基于STM32的SMS短消息收發(fā)系統(tǒng)

摘要：短消息服務(wù)作為GSM網(wǎng)絡(luò)提供的一種基本服務(wù)，已成為諸多領(lǐng)域遠(yuǎn)程控制的一種通信手段。討論一類通用的SMS短消息收發(fā)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，主要內(nèi)容包含短消息調(diào)度和SMS短消息處理控制機(jī)制。特別對(duì)STM32微處理器下短消息收發(fā)調(diào)度的實(shí)現(xiàn)過(guò)程與短消息處理狀態(tài)機(jī)進(jìn)行了詳細(xì)討論。通過(guò)對(duì)超時(shí)時(shí)間的控制和不同條件的切換，使得對(duì)短消息的收發(fā)處理動(dòng)作在一個(gè)時(shí)間段內(nèi)顯示出并發(fā)特性。
關(guān)鍵詞：狀態(tài)機(jī)；STM32；SMS；短消息收發(fā)

    短消息服務(wù)(Short Message Senice)作為GSM網(wǎng)絡(luò)提供給用戶的一種基本的數(shù)字業(yè)務(wù)，已成為諸多領(lǐng)域遠(yuǎn)程監(jiān)控的一種通信手段。在很多應(yīng)用場(chǎng)合中都通過(guò)PC機(jī)直接控制短消息收發(fā)模塊完成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集或遠(yuǎn)程信息傳輸，但對(duì)于偏遠(yuǎn)地區(qū)、架設(shè)通信線路比較困難的地方，需要一種方便攜帶的設(shè)備控制短消息收發(fā)模塊。系統(tǒng)通過(guò)在STM32上完成對(duì)短消息模塊的控制，提出了一種嵌入式短消息收發(fā)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法。
    本文討論一類通用的SMS短消息收發(fā)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，包含短消息調(diào)度和SMS短消息處理控制器的實(shí)現(xiàn)機(jī)制，特別對(duì)STM32嵌入式微處理器下短消息收發(fā)調(diào)度的實(shí)現(xiàn)過(guò)程和短消息處理狀態(tài)機(jī)進(jìn)行了詳細(xì)討論。在嵌入式系統(tǒng)中，時(shí)間和并行性(concurrency)是必不可少的。通過(guò)對(duì)超時(shí)時(shí)間的控制和不同條件的切換，使得對(duì)短消息的收發(fā)處理在較小時(shí)間段內(nèi)顯示出并發(fā)特性。能夠處理多條短消息同時(shí)控制的情況，具有良好的通用性。

1 系統(tǒng)的功能與結(jié)構(gòu)
    SMS是GSM系統(tǒng)提供給廣大移動(dòng)用戶的一種雙向通信、具有一定的交互能力、占用GSM網(wǎng)絡(luò)的信令信道的數(shù)字業(yè)務(wù)。SMS提供了在GSM移動(dòng)站臺(tái)(MS)與一個(gè)短消息實(shí)體(SME)之間通過(guò)服務(wù)中心(SC)傳送短消息的方法。SC提供了在MS與SME之間消息傳送的相互聯(lián)系和轉(zhuǎn)播的功能。SMS采用存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)模式，短消息被發(fā)送出去之后，不是直接地發(fā)送給接收方，而是先存儲(chǔ)在短消息服務(wù)中心，然后再由服務(wù)中心將其轉(zhuǎn)發(fā)給接收方。如果接收方當(dāng)時(shí)關(guān)機(jī)或不在服務(wù)區(qū)內(nèi)，服務(wù)中心會(huì)自動(dòng)保存該短消息，捧隊(duì)并嘗試再次發(fā)送給接收方。由于短消息使用了服務(wù)中心的這種存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，因此SMS具有較高的可靠性。這也意味著GSM模塊收發(fā)SMS的響應(yīng)速度受運(yùn)營(yíng)商服務(wù)中心的限制。因此，要提高響應(yīng)速度，需要一個(gè)持續(xù)在線的終端一直運(yùn)行。
    系統(tǒng)在兩個(gè)短消息實(shí)體間增加本地SMSC(短消息服務(wù)中心)，通過(guò)SMSC完成短消息的解析并執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作、控制、無(wú)線通信功能。確保GSM終端模塊持續(xù)運(yùn)行，以提高響應(yīng)速度。
    系統(tǒng)由TC35i GSM模塊和運(yùn)行在STM32微處理器上的短消息處理控制機(jī)兩部分組成。TC35i負(fù)責(zé)短消息的收發(fā)。短消息處理控制機(jī)用來(lái)向GSM模塊發(fā)送或讀取TC35i收到的短消息，并執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作和控制。二者之間通過(guò)RS232串口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。用戶可以利用手機(jī)通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)進(jìn)行交互完成控制功能。

