基于ARM9核的AT91RM9200微處理器的短消息監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本文介紹了GSM無線模塊在嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用，系統(tǒng)采用基于ARM9核的AT91RM9200微處理器，GSM無線模塊采用華為MG323無線模塊，在嵌入式Linux系統(tǒng)下，通過ARM與MG323進(jìn)行控制通信，實(shí)現(xiàn)了短消息模塊的軟件功能。該系統(tǒng)支持FDU短信模式及中文短信。

無線監(jiān)控已成為工業(yè)控制中安全生產(chǎn)、及時(shí)收集重要數(shù)據(jù)必不可少的部分，利用現(xiàn)代化的信息技術(shù)手段，建設(shè)安全生產(chǎn)監(jiān)督管理網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，才能將安全生產(chǎn)和安全監(jiān)督管理工作做好，隨著通訊技術(shù)的發(fā)展，移動(dòng)通信覆蓋的不斷擴(kuò)大，基于GSM網(wǎng)絡(luò)的無線監(jiān)控系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、電力監(jiān)控、智能樓宇和數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫?，加上GSM網(wǎng)絡(luò)具有前期投資少、不受地域限制、通信實(shí)時(shí)性高等優(yōu)點(diǎn)使得它在無線監(jiān)控領(lǐng)域扮演更重要的角色。利用的ARM9處理器主頻高、速度快、內(nèi)存容易擴(kuò)展、可以運(yùn)行嵌入式Linux系統(tǒng)設(shè)計(jì)平臺(tái)等特點(diǎn)，通過軟硬件模塊的設(shè)計(jì)，在GSM無線網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)了短消息的發(fā)送。此系統(tǒng)可以應(yīng)用在采油電機(jī)環(huán)境參數(shù)監(jiān)控上，實(shí)時(shí)監(jiān)控油管的壓力和溫度等參數(shù)，保證油井的安全正常工作。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
圖1所示是基于AT91RM9200的短消息監(jiān)控系統(tǒng)，該平臺(tái)主要包括微處理器單元，GSM／GPRS無線模塊，存儲(chǔ)模塊，串口通訊模塊，網(wǎng)口通訊模塊，USB模塊和電源模塊。

系統(tǒng)構(gòu)建的嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)，主要用于采集數(shù)據(jù)的處理、存儲(chǔ)、發(fā)送和監(jiān)控。具體工作原理是在基于ARM920T內(nèi)核的主頻為180 MHz的AT91RM9200微處理器上，通過串口將下行數(shù)據(jù)傳輸至Flash存儲(chǔ)，然后利用串口、USB和100 Mbit·s-1以太網(wǎng)3種接口方式將數(shù)據(jù)發(fā)送至目標(biāo)，同時(shí)通過GSM無線通信的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控。
此系統(tǒng)在采油電機(jī)環(huán)境參數(shù)傳輸與通信系統(tǒng)存儲(chǔ)模塊的應(yīng)用過程中，主要完成對(duì)采樣和監(jiān)測(cè)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，并通過各種接口傳送至上位機(jī)顯示，以便工作人員對(duì)井下電機(jī)的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行觀測(cè)和處理。無線傳輸模塊可將存儲(chǔ)模塊接收到的數(shù)據(jù)以無線通信的方式發(fā)給油井監(jiān)測(cè)人員，使監(jiān)測(cè)人員可隨時(shí)了解油井的采油情況。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
系統(tǒng)中短消息收發(fā)功能的模塊采用華為公司的4頻GSM／CPRS模塊MG323，工作頻段支持4頻：GSM850／900／1800／1900 MHz，接收靈敏度<-107 dBm，工作溫度-30～+75℃，電源電壓3．3～4．8 V，平均待機(jī)電流<3．0 mA，協(xié)議支持GSM／GPRS Phase2／2+。MG232含有豐富的對(duì)外應(yīng)用接口，包括B2B連接器接口、電源接口、開／關(guān)機(jī)和RESET時(shí)序、控制信號(hào)接口、UART接口、SIM卡接口、充電接口、音頻接口。

