嵌入式GSM短信息接口的軟硬件設(shè)計(jì)

嵌入式GSM短信息接口的軟硬件設(shè)計(jì)

摘要：SMS短信息服務(wù)作為GSM網(wǎng)絡(luò)的一種基本業(yè)務(wù)已得到越來越多的系統(tǒng)運(yùn)營商和系統(tǒng)開發(fā)商的重視，以GSM網(wǎng)絡(luò)作為數(shù)據(jù)無線傳輸網(wǎng)絡(luò)，可以開發(fā)出多種前景極其樂觀的各類應(yīng)用。本文給出一個(gè)小型的嵌入式SMS中/英文短信息接口的設(shè)計(jì)，并詳細(xì)討論P(yáng)DU模式的短信息格式和中文短信息軟件解碼的設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：GSMSMSUTF-8GB-2312無線通信無線數(shù)傳遙控中文編碼

引言

SMS短信息服務(wù)是GSM系統(tǒng)中提供的一種GSM終端之間，通過服務(wù)中心(ServiceCenter)進(jìn)行文本信息收發(fā)的應(yīng)用服務(wù)，其中服務(wù)中心完成信息的存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)功能。短信息服務(wù)作為GSM網(wǎng)絡(luò)的一種基本業(yè)務(wù)，已得到越來越多的系統(tǒng)運(yùn)營商和系統(tǒng)開發(fā)商的重視，基于這種業(yè)務(wù)的各種應(yīng)用也蓬勃發(fā)展起來。以GSM網(wǎng)絡(luò)作為數(shù)據(jù)無線傳輸網(wǎng)絡(luò)，可以開發(fā)出多種前景極其樂觀的各類應(yīng)用，如無線數(shù)據(jù)的雙向傳送、無線遠(yuǎn)程檢測和控制等。典型的應(yīng)用有：變電站、電表、水塔、水庫或環(huán)保監(jiān)測點(diǎn)等監(jiān)測數(shù)據(jù)的無線傳輸和無線自動(dòng)警報(bào)；遠(yuǎn)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(jī)電系統(tǒng)的啟動(dòng)和關(guān)閉；車隊(duì)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(dòng)售貨機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和存貨水平等等。

由于GSM網(wǎng)絡(luò)在全國范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了聯(lián)網(wǎng)和漫游，具有網(wǎng)絡(luò)能力強(qiáng)的特點(diǎn)，用戶無需另外組網(wǎng)，在極大提高網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的同時(shí)為客戶節(jié)省了昂貴建網(wǎng)費(fèi)用和維護(hù)費(fèi)用。同時(shí)，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(hù)費(fèi)用高，且網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(yīng)用得到迅速的普及。利用GSM短信息系統(tǒng)進(jìn)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(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳送和監(jiān)控設(shè)備的通信提供了一個(gè)強(qiáng)大的支持平臺。

1SMS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(wù)的無線數(shù)傳監(jiān)視和控制系統(tǒng)為一個(gè)點(diǎn)到多點(diǎn)的遠(yuǎn)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(diǎn)為數(shù)據(jù)或監(jiān)控指揮中心，由計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、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(gè)監(jiān)控點(diǎn)上傳的信息和數(shù)據(jù)，并把它們放入相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫和分發(fā)給相應(yīng)的監(jiān)控計(jì)算機(jī)，以實(shí)現(xiàn)對各個(gè)監(jiān)控點(diǎn)的監(jiān)控和管理；另一個(gè)方面，監(jiān)控中心響應(yīng)監(jiān)控計(jì)算機(jī)發(fā)出的對各個(gè)監(jiān)控點(diǎn)的控制信息，并且把這些信息下發(fā)到相應(yīng)的監(jiān)控點(diǎn)上，從而達(dá)到對監(jiān)控點(diǎn)設(shè)備進(jìn)行控制的目的。

2GSM無線通信控制終端

GSM無線通信控制終端為一個(gè)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(luò)和監(jiān)控中心進(jìn)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(shí)接收監(jiān)控中心的控制數(shù)據(jù)，對設(shè)備實(shí)施相應(yīng)的控制。

3GSM通信接口的硬件實(shí)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)的UART串行接口，支持GSM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(shí)現(xiàn)短信息的收發(fā)、查尋和管理。

