嵌入式GSM短信息接口的軟硬件設(shè)計
關(guān)鍵詞：GSM SMS UTF-8 GB-2312 無線通信 無線數(shù)傳 遙控 中文編碼
引 言
SMS（Short Message Service）短信息服務是GSM（Global System for Mobile Communication）系統(tǒng)中提供的一種GSM終端（手機）之間，通過服務中心(Service Center)進行文本信息收發(fā)的應用服務，其中服務中心完成信息的存儲和轉(zhuǎn)發(fā)功能。短信息服務作為GSM網(wǎng)絡的一種基本業(yè)務，已得到越來越多的系統(tǒng)運營商和系統(tǒng)開發(fā)商的重視，基于這種業(yè)務的各種應用也蓬勃發(fā)展起來。以GSM網(wǎng)絡作為數(shù)據(jù)無線傳輸網(wǎng)絡，可以開發(fā)出多種前景極其樂觀的各類應用，如無線數(shù)據(jù)的雙向傳送、無線遠程檢測和控制等。典型的應用有：變電站、電表、水塔、水庫或環(huán)保監(jiān)測點等監(jiān)測數(shù)據(jù)的無線傳輸和無線自動警報；遠程無線控制高壓線路斷電器、加熱系統(tǒng)、防洪攔阻系統(tǒng)或其它機電系統(tǒng)的啟動和關(guān)閉；車隊交通管理和控制指揮系統(tǒng)；控制和監(jiān)測香煙、食品和飲料自動售貨機的運行狀態(tài)和存貨水平等等。
由于GSM網(wǎng)絡在全國范圍內(nèi)實現(xiàn)了聯(lián)網(wǎng)和漫游，具有網(wǎng)絡能力強的特點，用戶無需另外組網(wǎng)，在極大提高網(wǎng)絡覆蓋范圍的同時為客戶節(jié)省了昂貴建網(wǎng)費用和維護費用。同時，它對用戶的數(shù)量也沒有限制，克服了傳統(tǒng)的專網(wǎng)通信系統(tǒng)投資成本大，維護費用高，且網(wǎng)絡監(jiān)控的覆蓋范圍和用戶數(shù)量有限的缺陷。比起傳統(tǒng)的集群系統(tǒng)在無線網(wǎng)絡覆蓋上具有無法比擬的優(yōu)勢，加上GSM的SMS本身具備的數(shù)據(jù)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(tǒng)進行無線通信還具有雙向數(shù)據(jù)傳輸功能，性能穩(wěn)定，為遠程數(shù)據(jù)傳送和監(jiān)控設(shè)備的通信提供了一個強大的支持平臺。
1 SMS短信息的無線數(shù)傳監(jiān)視和控制
通常情況，基于SMS短信息服務的無線數(shù)傳監(jiān)視和控制系統(tǒng)為一個點到多點的遠程無線雙向數(shù)據(jù)通信和控制系統(tǒng)，如圖1所示。系統(tǒng)的中心點為數(shù)據(jù)或監(jiān)控指揮中心，由計算機網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)庫、電子地圖和GSM通信接口組成。監(jiān)控中心主要完成各種信息和數(shù)據(jù)的收發(fā)和整理：一方面，接收各個監(jiān)控點上傳的信息和數(shù)據(jù)，并把它們放入相應的數(shù)據(jù)庫和分發(fā)給相應的監(jiān)控計算機，以實現(xiàn)對各個監(jiān)控點的監(jiān)控和管理；另一個方面，監(jiān)控中心響應監(jiān)控計算機發(fā)出的對各個監(jiān)控點的控制信息，并且把這些信息下發(fā)到相應的監(jiān)控點上，從而達到對監(jiān)控點設(shè)備進行控制的目的。
2 GSM無線通信控制終端
GSM無線通信控制終端為一個MC3的嵌入式系統(tǒng)，具有如圖2所示的測量、數(shù)據(jù)采集、控制、無線通信功能。GSM無線通信控制終端通過GSM網(wǎng)絡和監(jiān)控中心進行雙向的信息傳輸。它將測量和采集到的數(shù)據(jù)信息傳送到監(jiān)控中心，同時接收監(jiān)控中心的控制數(shù)據(jù)，對設(shè)備實施相應的控制。
3 GSM通信接口的硬件實現(xiàn)
GSM無線通信控制終端的通信接口一般采用目前在市場上提供的可供二次開發(fā)的標準的GSM模塊，如TC35、FALCOM、WISMO3等。這些通信模塊都具備GSM無線通信的全部功能，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UART接口與GSM模塊連接，并直接使用AT命令就可以方便簡潔地實現(xiàn)短信息的收發(fā)、查尋和管理。
在我們設(shè)計的GSM無線通信控制終端中，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個引腳，內(nèi)部集成了4K字節(jié)的RAM、4K字節(jié)的EEPROM、128K字節(jié)的Flash以及2個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(jié)構(gòu)大大簡化，提高了系統(tǒng)的可靠性。系統(tǒng)的硬件框圖如圖3所示。
