單片機控制GSM模塊實現(xiàn)短信收發(fā)的軟件設(shè)計
關(guān)鍵詞：單片機 短信收發(fā) 軟件設(shè)計
GSM（Global System for Mobile communication）系統(tǒng)是目前基于時分多址技術(shù)的移動通信體制中，比較成熟完善，且應(yīng)用最廣泛的一種系統(tǒng)。目前已建成的覆蓋全國的GSM數(shù)字蜂窩移動通信網(wǎng)，是我國公眾移動通信網(wǎng)的主要方式?；贕SM的短信信息服務(wù)，是一種在移動網(wǎng)絡(luò)上傳送簡短信息的無線應(yīng)用，是一種信息在移動網(wǎng)絡(luò)上存儲和轉(zhuǎn)寄的過程。由于公眾GSM網(wǎng)絡(luò)在全球范圍內(nèi)實現(xiàn)了聯(lián)網(wǎng)和漫游，建議上述系統(tǒng)不需再組建專用通信網(wǎng)絡(luò)，所以具有實時傳輸數(shù)據(jù)功能的短信應(yīng)用將得到迅速普及。筆者開發(fā)設(shè)計的基于GSM網(wǎng)絡(luò)的溫度數(shù)據(jù)采集與無線傳輸系統(tǒng)正是借助該網(wǎng)絡(luò)平臺，利用短信息業(yè)務(wù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動雙向傳遞。系統(tǒng)模型圖如圖1所示。
本系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集部分、數(shù)據(jù)接收和發(fā)送部分、終端處理部分三個模塊組成。數(shù)據(jù)采集模塊將采集到的溫度數(shù)據(jù)存入存儲器中。數(shù)據(jù)收發(fā)模塊采用雙單片機共用E2RPOM的方式，單片機2控制數(shù)據(jù)從存儲器轉(zhuǎn)存入E2PROM中；單片機1負責(zé)將數(shù)據(jù)從E2PROM中讀出，并經(jīng)GSM模塊2借助GSM網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。單片機1不僅控制數(shù)據(jù)的發(fā)送，也控制數(shù)據(jù)的接收。在這里，E2PROM是溫度數(shù)據(jù)臨時存儲和上傳的中轉(zhuǎn)站。終端處理模塊負責(zé)將接收到的數(shù)據(jù)交給計算機處理，并將處理后的結(jié)果存放到數(shù)據(jù)庫中，以供查詢。當(dāng)終端處理模塊需要向GSM模塊2發(fā)送控制命令時，GSM模塊2接收過程正好與上述過程相反，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動雙向傳遞。
系統(tǒng)中，三個模塊相互獨立，彼此又相互依賴，共同完成數(shù)據(jù)的傳輸。數(shù)據(jù)收發(fā)模塊在系統(tǒng)中起著承上啟下的作用，是系統(tǒng)的核心模塊。該模塊以雙單片機為核心，以RS232通信接口，在物理層上實現(xiàn)與GSM模塊的連接。由于篇幅的限制，本文主要介紹單片機控制這一模塊工作的軟件實現(xiàn)過程，旨在對怎樣用單片機控制GSM模塊收發(fā)短信息進行探討。
1 GSM模塊MZ28
MZ28是中興通訊推出的GSM無線雙頻調(diào)制解調(diào)器，主要為語音傳輸、短信發(fā)送和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)提供無線接口。MZ28集成了完整的射頻電路和GSM的基帶處理器，特別適合于迅速開發(fā)基于GSM無線網(wǎng)絡(luò)的無線應(yīng)用產(chǎn)品。帶有人機接口（MMI）界面的應(yīng)用產(chǎn)品內(nèi)部與MZ28的通信可通過標(biāo)準(zhǔn)的串行接口（RS232）進行。MZ28使用簡單的20-PIN ZIP插座與用戶自己的應(yīng)用系統(tǒng)相連，此ZIP連接方式提供開發(fā)所需的數(shù)據(jù)通信、音頻和電源等接口信號。MZ28可以作為無線引擎，嵌入到用戶自己的產(chǎn)品當(dāng)中，用戶可以用單片機或其它CPU的UART口，使用相應(yīng)的AT命令，對模塊進行控制，達到使其產(chǎn)品可以輕松進入GSM網(wǎng)絡(luò)的目的。
2 串口控制SMS的工作原理
