基于嵌入式Linux的短信收發(fā)系統設計方案

1. 引言

全球移動(dòng)通信系統GSM是我國范圍最廣、通信能力最強的移動(dòng)通信業(yè)務(wù)，而其中的短消息功能由于其使用方便、價(jià)格低廉、可靠性高而得到廣泛應用。嵌入式Linux也是目前得到廣泛應用的技術(shù)，功能強大和資源豐富是其最大的優(yōu)勢。本文在嵌入式Linux系統中利用GSM模塊實(shí)現短信的收發(fā)，對不方便架設通信線(xiàn)的偏遠地區，提供了數據采集的新手段。同時(shí)嵌入式系統體積小巧，Linux操作系統資源開(kāi)放，所以本系統經(jīng)過(guò)二次開(kāi)發(fā)，可方便地構成移動(dòng)數據采集系統，用于遠程數據采集、監控。

2. 短信收發(fā)原理

短信服務(wù)業(yè)務(wù)SMS（Short Message Service）是GSM系統提供給用戶(hù)的一種數字業(yè)務(wù)。它與話(huà)音傳輸及傳真一樣同為GSM數字蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )提供的主要電信業(yè)務(wù)。涉及SMS管理的協(xié)議如圖1所示。

圖1 SMS管理的協(xié)議

圖中SME為短信實(shí)體， SMSC為短信服務(wù)中心，SMCGWMS為SMS網(wǎng)關(guān)，HLR是歸屬位置寄存器，用于永久儲存管理用戶(hù)和服務(wù)記錄的數據庫，MSC為移動(dòng)交換中心，VLR為訪(fǎng)問(wèn)位置寄存器，含有用戶(hù)臨時(shí)信息的數據庫，交換中心服務(wù)訪(fǎng)問(wèn)用戶(hù)時(shí)需要這些信息。

短消息模塊的接入方式支持兩種模式：基于A(yíng)T指令的TEXT模式和基于A(yíng)T指令的PDU模式，它指的是短信息數據的編碼格式，文本模式只支持7-bit編碼，只能發(fā)送純英文和數字信息，而PDU模式支持7-bit編碼、8-bit編碼和UCS-2編碼，其中后者可進(jìn)行Unicode編碼，如中文，所以本系統采用PDU模式。

GSM模塊采用標準AT指令集通信，其中本系統用到的AT指令如表1所示。

3. GSM短信數據格式分析

3.1 發(fā)送短信PDU字符串

由于短信模式選擇的是PDU格式，因此對PDU的編碼和轉碼就變得很重要。中文短信息的實(shí)現需要將GB2312的中文編碼轉換為代碼頁(yè)為CP936的Unicode編碼，PDU發(fā)送字符串數據格式中主要由短信中心地址、文件頭字節、信息類(lèi)型、目的地址、協(xié)議標識、數據編碼方案、有效期、用戶(hù)數據長(cháng)度和用戶(hù)數據組成。例如：設置PDU格式的編碼為08 91 68 31 08 20 01 05 F0 11 00 0D 91 68 31 21 43 65 87 F9 00 08 00 04 4F 60 59 7DH，這組代碼的含義如下所示：

08H：短信服務(wù)中心地址信息的長(cháng)度，共8個(gè)八位字節（包括91） ；

91H：短信服務(wù)中心地址格式，用國際格式號碼，在前面加‘+’ ；

68 31 08 20 01 05 F0H：短信服務(wù)中心地址，8613800210500，補‘F’湊成偶數個(gè)；

11H：基本參數，協(xié)議數據單元類(lèi)型，表示發(fā)送，TP-VP用相對格式；

00H ：信息參考，00H表示參考本身號碼；

0DH ：對方手機號數字個(gè)數，共13個(gè)十進(jìn)制數 ；

91H ：對方手機號，用國際格式號碼，在前面加‘+’ ；

68 31 21 43 65 87 F9H：對方手機號（TP-DA），8613123456789，補‘F’湊成偶數個(gè)；

00H：協(xié)議標識（TP-PID）， 是普通GSM類(lèi)型，點(diǎn)到點(diǎn)方式；

08H：用戶(hù)信息編碼方式（TP-DCS），主要用其1個(gè)字節的第2和第3位表示編碼方式，08H表示為UCS-2編碼，最多發(fā)140個(gè)字符；04H為8-bit編碼，最多發(fā)140個(gè)字符；00H為7-bit編碼，最多發(fā)160個(gè)字符；