4 基于GSM通信的軟件接口
市場上提供的可供二次開發(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UART串行接口直接向GSM模塊下發(fā)AT命令，就可以方便簡潔地實現(xiàn)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
| AT指令 |
功 能 |
| AT+CMGD | 刪除一條保存在SIM卡內(nèi)的短信息 |
| AT+CMGF | 選擇短信息格式：0為PDU方式：1為文本方式 |
| AT+CMGL | 列出SIM卡中的保存短信息 |
| AT+CMGR | 讀取SIM卡中指定一條短信息的內(nèi)容 |
| AT+CMGS | 發(fā)送一條短信息 |
| AT+CSCA | 設(shè)置短信息服務中心地址 |
根據(jù)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AT命令的Text模式和基于AT命令的PDU模式。使用Block模式需要模塊生產(chǎn)廠家提供驅(qū)動支持；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。下面一段簡單的程序給出一個示例：
PRINT "AT+CSCA=";Chr(34);"+8613800210500";Chr(34) ‘設(shè)置短信息中心號碼
PRINT "AT+CMGF=1" ‘設(shè)置為Text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高級語言編寫，其中PRINT語句的功能是通過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）。第一行語句設(shè)置短信息服務中心號碼，即通過串口發(fā)送以下字符串： AT+CSCA= "+8613800210500"，其中+8613800210500為上海地區(qū)中國移動的短信息服務中心號碼。第二行語句設(shè)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(nèi)容為“This is a test SMS”，確認控制字符為Ctrl-Z。第五行語句為讀取一條收到的短信息內(nèi)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(nèi)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(jù)GSM 07.05的定義，只要控制器通過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(shè)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，新的短信息）或1（已讀過）；
Length為十進制數(shù)，表示pdu數(shù)據(jù)長度減去短信息服務中心地址長度，單位為字節(jié)；
<CR><LF>為回車換行；
pdu為PDU模式的數(shù)據(jù)包。
然后，要分析PDU數(shù)據(jù)包，根據(jù)PDU的數(shù)據(jù)格式將收到的中文信息和其它相關(guān)信息解析出來。
5.1 PDU數(shù)據(jù)包格式
PDU數(shù)據(jù)包由兩部分構(gòu)成，短信息服務中心地址（SMSC address）和TPDU，表2為PDU數(shù)據(jù)包的格式，其中一個數(shù)據(jù)單元為一個字節(jié)。
其中短信息服務中心號碼、發(fā)送源號碼、日期以及時間采用壓縮BCD碼表示，低位在前，高位在后。在本文的網(wǎng)絡補充版（http://www.dpj.com.cn）中給出了通過讀取短信息的AT命令（AT+CMGR=1）從GSM模塊讀到的一條PDU模式的短信息，并給出常見的數(shù)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TP-DCS的值為00。如短信息內(nèi)容為英文字符“Hi”，首先將各個字符轉(zhuǎn)換為7位的標準二進制ASCII碼，然后要將后面字符的低位逐位調(diào)整到前面，補齊前面的差別。例如：“H”的二進制ASCII碼為1001000，“i” 二進制ASCII碼為1101001；顯然H的二進制編碼不足八位，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0，變成00110100（34），于是“Hi”就變成了兩個八進制數(shù) 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(shù)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(shù)據(jù)包格式（接收MSM）
