嵌入式GSM短信息接口的軟硬件設(shè)計(jì)
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(wù)是GSM（Global System for Mobile Communication）系統(tǒng)中提供的一種GSM終端（手機(jī)）之間，通過服務(wù)中心(Service Center)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(yíng)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(cè)和控制等。典型的應(yīng)用有：變電站、電表、水塔、水庫(kù)或環(huán)保監(jiān)測(cè)點(diǎn)等監(jiān)測(cè)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(cè)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(guó)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(duì)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(shì)，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(tái)。
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(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(kù)、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(kù)和分發(fā)給相應(yīng)的監(jiān)控計(jì)算機(jī)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)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(duì)監(jiān)控點(diǎn)設(shè)備進(jìn)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(gè)MC3的嵌入式系統(tǒng)，具有如圖2所示的測(cè)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(cè)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(duì)設(shè)備實(shí)施相應(yīng)的控制。
3 GSM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(chǎng)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 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(jiǎn)潔地實(shí)現(xiàn)短信息的收發(fā)、查尋和管理。
在我們?cè)O(shè)計(jì)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(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(jiǎn)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(chǎng)上提供的可供二次開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)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(jiǎn)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(wù)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(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（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(jiǎn)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(jiǎn)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(hào)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(jí)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(wù)中心號(hào)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(guó)移動(dòng)的短信息服務(wù)中心號(hào)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(hào)碼為13500123456，短信息內(nèi)容為“This is a test SMS”，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（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(qǐng)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(jìn)制數(shù)，表示pdu數(shù)據(jù)長(zhǎng)度減去短信息服務(wù)中心地址長(zhǎng)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(wù)中心地址（SMSC address）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(hào)碼、發(fā)送源號(hào)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（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(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（C8），i剩下六位110100，前面再補(bǔ)兩個(gè)0，變成00110100（34），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(duì)于只需發(fā)送和接收純英文字符和數(shù)字符號(hào)的應(yīng)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(zhǎng)度 | 數(shù)據(jù)單元bit位 | |||||||
| 7 | 6 | 5 | 4 | 3 | 2 | 1 | 0 | |||
| SMSC地址長(zhǎng)度 | 1 | N+1（十六進(jìn)制數(shù)） | ||||||||
| SMSC地址類型 | 1 | 1 | 號(hào)碼類型 | 號(hào)碼表 | ||||||
| SMSC號(hào)碼 | N | 號(hào)碼第2位 | 號(hào)碼第1位 | |||||||
| 號(hào)碼第4位 | 號(hào)碼第3位 | |||||||||
| …… | …… | |||||||||
| 號(hào)碼第n位 | 號(hào)碼第n-1位 | |||||||||
| TPDU第一字節(jié) | 1 | |||||||||
| 最長(zhǎng)12字節(jié) | 發(fā)送源號(hào)碼長(zhǎng)度 | 1 | 實(shí)際號(hào)碼位數(shù)k(十六進(jìn)制數(shù)) | |||||||
| 發(fā)送源號(hào)碼類型 | 1 | 1 | 號(hào)碼類型 | 號(hào)碼表 | ||||||
| 發(fā)送源號(hào)碼 | M | 號(hào)碼第2位 | 號(hào)碼第1位 | |||||||
| 號(hào)碼第4位 | 號(hào)碼第3位 | |||||||||
| 號(hào)碼第k位 | 號(hào)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(shí)低位 | 時(shí)高位 | |||||||||
| 分低位 | 分高位 | |||||||||
| 秒低位 | 秒高位 | |||||||||
| 時(shí) 區(qū) | ||||||||||
| TP-UDL | 1 | |||||||||
| 最長(zhǎng)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(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(guó)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(kù)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(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)度分別為14 890字節(jié)（2×7445）。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。
?、?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(duì)應(yīng)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(zhǎng)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(jiǎn)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。
?、?盡管兩個(gè)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(gè)表，共占60 KB），但由于采用了ATmega128單片機(jī)，其片內(nèi)有128KB的程序存儲(chǔ)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(kuò)充存儲(chǔ)器（漢字字庫(kù)除外），大大簡(jiǎn)化了硬件的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)。
結(jié) 語
本文的設(shè)計(jì)方案已應(yīng)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(dòng)終端”上，經(jīng)過多年的運(yùn)行和使用，證明系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠。2001年10月，在美國(guó)著名計(jì)算機(jī)應(yīng)用雜志《CIRCUIT CELLAR》舉辦的世界性電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽“Design Logic 2001 Contest”中，該產(chǎn)品獲得三等獎(jiǎng)。
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