MG323與AT91RM9200的硬件電路如圖2所示。ARM通過控制TERM_ON來控制MG323的開關(guān)，當(dāng)TERM_ON管腳拉低≥1 s后，即可開機(jī)；開機(jī)后，如果再次將TERM_ON管腳拉低≥1 s，即可關(guān)機(jī)；控制RESET來控制MG323的硬件復(fù)位，當(dāng)模塊出現(xiàn)軟件死機(jī)時(shí)，通過拉低RESET管腳≥10 ms后，模塊進(jìn)行硬件復(fù)位。
由于MG323模塊對(duì)外提供一路異步RS-232UART1通信接口，UART1支持標(biāo)準(zhǔn)Modem握手信號(hào)控制方式，故MG323GSM模塊通過RS232與AT91RM 9200的UART1相連接。其控制信號(hào)主要為：UART1_RD(模塊數(shù)據(jù)發(fā)送端)，UART1_TD(模塊數(shù)據(jù)接收端)，UART1_RING(模塊振鈴指示)，UART1_ DSR(模塊數(shù)據(jù)設(shè)備就緒)，UART1_RTS(請(qǐng)求發(fā)送)，UART1_DTS(數(shù)據(jù)終端就緒)，UART1_CTS(模塊清除發(fā)送)，UART1_DCD(模塊載波檢測(cè))。RT S／CTS為請(qǐng)求發(fā)送信號(hào)，RTS是發(fā)送起輸出的準(zhǔn)備好信號(hào)。接收雙方準(zhǔn)備好，送回清除發(fā)送信號(hào)CTS后，發(fā)送數(shù)據(jù)開始進(jìn)行，在同一端將這兩個(gè)信號(hào)短接就意味著只要發(fā)送器準(zhǔn)備好即可發(fā)送。DCD載波檢測(cè)又稱接收線路信號(hào)檢測(cè)，本意是Modem檢測(cè)到線路中的載波信號(hào)后，通知終端準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)的信號(hào)在沒有接Modem的情況下，也可以和RES，CTS短接。DTR／DSR數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備好時(shí)發(fā)DTR信號(hào)，在收到數(shù)據(jù)通信裝置準(zhǔn)備好DSR信號(hào)后方可通信。RING原意是在接收到電話交換機(jī)有效的撥號(hào)時(shí)有效，同時(shí)數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備傳送。
MG323模塊通過信號(hào)SM_CLK(SIM卡時(shí)鐘)，VSIM(SIM卡電源)，SIM_DATA(SIM卡數(shù)據(jù))，SIM_RST(SIM卡復(fù)位)，GND(SIM卡地)與SIM卡相連接。
該系統(tǒng)還包括兩片16 MB的SDRAM，兩片8 MB的NOR_Flash，3個(gè)RS232，主USB，從USB和100 Mbit·s-1以太網(wǎng)等模塊。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)主要是基于Linux下C的編程，無線監(jiān)控程序是依照短消息收發(fā)的原理來對(duì)于GSM模塊的控制。

3．1 短消息收發(fā)的原理

短消息內(nèi)容的最大長(zhǎng)度為140 Byte。它的編碼主要有7位編碼，8位編碼，UC2編碼3種編碼方式。7位編碼是每Byte只使用低7位，每8 By te為一組，去掉最高位，重新編碼為7 Byte，因此，7位編碼實(shí)際可以表示到160 Byte。但7位編碼只能發(fā)送0x00～0x7F范圍內(nèi)的字符，一般在發(fā)送英文短信時(shí)使用。編碼原理是：每8 Byte為一組，分別用A，B，C，D，E，F(xiàn)，G代表8 Byte，An代表每個(gè)Byte的位，則8 Byte重新編碼成如表1所示的7 Byte。