單片機與GSM模塊一般采用串行異步通信接口，通信速度可設(shè)定，通常為19200bps。采用這種RSM232電纜方式進行連接時，數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃暂^好。RS232接口方式連接，通過串行接口集成電路和電平轉(zhuǎn)換電路與GSM模塊連接，電路比較簡單，所涉及的芯片包括單片機89C52和電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232，是非常常見的接口電路。需要說明的是，該接口通過I2C總線擴展了一個E2PROM存儲器芯片AT24C64，它的主要作用是存儲數(shù)據(jù)，而且斷電信息也不會丟失，這些特性正是存儲數(shù)據(jù)所必須的。
GSM的短信息業(yè)務(wù)SMS利用信令信道傳輸，這是GSM通信網(wǎng)所特有的。它不用撥號建立連接，把要發(fā)的信息加上目的數(shù)據(jù)發(fā)送到短信息服務(wù)中心，經(jīng)短信服務(wù)中心完成存儲后再發(fā)送給最終的信宿。所以當(dāng)目的GSM終端沒開機時信息不會丟失。每個短信的信息量限制為160字節(jié)。
現(xiàn)在市場上大多數(shù)手機均支持GSM07.05規(guī)定的AT指令集。該指令集是ETSI（歐洲通信技術(shù)委員會）發(fā)布的，其中包含了對SMS的控制。利用GSM手機的串行接口，單片機向手機收發(fā)一系列的AT命令，就能達到控制GSM模塊收發(fā)SMS的目的。必須注意的是，用單片機實現(xiàn)時，編程必須注意它發(fā)送指令與接收到的響應(yīng)都是字符的ASCII碼。用單片機控制GSM模塊收發(fā)短信息所涉及以的AT指令如表1所列。
表1 AT指令
| AT指令 |
功 能 描 述 |
| AT+OFF | 關(guān)機并重新啟動 |
| AT+CSDH=0 | 在TEXT模式下在返回值中不顯示詳細的頭信息 |
| ATE0 | 關(guān)閉回顯 |
| AT+CMGF=1 | 選擇短信格式為TEXT模式 |
| AT+CMGS | 發(fā)送短信息 |
| AT+CMGR | 讀取短信息 |
| AT+CMGD=0 | 刪除全部短信息 |
3 軟件實現(xiàn)
3.1 上位機模塊和下位機模塊半雙工通信協(xié)議的實現(xiàn)
3．1．1 應(yīng)答和重發(fā)
上位機模塊和下位模塊的通信雙方遵照半雙工通信方式進行，即數(shù)據(jù)傳送是雙向的。但是，任何時刻只能由其中的一方發(fā)送數(shù)據(jù)，另一方接收數(shù)據(jù)，因為E2PROM的讀出和寫入不能同時進行。為了避免一方在發(fā)送信息幀時（這里的信息幀指的是下位機模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)幀和上位機模塊發(fā)送的命令幀，下同），另一方也會發(fā)送數(shù)據(jù)，必須把信道變成半雙工方式。盡管這樣效率可能不如全雙工方式，但通過此舉犧牲效率可以換取模塊工作性能的穩(wěn)定。雙方采取的順序是：發(fā)→收到應(yīng)答后→再發(fā)。
按照整個系統(tǒng)的設(shè)計思路，上位機模塊（即圖1中的GSM模塊1，下同）發(fā)送的幀包括命令幀、確認幀和非確認幀；下位機模塊（即圖1中的GSM模塊2，下同）發(fā)送的幀包括數(shù)據(jù)幀、確認幀和非確認幀。其中確認幀和非確認幀是發(fā)送數(shù)據(jù)后等待對方發(fā)送的應(yīng)答幀，以此作為繼續(xù)發(fā)送下一幀和重新發(fā)送上一幀的依據(jù)。命令幀和數(shù)據(jù)幀是信息幀，當(dāng)一方先發(fā)送完信息幀，如果收方接收到對方的信息幀，而又沒有信息幀需要發(fā)送，那么情況就比較簡單，收方將根據(jù)信息幀的正確與否決定發(fā)送確認幀還是非確認幀，以使對方?jīng)Q定是繼續(xù)發(fā)送還是重新發(fā)送；如果此刻收方也有信息幀需要發(fā)送，那么收方將不立即發(fā)送應(yīng)答幀，而是立即發(fā)送本方的信息幀給對方，并等待對方對此幀的應(yīng)的應(yīng)答幀，在收到對方的應(yīng)答幀后，收方將依據(jù)應(yīng)答幀的內(nèi)容（即確認幀或者是非確認幀，下同）決定是繼續(xù)發(fā)送下一信息幀，還是重新發(fā)送原來的信息幀。如果由于鏈路本身不可靠等因素造成應(yīng)答幀的丟失，收方將在一定時間內(nèi)因為沒有收到應(yīng)答幀而延時重發(fā)原來的信息幀。在收到對方的應(yīng)答幀后，收方將繼續(xù)發(fā)送下一信息幀，并等待對方的應(yīng)答幀，如此反復(fù)，直到收方全部發(fā)送完信息幀。在本方收到對方最后一個應(yīng)答幀后，表明本方全部的信息幀發(fā)送完畢。然后收方將發(fā)送對方仍然等待的應(yīng)答幀，通知對方收到的信息幀正確與否。