00H：有效期（TP-VP），5分鐘；

04H：短信長(cháng)度（TP-UDL），實(shí)際長(cháng)度4個(gè)字節；

4F 60 59 7DH：用戶(hù)信息（TP-UD），“你好”的Unicode編碼 。

3.2 短信接收PDU字符串

接收方PDU字符串的含義和發(fā)送方不同，同樣以“你好”為例，接收方的PDU字符串為：08 91 68 31 08 20 01 05 F0 24 0D 91 68 31 67 24 47 63 F0 00 08 70 50 91 31 21 25 23 04 4F 60 59 7DH，其含義如下：

08 91 68 31 08 20 01 05 F0H：短信服務(wù)中心，分析同發(fā)送相同；

24H：協(xié)議數據單元類(lèi)型基本參數（TP-MTI/VFP） ，發(fā)送，TP-VP用相對格式；

0DH：對方手機號數字個(gè)數；

91H：對方手機號（TON/NPI），用國際格式號碼（在前面加‘+’）；

68 31 67 24 47 63 F0H ：對方手機號（TP-DA），8613764274360，補‘F’湊成偶數個(gè)；

00H：協(xié)議標識（TP-PID） ，是普通GSM類(lèi)型，點(diǎn)到點(diǎn)方式；

08H：用戶(hù)信息編碼方式（TP-DCS） ，分析同發(fā)送方；

70 50 91 31 21 25H：短信息發(fā)送時(shí)間（SCTS），07年05月19日13時(shí)12分52秒；

23H：發(fā)送時(shí)間對應的時(shí)區；

04H：短信長(cháng)度（TP-UDL），實(shí)際長(cháng)度4個(gè)字節；

4F 60 59 7DH：用戶(hù)信息（TP-UD） ，“你好”的Unicode編碼。

4. 系統組成

4.1 硬件組成

系統由嵌入式Linux系統和西門(mén)子MC35模塊通過(guò)串行接口三線(xiàn)制連接而構成， MC35模塊通過(guò)串口1與嵌入式系統相連，嵌入式系統配置包括50MHz 主頻的MPC860 32位處理器，16M SDRAM內存，2個(gè)RS232，操作系統采用嵌入式Linux for PowerPC。MC35模塊由GSM基帶處理器、電源專(zhuān)用集成電路、射頻電路和閃速存儲器等部分組成，負責處理GSM蜂窩設備中的音頻、數據信號，內嵌的軟件部分執行應用接口和所有GSM協(xié)議棧的功能。MC35模塊支持中文短信，支持GPRS功能，便于將來(lái)功能的擴展。

4.2 libcssl函數庫

為了實(shí)現短信收發(fā)，需要在嵌入式Linux下通過(guò)串口發(fā)送一系列的AT指令。串行通信是計算機與其它設備通信的常用方法，在本系統中采用一個(gè)基于Linux的串行通信函數庫libcssl，可實(shí)現串行接口的異步事件驅動(dòng)并發(fā)。采用該方法，用戶(hù)只要在服務(wù)器和數據源之間建立異步連接，編寫(xiě)數據處理函數，而對數據源事件的監測、數據讀取、多事件的處理等操作是由操作系統內部完成的，因而，很大程度上簡(jiǎn)化了編程者的工作，同時(shí)保證了較高的資源利用率。