8位編碼是所見即所得的編碼方式，即無需編碼，只要將二進(jìn)制串直接發(fā)送即可。8位編碼方式適用于制定各種基于短消息的通訊協(xié)議。U C2編碼常用于中文或中英文混合內(nèi)容發(fā)送，只能發(fā)送70個(gè)字符(1個(gè)UC2占2 Byte)。由于國(guó)內(nèi)一般的編輯器多以GB編碼，因此，若要發(fā)送中文，需先將中文轉(zhuǎn)換為UC2編碼再發(fā)送。在手機(jī)上，通常的做法是如果全部為英文及半角字符，則以7位編碼發(fā)送，如果含有中文，則全部編碼為UC2發(fā)送。
短消息發(fā)送方式主要分為文本模式和PDU模式。文本模式其實(shí)是針對(duì)7位編碼做的一個(gè)封裝，它只能用于發(fā)送ANSI范圍的字符，發(fā)送方式較簡(jiǎn)單。而PDU模式中所有短消息數(shù)據(jù)發(fā)送前都必須組織成PDU的格式，在PDU模式下發(fā)送短信比較復(fù)雜，需要自行組織PDU內(nèi)容，但發(fā)送方式靈活，可以發(fā)送各種數(shù)據(jù)，也可以自行設(shè)定各PDU字段的內(nèi)容。
3．2 常用的短消息AT指令
GSM無線模塊采用標(biāo)準(zhǔn)AT指令集通信，AT命令是用于控制TE(Terminal EQUIPment)(如PC等用戶終端)和MT(Mobile Terminal)(如移動(dòng)臺(tái)等移動(dòng)終端)之間的相互規(guī)則。AT命令類型主要分為基本命令、S寄存器命令、擴(kuò)展以及廠商定義命令3類。

3．3 GSM程序的實(shí)現(xiàn)
ARM與GSM通信以ttyS1對(duì)應(yīng)的串口為橋梁，與MG323提供的1個(gè)UART接口連接，支持短消息、電話本管理、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、嵌入式TCP／UDP等功能。使用ARM發(fā)出AT指令集對(duì)GSM模塊進(jìn)行相應(yīng)的操作，能夠完成發(fā)短消息的功能。具體軟件流程如圖3所示。

對(duì)串口初始化的工作主要是波特率、校驗(yàn)位和停止位設(shè)置。配置完串口的相關(guān)屬性，就可以對(duì)串口進(jìn)行打井、讀寫操作了。在Linux系統(tǒng)中，所有的設(shè)備文件都位于“／dev”下，其中串口2對(duì)應(yīng)的設(shè)備名為“／dev／ttyS1”，在Linux下對(duì)設(shè)備和對(duì)文件的操作方法是一樣的，因此對(duì)串口讀寫可以使用簡(jiǎn)單的“read”，“‘write”函數(shù)完成。
對(duì)GSM模塊進(jìn)行初始化工作主要是發(fā)送“AT”給MT(Mobil Terminal)看起是否有回復(fù)以確定ARM與GSM的串口工作正常。在確認(rèn)串口正常工作后，發(fā)送“ATE0”命令關(guān)閉MT的回顯。
設(shè)置短信的通知方式、短信的格式(PDU)以及短信的編碼(USC2)。如果每個(gè)功能的設(shè)定都正常，最后按照PDV格式向指定用戶發(fā)送“GSM模塊初始化成功”的短信。
解析數(shù)據(jù)并發(fā)送短信主要是首先按PDU格式填充發(fā)送個(gè)MT的緩沖區(qū)的前46 Byte。然后打開數(shù)據(jù)存儲(chǔ)文件，用lseek函數(shù)將文件光標(biāo)由文件結(jié)尾向前移動(dòng)17 Byte。因?yàn)閿?shù)據(jù)幀中的數(shù)據(jù)是以2 Byte的16進(jìn)制來表示，所以首先將其合并成一個(gè)16位的短整型，然后將合并的數(shù)據(jù)與檢驗(yàn)位相加。將數(shù)據(jù)處理后，最后發(fā)送短信并檢查MT回復(fù)中是否有+CMGS的指令，若有則代表短信發(fā)送成功。

4 結(jié)束語
以AT91RM9200處理器搭建嵌入式Linux系統(tǒng)，利用GSM／GPRS無線通信模塊實(shí)現(xiàn)短消息的發(fā)送。同時(shí)嵌入式系統(tǒng)加GSM模塊的系統(tǒng)組成體積小巧，工作穩(wěn)定，適合偏遠(yuǎn)地區(qū)或移動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，提供了數(shù)據(jù)采集監(jiān)控的新手段。隨著無線通信系統(tǒng)的不斷發(fā)展和成熟，它必將深入到生活的各個(gè)方面。