)送格式：AT+CMGF=1，其中1表示采用Text模式。第三和第四行語(yǔ)句發(fā)送一條短信息到控制中心，AT命令的格式為:AT+CMGS= "13500123456"cr>This is a test SMS^Z>，其中控制中心的號碼為13500123456，短信息內容為“This is a test SMS”，確認控制字符為Ctrl-Z。第五行語(yǔ)句為讀取一條收到的短信息內容：AT+CMGR=1，其中1表示收到的（在SIM卡中）第一條短信息。該指令發(fā)出后，如果GSM模塊中有接收到的短信息，則從UART接口返回如下信息(具體AT命令格式請參考GSM 07.05)：

　　+CMGR: "REC UNREAD","+8613508485560",,"02/10/16,15:37:28+32"

xxxxxxxxxxxxxxxxxx （收到短信息的文本內容）

5 基于PDU模式的中文短信息接收

　　發(fā)送和接收中文或中/英文混合的短信息必須采用PDU模式。根據GSM 07.05的定義，只要控制器通過(guò)UART接口向GSM模塊下發(fā)AT命令，就可以直接讀取收到的PDU模式的短信息：

　　PRINT "AT+CMGF=0" ‘設置為PDU模式

　　PRINT "AT+CMGR=1"‘讀取接收的一條短信

‘息

在PDU模式下，GSM通信模塊的回答格式為：

+CMGR: stat>,,length>CR>LF>pdu>

　　其中： stat表示該條短信息的狀態(tài)，通常為0（未讀過(guò)，新的短信息）或1（已讀過(guò)）；

Length為十進(jìn)制數，表示pdu數據長(cháng)度減去短信息服務(wù)中心地址長(cháng)度，單位為字節；

CR>LF>為回車(chē)換行；

pdu為PDU模式的數據包。

　　然后，要分析PDU數據包，根據PDU的數據格式將收到的中文信息和其它相關(guān)信息解析出來(lái)。

5.1 PDU數據包格式

　　PDU數據包由兩部分構成，短信息服務(wù)中心地址（SMSC address）和TPDU，表2為PDU數據包的格式，其中一個(gè)數據單元為一個(gè)字節。

　　其中短信息服務(wù)中心號碼、發(fā)送源號碼、日期以及時(shí)間采用壓縮BCD碼表示，低位在前，高位在后。在本文的網(wǎng)絡(luò )補充版（http://www.dpj.com.cn）中給出了通過(guò)讀取短信息的AT命令（AT+CMGR=1）從GSM模塊讀到的一條PDU模式的短信息，并給出常見(jiàn)的數值與解釋。

5.2 PDU模式的純英文短信息解碼

　　PDU模式的純英文短信息編碼使用GSM字符集的7位編碼，此時(shí)TP-DCS的值為00。如短信息內容為英文字符“Hi”，首先將各個(gè)字符轉換為7位的標準二進(jìn)制ASCII碼，然后要將后面字符的低位逐位調整到前面，補齊前面的差別。例如：“H”的二進(jìn)制ASCII碼為1001000，“i” 二進(jìn)制ASCII碼為1101001；顯然H的二進(jìn)制編碼不足八位，那么就將后面字符i的最后一位補足到H的前面，就成了11001000（C8），i剩下六位110100，前面再補兩個(gè)0，變成00110100（34），于是“Hi”就變成了兩個(gè)八進(jìn)制數 C834。由于PDU模式的純英文短信息采用7位編碼，解碼不方便，因此對于只需發(fā)送和接收純英文字符和數字符號的應用，最好采用Text模式發(fā)送和接收短信息。

表2 PDU數據包格式（接收MSM）

5.3 中文短信息的解碼

　　由于中文字的編碼是采用2個(gè)字節的編碼，因此發(fā)送和接收中文或中英文混合的短信息只能采用PDU模式。但在GSM標準中，中文編碼采用UTF-8的編碼，不是目前國內常用的GB-2312編碼，故還需要進(jìn)行中文編碼的轉換，才能與采用GB-2313漢字庫相配合顯示漢字字型。

由于UTF-8和GB-2312編碼之間不存在一一對應的線(xiàn)性關(guān)系，因此只能采用查表的方式進(jìn)行轉換。下面給出一個(gè)由UTF-8到GB-2312編碼轉換的算法。

　?、?建立UTF-8和GB-2312兩個(gè)中文編碼表，表中數據項為2個(gè)字節長(cháng)度的十六進(jìn)制的數，代表一個(gè)中文編碼。兩個(gè)表的長(cháng)度分別為14 890字節（27445）。UTF-8編碼表按數據項值從小到大排序，而在GB-2312編碼表中，與UTF-8相同位置處為相同漢字的GB-2312碼字，如圖4所示。

　?、?軟件解碼過(guò)程為：每次從PDU模式SMS數據包的TP-UD中取出兩個(gè)字節，采用二分法快速數據查找算法，在UTF-8編碼表中找到其所在位置，然后在GB-2312表的相同位置處讀取相對應的GB-2312編碼。解碼流程如圖5所示。

　?、?二分法的最壞查找次數為lg2(n+1)，UTF-8表的長(cháng)度n為7445，固最壞查找次數為13次，就是說(shuō)一個(gè)中文編碼由UTF-8到GB-2312的轉換最多經(jīng)過(guò)13次比較查找就可完成。 這比采用簡(jiǎn)單的順序查表要快的多，大大減少了查表所花費的時(shí)間，非常適合在一般的嵌入式系統中使用。

　?、?盡管兩個(gè)漢字編碼表要占用近30 KB（如還需要GB-2312到UTF-8的轉換，則還要增加兩個(gè)表，共占60 KB），但由于采用了ATmega128單片機，其片內有128KB的程序存儲器，因此可將程序與表格放在一起。去掉60 KB的表格，仍有近70 KB的容量用于系統程序，因此完全不用外部擴充存儲器（漢字字庫除外），大大簡(jiǎn)化了硬件的結構和設計。

結 語(yǔ)

　　本文的設計方案已應用在我們研發(fā)的產(chǎn)品“車(chē)船載GPS-GSM衛星定位無(wú)線(xiàn)通信移動(dòng)終端”上，經(jīng)過(guò)多年的運行和使用，證明系統工作穩定可靠。2001年10月，在美國著(zhù)名計算機應用雜志《CIRCUIT CELLAR》舉辦的世界性電子設計競賽“Design Logic 2001 Contest”中，該產(chǎn)品獲得三等獎。