libcssl函數庫提供給用戶(hù)多種基于事件驅動(dòng)方式的串行接口函數。其主要的函數有4類(lèi)，分別進(jìn)行串口初始化、收發(fā)數據、錯誤信息和結束串口操作。在使用某個(gè)串口之前，應調用初始化函數，為其設定相應的參數，使得收發(fā)雙方遵循相同的通信協(xié)議和數據格式，同時(shí)通過(guò)初始化操作，為串口數據源和采集服務(wù)器之間建立異步連接，分配采集句柄。當數據源通過(guò)串口向嵌入式系統發(fā)送數據時(shí)，該數據會(huì )被送入數據緩沖區，并通過(guò)該數據源的采集句柄訪(fǎng)問(wèn)該串口的事件回調函數，在該函數中完成數據的處理。這樣，當用戶(hù)使用多個(gè)串口時(shí)，不需要用多個(gè)線(xiàn)程，只需為每個(gè)串口設置獨立的回調函數，各回調函數之間可方便地實(shí)現數據交換共享。程序中可通過(guò)獲取錯誤信息得知系統出現的錯誤狀態(tài)，而采集程序結束，應關(guān)閉串口，釋放系統資源。相關(guān)的函數如表2所示。

4.3 軟件設計

使用了異步事件驅動(dòng)函數庫，程序設計簡(jiǎn)單而容易實(shí)現，程序主要由2部分組成，即主程序設計和回調函數程序設計，主程序只需做初始化和發(fā)送短信，其余功能都放在回調函數中完成。

在主程序中，各變量賦初值，調用cssl_open函數打開(kāi)串口，設定的參數為采用串口1，即嵌入式Linux的ttyS0設備，波特率9600bps，8位數據位，1位停止位，無(wú)奇偶校驗，無(wú)數據流控制，定義串口接收數據緩沖區有數據輸入時(shí)，回調函數為callback函數，該函數對數據緩沖區中的數據進(jìn)行分析處理。通過(guò)發(fā)送AT+CMGF=0指令定義短信模式為PDU模式，并判斷是否有短信需要發(fā)送。對待發(fā)送的短信按照PDU發(fā)送字符串格式進(jìn)行編碼。

回調函數中首先讀取輸入緩沖區內容，根據對標志和緩沖區內容的判斷，可以得知回調事件是由哪個(gè)事件引起，分別加以處理，由于每次向GSM模塊發(fā)送AT指令后，模塊會(huì )發(fā)送OK或ERROR等響應表示操作成功或失敗，所以在回調函數中一個(gè)很重要的功能就是判斷AT指令是否發(fā)送成功，為了區分不同AT指令的響應，程序中采用狀態(tài)標志，表征系統發(fā)送AT指令的類(lèi)型。在收到新短信后，需要提取短信發(fā)送方電話(huà)號碼、短信發(fā)送時(shí)間和短信內容等相關(guān)信息，并加以存儲，提取的依據就是短信接收PDU字符串的編碼格式。為了避免由于短信滿(mǎn)而無(wú)法接收新短信，需要將處理過(guò)的短信刪除。相關(guān)的流程圖如圖2和圖3所示。

圖2 主程序流程圖

圖3 回調函數程序流程圖

5. 結論

本文的創(chuàng )新之處在于提供了嵌入式Linux下GSM模塊的短信收發(fā)系統設計方法，程序設計中利用串行接口驅動(dòng)函數庫libcssl，以串口I/O事件驅動(dòng)設備的數據采集。短信收發(fā)采用PDU模式，能夠處理中文、英文和中英文短信。異步事件驅動(dòng)的架構可以提高系統并發(fā)處理性能，程序能夠執行多個(gè)異步操作而不調用阻塞線(xiàn)程，降低系統開(kāi)銷(xiāo)。嵌入式系統加GSM模塊的系統組成體積小巧，非常適合于偏遠地區或移動(dòng)的數據采集系統。根據系統的需要，還可以充分利用MC35模塊的GPRS功能，實(shí)現高速的數據采集。