2 STM32片上資源的分配和使用
    STM32是意法半導(dǎo)體基于Cortex—M3的32位嵌入式處理器，Cortex—M3核性價(jià)比高，價(jià)格低，可以與8位51核單片機(jī)競(jìng)爭(zhēng)。
    處理器和GSM模塊之間通過(guò)RS232串口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，TC35i集成了標(biāo)準(zhǔn)的RS232接口，通過(guò)MAX232芯片做電平轉(zhuǎn)換，與處理器USART接口進(jìn)行通信。因此處理器需要提供兩個(gè)串行通信接口，其中一個(gè)串口用于和GSM模塊進(jìn)行通信，另一個(gè)串口用于和上位機(jī)軟件交換數(shù)據(jù)或調(diào)試。在處理器選型時(shí)需要考慮這個(gè)問(wèn)題，而STM32全系列微處理器均能滿足這個(gè)要求。系統(tǒng)選用的處理器型號(hào)為F103RBT6，該產(chǎn)品系列帶有128k片內(nèi)FLASH，20kRAM，無(wú)需外擴(kuò)存儲(chǔ)器即可以滿足系統(tǒng)對(duì)于多條控制短消息同時(shí)處理耗費(fèi)內(nèi)存空間的需要。STM32F103RB帶有3個(gè)USART接口，可以滿足系統(tǒng)對(duì)串口資源的需求。芯片帶有4個(gè)獨(dú)立定時(shí)器，1個(gè)RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘，系統(tǒng)只用到其中2路：1路用于產(chǎn)生較準(zhǔn)確的系統(tǒng)延時(shí)，用于一般延時(shí)定時(shí)和狀態(tài)切換超時(shí)判斷。一路用于通過(guò)定時(shí)輪詢方式讀取短消息。GSM模塊短消息收發(fā)和運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)通過(guò)USART的中斷處理程序?qū)崿F(xiàn)。

3 SMS短消息控制狀態(tài)機(jī)的實(shí)現(xiàn)
    由于系統(tǒng)旨在完成一類通用的SMS短消息控制機(jī)實(shí)現(xiàn)方法，因此在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)時(shí)從邏輯上將SMS提供方和使用方剝離，將發(fā)送子系統(tǒng)和接收子系統(tǒng)分離。這通過(guò)兩個(gè)全局隊(duì)列實(shí)現(xiàn)，發(fā)送隊(duì)列和接收隊(duì)列。
    定義一個(gè)結(jié)構(gòu)體類型：
   
    作為短消息的基本數(shù)據(jù)單元。
    并定義SMS_PDU類型的隊(duì)列，分別作為發(fā)送隊(duì)列和接收隊(duì)列，即，SMS_PDU類型的結(jié)構(gòu)體數(shù)組。如下：
    SMS_PDU m_QuerySend[MAX_SMS_SEND]；
    SMS_PDU m_QueryRecv[MAX_SMS_RECV]；
    以上定義均為全局隊(duì)列。對(duì)全局變量的操作會(huì)涉及到并發(fā)和多線程訪問(wèn)技術(shù)，本系統(tǒng)考慮到實(shí)時(shí)性采用前后臺(tái)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式，通過(guò)STM32多路定時(shí)和中斷功能來(lái)完成多線程的模擬，主程序調(diào)用一個(gè)無(wú)限循環(huán)的控制器處理函數(shù)，在控制器循環(huán)中調(diào)用相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)函數(shù)完成相應(yīng)的功能。同時(shí)中斷系統(tǒng)作為前臺(tái)，遇到外部觸發(fā)條件則立即構(gòu)造短消息并加入到輸出隊(duì)列中。
    對(duì)發(fā)送隊(duì)列緩沖區(qū)的操作分為人隊(duì)操作和出隊(duì)操作，入隊(duì)操作是由外部采集模塊產(chǎn)生的中斷事件，在該中斷的處理例程中構(gòu)造好具有發(fā)送具體內(nèi)容PDU編碼、目標(biāo)手機(jī)號(hào)等資訊的結(jié)構(gòu)體，并將構(gòu)造好的結(jié)構(gòu)體存放到發(fā)送隊(duì)列中，此時(shí)一旦主程序中的短消息控制器在進(jìn)行收發(fā)處理完畢后處于idle狀態(tài)，將立即切換到開(kāi)始發(fā)送狀態(tài)，完成對(duì)發(fā)送隊(duì)列中歷史積累SMS的發(fā)送處理，在發(fā)送前首先進(jìn)行出隊(duì)操作。
    對(duì)接收隊(duì)列緩沖區(qū)的操作也分為輸入和輸出部分。系統(tǒng)設(shè)定條件為一旦狀態(tài)機(jī)處于idle狀態(tài)達(dá)到5 ms時(shí)間(意味著發(fā)送隊(duì)列中待發(fā)短消息已全部處理完畢)則狀態(tài)切換到開(kāi)始接收狀態(tài)，即通過(guò)AT指令從模塊讀取短消息協(xié)議數(shù)據(jù)單元，解析為SMS-PDU格式并將其放入接收隊(duì)列。輸出部分主要通過(guò)定時(shí)器設(shè)置10 ms輪詢，一旦有解析好的短消息到來(lái)，則馬上控制被控設(shè)備產(chǎn)生相應(yīng)動(dòng)作。
    系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中，通過(guò)main函數(shù)調(diào)用短消息控制器循環(huán)運(yùn)作狀態(tài)遷移轉(zhuǎn)換處理程序來(lái)實(shí)時(shí)完成與GSM模塊的交互，通過(guò)TIM2中斷處理例程完成對(duì)接收隊(duì)列中已到達(dá)短消息的調(diào)度(dispatch)處理，該處理程序會(huì)根據(jù)接收到的短消息內(nèi)容的不同來(lái)實(shí)現(xiàn)具體的控制功能。發(fā)送SMS時(shí)，也采用類似的中斷方式和隊(duì)列形式來(lái)完成多線程的模擬。為了防止對(duì)接收指令的誤響應(yīng)和減小與模塊交互讀取時(shí)間，每次接收短消息后都將GSM模塊上已收短消息刪除。
    系統(tǒng)采用狀態(tài)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)不同狀態(tài)處理的切換，過(guò)程中短消息數(shù)據(jù)收發(fā)的狀態(tài)遷移圖如圖1所示。