| 備注 | 名稱 | 長度 | 數(shù)據(jù)單元bit位 | |||||||
| 7 | 6 | 5 | 4 | 3 | 2 | 1 | 0 | |||
| SMSC地址長度 | 1 | N+1（十六進制數(shù)） | ||||||||
| SMSC地址類型 | 1 | 1 | 號碼類型 | 號碼表 | ||||||
| SMSC號碼 | N | 號碼第2位 | 號碼第1位 | |||||||
| 號碼第4位 | 號碼第3位 | |||||||||
| …… | …… | |||||||||
| 號碼第n位 | 號碼第n-1位 | |||||||||
| TPDU第一字節(jié) | 1 | |||||||||
| 最長12字節(jié) | 發(fā)送源號碼長度 | 1 | 實際號碼位數(shù)k(十六進制數(shù)) | |||||||
| 發(fā)送源號碼類型 | 1 | 1 | 號碼類型 | 號碼表 | ||||||
| 發(fā)送源號碼 | M | 號碼第2位 | 號碼第1位 | |||||||
| 號碼第4位 | 號碼第3位 | |||||||||
| 號碼第k位 | 號碼第k-1位 | |||||||||
| TP-PID | 1 | |||||||||
| TP-DCS | 1 | |||||||||
| TP-SCTS | 7 | 年低位 | 年高位 | |||||||
| 月低位 | 月高位 | |||||||||
| 日低位 | 日高位 | |||||||||
| 時低位 | 時高位 | |||||||||
| 分低位 | 分高位 | |||||||||
| 秒低位 | 秒高位 | |||||||||
| 時 區(qū) | ||||||||||
| TP-UDL | 1 | |||||||||
| 最長140字節(jié) | TP-UD短信息內(nèi)容 | 1 | ||||||||
| 1 | ||||||||||
| 1 | ||||||||||
| 1 | ||||||||||
5.3 中文短信息的解碼
由于中文字的編碼是采用2個字節(jié)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(nèi)常用的GB-2312編碼，故還需要進行中文編碼的轉(zhuǎn)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性關(guān)系，因此只能采用查表的方式進行轉(zhuǎn)換。下面給出一個由UTF-8到GB-2312編碼轉(zhuǎn)換的算法。
?、?建立UTF-8和GB-2312兩個中文編碼表，表中數(shù)據(jù)項為2個字節(jié)長度的十六進制的數(shù)，代表一個中文編碼。兩個表的長度分別為14 890字節(jié)（2×7445）。UTF-8編碼表按數(shù)據(jù)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。
② 軟件解碼過程為：每次從PDU模式SMS數(shù)據(jù)包的TP-UD中取出兩個字節(jié)，采用二分法快速數(shù)據(jù)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(shù)為lg2(n+1)，UTF-8表的長度n為7445，固最壞查找次數(shù)為13次，就是說一個中文編碼由UTF-8到GB-2312的轉(zhuǎn)換最多經(jīng)過13次比較查找就可完成。 這比采用簡單的順序查表要快的多，大大減少了查表所花費的時間，非常適合在一般的嵌入式系統(tǒng)中使用。
?、?盡管兩個漢字編碼表要占用近30 KB（如還需要GB-2312到UTF-8的轉(zhuǎn)換，則還要增加兩個表，共占60 KB），但由于采用了ATmega128單片機，其片內(nèi)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(tǒng)程序，因此完全不用外部擴充存儲器（漢字字庫除外），大大簡化了硬件的結(jié)構(gòu)和設(shè)計。
結(jié) 語
本文的設(shè)計方案已應用在我們研發(fā)的產(chǎn)品“車船載GPS-GSM衛(wèi)星定位無線通信移動終端”上，經(jīng)過多年的運行和使用，證明系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠。2001年10月，在美國著名計算機應用雜志《CIRCUIT CELLAR》舉辦的世界性電子設(shè)計競賽“Design Logic 2001 Contest”中，該產(chǎn)品獲得三等獎。
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