圖2
3．1．2 延時重發(fā)
在雙方通信過程中，有兩個時間t1和t2，分別表示重新發(fā)送信息幀的最大延時。t1表示一方發(fā)送完信息幀到收到對方應(yīng)答幀的時間，如果等待應(yīng)答幀的時間超過了t1，則發(fā)方會重新發(fā)送原來的信息幀；當(dāng)收方接收到對方發(fā)送的信息幀，如果收方此時有需要發(fā)送的信息幀，則收方此記得不發(fā)送應(yīng)答幀，而是發(fā)送信息幀給對方。也就是說，利用對方等待收方應(yīng)答幀的時間t1內(nèi)，收方插入發(fā)送本文的信息幀，同樣本方的發(fā)送也存在一個延時重發(fā)的問題。在規(guī)定的時間內(nèi)，如果沒有收到對方應(yīng)答幀，收方也同樣需要重發(fā)原來的信息幀，這個規(guī)定的時間就是t2。顯然由于收方是利用間隙時間發(fā)送本方信息幀，所以t2<t1。
圖2以下位機模塊先發(fā)數(shù)據(jù)幀為例，闡述雙方通信的具體實現(xiàn)過程。
需要說明的是，由于版面的限制，圖2所示的通信過程沒有涉及到發(fā)送非確認幀的情況，如果收方發(fā)送非常認幀，發(fā)方的發(fā)送過程跟發(fā)送數(shù)據(jù)幀是一樣的，只不過這種情況下需要重發(fā)同一幀號的數(shù)據(jù)幀。如果上位機模塊先發(fā)命令幀，雙方通信的實現(xiàn)過程跟圖2類似，所不同的是數(shù)據(jù)幀此時變成命令幀，命令幀變成數(shù)據(jù)幀。在延時的時間上，無論是下位機發(fā)送數(shù)據(jù)幀還是上位機發(fā)送命令幀，t2的大小都應(yīng)該是一樣的，都是利用時間間隔t2發(fā)送收方信息幀，延時的時間是相同的。然而，對于t1而方，情況就有所不同。因為下位機模塊先發(fā)送數(shù)據(jù)幀時，利用t1的間隔時間上位機模塊發(fā)送的命令幀可靠較少，因此當(dāng)下位機模塊先發(fā)送數(shù)據(jù)幀時所定義的t1應(yīng)該小于當(dāng)上位機模塊先發(fā)送命令幀時，所定義的t1。這是因為當(dāng)上位機模塊先發(fā)送命令幀時，利用t1的間隔時間下位機模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)幀可能比較多。
3.2 幀格式
GSM模塊通過異步通信接口實現(xiàn)對SMS的控制共有三種接入?yún)f(xié)議：Block Mode；基于AT指令的Text Mode；基于AT指令PDU Mode。本系統(tǒng)發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)都是基于數(shù)字的溫度數(shù)據(jù)和命令字，為了保證系統(tǒng)的適用性，SMS的收發(fā)采用TEXT模式。TEXT模式是基于字符的，更具體地說是基于ASCII碼的一種結(jié)構(gòu)模式。在該模式下，模塊發(fā)送和接收的信息幀格式如下：
| 幀頭 | 幀序號 | 數(shù)據(jù) | 校驗子 |
信息幀包括數(shù)據(jù)幀和命令幀。
幀頭表示數(shù)據(jù)幀的標(biāo)記，是由固定的字符“WQ”構(gòu)成。
幀序號表示數(shù)據(jù)幀的序號，由兩個字節(jié)組成。幀序號表示下位機模塊發(fā)送的遞增數(shù)據(jù)幀序號和上位機模塊發(fā)送的命令幀序號。為了簡化幀結(jié)構(gòu)，命令幀的序號統(tǒng)一為00H。
數(shù)據(jù)字段的長度為154字節(jié)，最多發(fā)送77個字符（采用TEXT模式，不能發(fā)送漢字）。
檢驗子為數(shù)據(jù)字段所有字節(jié)累加和的初碼（原碼取反加1），由一個字節(jié)組成。
除了信息幀外，雙向傳遞的還有應(yīng)答幀，它包括確認幀和非確認幀。確認幀是雙方反饋給發(fā)方的應(yīng)答幀，表示收方已經(jīng)正確接收到了發(fā)方發(fā)送的信息幀。確認幀格式僅包括兩個字段，且兩個字段的內(nèi)容都是固定的，即幀頭“WQ”和數(shù)據(jù)字段“ACK”，確認幀格式如下。
| WQ | ACK |
非確認幀是收方給發(fā)方的應(yīng)答幀，表示收方收到的是無效的信息幀，其格式與應(yīng)答幀格式類似，幀格式如下。
| WQ | NACK |
3.3 E2PROM空間的分配