4 STM32處理控制機(jī)與GSM模塊的交互
    STM32通過(guò)AT指令完成與GSM模塊交互。與GSM模塊交互讀取短消息有多種方式，如AT+CMGR；AT+CMGL等。由于多個(gè)用戶可以同時(shí)操作，考慮到可能到來(lái)的多條短消息，系統(tǒng)中使用CMGL AT指令完成STM32對(duì)GSM模塊的通信操作，以便利一次讀取，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。
    CMGL指令在SMS PDU mode下的格式如下：
   
    SMS規(guī)范中定義了message_status的5種不同狀態(tài)下的操作：
    0表示已接收到的未讀短信，
    1表示已接收到的已讀短信，
    2表示已存儲(chǔ)的未發(fā)送短信，
    3表示已存儲(chǔ)的已發(fā)送短信，
    4表示列出全部SMS短信。
    如果GSM模塊成功從存儲(chǔ)區(qū)讀到短消息，將會(huì)返回到形如：
   
   
    格式的反饋信息。其中+CMGL后第一個(gè)1所在字段作為索引index，指示短消息在短消息存儲(chǔ)區(qū)中的位置。注意這個(gè)位置小并不表明該短消息是先到達(dá)的控制短消息。第二個(gè)1所在的字段指示短消息的狀態(tài)，同上述message_status的狀態(tài)，但只有0～4的取值范圍。24所在字段指示僅隨其后的的TPDU編碼的有效部分長(zhǎng)度，以10進(jìn)制表示。如果CMGL后面不加“=”號(hào)和任何數(shù)字，默認(rèn)為“CMGL=0”的效果。系統(tǒng)中根據(jù)TPDU編碼的內(nèi)容進(jìn)行解析，并將解析結(jié)果保存到一個(gè)臨時(shí)SMS_PDU結(jié)構(gòu)體類型的數(shù)據(jù)單元中。然后交由短消息處理狀態(tài)機(jī)保存到隊(duì)列中進(jìn)行處理。

5 結(jié)束語(yǔ)
    由于GSM模塊收發(fā)SMS的響應(yīng)速度受運(yùn)營(yíng)商服務(wù)的限制，短消息控制器的狀態(tài)設(shè)計(jì)中需要把發(fā)送AT指令給模塊和從GSM模塊收到響應(yīng)字符串區(qū)分為兩種不同的狀態(tài)，以及區(qū)分其它預(yù)備和執(zhí)行狀態(tài)，并利用MPU定時(shí)器產(chǎn)生精準(zhǔn)毫秒延時(shí)來(lái)判定響應(yīng)是否超時(shí)。但這只能提高狀態(tài)切換精度，無(wú)法保證SMS服務(wù)響應(yīng)的時(shí)間精度，即，系統(tǒng)必須等待GSM模塊返回響應(yīng)信息，這意味著系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的高低瓶頸仍然取決與運(yùn)營(yíng)商。