在我們設(shè)計(jì)的GSM無線通信控制終端中，采用的GSM通信模塊為FALCOMA2D，MCU使用的是Atmel公司的高速8位微控制器ATmage128。ATmega128芯片為64個(gè)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(gè)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(kuò)RAM、ROM存儲(chǔ)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(biāo)準(zhǔn)的GSM模塊都支持GSM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(shí)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GSMAT指令。

表1與SMS相關(guān)的常用GSMAT命令A(yù)T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(wù)中心地址

根據(jù)GSM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(dòng)支持；而用于中英文短信息傳送應(yīng)使用PDU模式，只傳送英文短信息使用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(gè)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);;Chr(34)‘發(fā)送一條短信息

PRINT"ThisisatestSMS";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。第一行語句設(shè)置短信息服務(wù)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(dòng)的短信息服務(wù)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=crThisisatestSMS^Z，其中控制中心的號碼短信息內(nèi)容為“ThisisatestSMS”，確認(rèn)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)

+CMGR:"RECUNREAD","+8613508485560",,"02/10/16,15:37:28+32"

xxxxxxxxxxxxxxxxxx

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,,lengthCRLFpdu

其中：stat表示該條短信息的狀態(tài)，通常為0或1；

Length為十進(jìn)制數(shù)，表示pdu數(shù)據(jù)長度減去短信息服務(wù)中心地址長度，單位為字節(jié)；

CRLF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。

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(wù)中心地址和TPDU，表2為PDU數(shù)據(jù)包的格式，其中一個(gè)數(shù)據(jù)單元為一個(gè)字節(jié)。

其中短信息服務(wù)中心號碼、發(fā)送源號碼、日期以及時(shí)間采用壓縮BCD碼表示，低位在前，高位在后。在本文的網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)充版中給出了通過讀取短信息的AT命令從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。

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(shí)TP-DCS的值為00。如短信息內(nèi)容為英文字符“Hi”，首先將各個(gè)字符轉(zhuǎn)換為7位的標(biāo)準(zhǔn)二進(jìn)制ASCII碼，然后要將后面字符的低位逐位調(diào)整到前面，補(bǔ)齊前面的差別。例如：“H”的二進(jìn)制ASCII碼為1001000，“i”二進(jìn)制ASCII碼為1101001；顯然H的二進(jìn)制編碼不足八位，那么就將后面字符i的最后一位補(bǔ)足到H的前面，就成了11001000，i剩下六位110100，前面再補(bǔ)兩個(gè)0，變成00110100，于是“Hi”就變成了兩個(gè)八進(jìn)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(yīng)用，最好采用Text模式發(fā)送和接收短信息。

表2PDU數(shù)據(jù)包格式備注名稱長度數(shù)據(jù)單元bit位76543210SMSC地址長度1N+1SMSC地址類型11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(shí)際號碼位數(shù)k(十六進(jìn)制數(shù))發(fā)送源號碼類型11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-PID1TP-DCS1TP-SCTS7年低位年高位月低位月高位日低位日高位時(shí)低位時(shí)高位分低位分高位秒低位秒高位時(shí)區(qū)TP-UDL1最長140字節(jié)TP-UD短信息內(nèi)容1111

中文短信息的解碼

由于中文字的編碼是采用2個(gè)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(yīng)的線性關(guān)系，因此只能采用查表的方式進(jìn)行轉(zhuǎn)換。下面給出一個(gè)由UTF-8到GB-2312編碼轉(zhuǎn)換的算法。

①建立UTF-8和GB-2312兩個(gè)中文編碼表，表中數(shù)據(jù)項(xiàng)為2個(gè)字節(jié)長度的十六進(jìn)制的數(shù)，代表一個(gè)中文編碼。兩個(gè)表的長度分別為14890字節(jié)。UTF-8編碼表按數(shù)據(jù)項(xiàng)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(gè)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(yīng)的GB-2312編碼。解碼流程如圖5所示。

③二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(gè)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(fèi)的時(shí)間，非常適合在一般的嵌入式系統(tǒng)中使用。

④盡管兩個(gè)漢字編碼表要占用近30KB，但由于采用了ATmega1