采用8KB的E2PROM，按照每77個字節(jié)為一個塊進行劃分，共106塊，如圖3所示。
第00、01塊留作系統(tǒng)使用，第02塊～第105塊是數(shù)據(jù)塊，用作存放數(shù)據(jù)。
3．4 收發(fā)端與采集端的握手協(xié)議
收發(fā)端與采集端共用一個存儲器，即雙CPU對同一個E2PROM進行操作。實現(xiàn)方案是分別使兩個微處理器的一個I/O腳相連，兩個CPU采用查詢方式對此I/O端進行查詢。如果某時候收發(fā)端查詢到本地I/O端為高電平，則單片機1擁有此存儲器的操作權(quán)，可以對E2PROM進行讀寫操作。如果采集端查詢到本地I/O端為高電平，則單片機2擁有此存儲器的操作權(quán)，可以對它進行寫操作。一方操作完畢后將I2C總線置為高電平，表明本端已經(jīng)釋放I2C總線，E2PROM目前處于可用狀態(tài)。
3.5 程序的設(shè)計
3．5．1 主函數(shù)的設(shè)計思路
開機上電后，程序在主函數(shù)中運行，單片機和GSM模塊分別進行初始化。單片機的初始化包括設(shè)置串口工作方式、波特率，并初始化變量參數(shù)和標(biāo)志位。GSM模塊初始化包括重新啟動、關(guān)閉回顯、設(shè)置在TEXT模式下的返回值中不顯示詳細的頭信息、選擇短信格式為TEXT模式、開發(fā)串口中斷準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)。
3．5．2 GSM返回參數(shù)的處理—SHELL函數(shù)
SHELL函數(shù)是進入時鐘中斷程序時被調(diào)用時，該函數(shù)是對GSM模塊返回參數(shù)進行處理的函數(shù)。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計的要求，需要對GSM模塊進行下列操作：呼叫對方模塊號碼、發(fā)送數(shù)據(jù)、閱讀短信、刪除短信?；谝陨喜僮髦噶?，如果操作成功GSM模塊會分別返回不同的參數(shù)：>、+CMGS、+CMGR、OK。根據(jù)接收到的不同參數(shù)，下位機模塊將轉(zhuǎn)向不同的操作步驟，判斷并改變標(biāo)志位的值。比如，如果某時刻接收到>，這表明呼叫對方模塊號碼獲得成功，接下來需要發(fā)送數(shù)據(jù)。這時SHELL函數(shù)將檢查發(fā)送不同數(shù)據(jù)所代表的標(biāo)志位f_sending、f_ack、f_nack，從而決定需要發(fā)送何種類型的數(shù)據(jù)。
3.5.3 短信數(shù)據(jù)的處理—ExecData函數(shù)
進入時鐘中斷調(diào)用SHELL函數(shù)時，如果接收到了返回的參數(shù)+CMTI，表明上位機模塊向下位機模塊發(fā)送了短信數(shù)據(jù)，可能是命令幀，也可能是確認幀或者非確認幀。在這種情況下，SHELL函數(shù)需要對短信內(nèi)容進行分析，并根據(jù)短信的內(nèi)容進行不同的處理，負責(zé)完成以上功能的就是ExecData函數(shù)，它是被SHELL函數(shù)調(diào)用的，用來分析并處理短信數(shù)據(jù)。
結(jié)語
通過以上的分析不難發(fā)現(xiàn)，整個程序錯綜復(fù)雜，函數(shù)之間相互牽扯。標(biāo)志位在程序的實現(xiàn)過程中扮演著非常重要的角色，正是依靠這些標(biāo)志位，程序才能很好地實現(xiàn)各個功能之間的切換，而標(biāo)志位的值是通過OSM模塊返回的參數(shù)修改的。因此程序的實現(xiàn)過程應(yīng)該是閱讀參數(shù)→修改標(biāo)志位→發(fā)送指令。
主函數(shù)、時鐘中斷和串口中斷程序、SHELL函數(shù)、ExecData函數(shù)貫穿整個程序的主線和核心部分，對它們的分析可以理解程序的主體思想，這也正是筆者著重介紹的原因所在。然而這些函數(shù)和中斷程序的實現(xiàn)，還需要依靠其它函數(shù)的配合，比如基于I2C總線的E2PROM操作函數(shù)、字符串操作函數(shù)以及串口發(fā)送函數(shù)等，由于篇幅所限，在此不再介紹。GSM網(wǎng)絡(luò)本身是不完全可靠的，可能會發(fā)生幀發(fā)送錯誤、幀丟失的現(xiàn)象。但是由于重發(fā)、延時重發(fā)機制的存在，程序可以最大程度避免上述情況的發(fā)生。在實際應(yīng)用過程中，模塊運行正常，性能穩(wěn)定，實時性好。
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