嵌入式系統(tǒng)中短消息實時處理的實現(xiàn)（轉(zhuǎn)）
2008-12-25 10:28
華東師范大學 李德領(lǐng) 馬潮
引言
GSM數(shù)字蜂窩移動通信技術(shù)已得到成熟而廣泛的應(yīng)用，目前以建成的覆蓋全國的GSM數(shù)字蜂窩移動通信網(wǎng)，是我國公眾移動通信網(wǎng)的重要方式。它能提供話音、短消息、數(shù)據(jù)等多種業(yè)務(wù)。短消息服務(wù)是GSM網(wǎng)絡(luò)的一項重要業(yè)務(wù)，在遠距離監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、GPS定位、無線報警、繳費通知、車輛調(diào)度等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。
GSM模塊通常都提供UART串行接口，因此很容易和單片機在物理層上互聯(lián)。使用符合GSM07.05和GSM07.07標準的AT指令集，可以使GSM模塊方便地完成短消息接收/發(fā)送等各種操作。其通信框圖如圖1所示。
移動設(shè)備ME主要負責與GSM網(wǎng)絡(luò)進行無線通信，終端適配器TA負責ME與外部終端設(shè)備TE的信息交換，AT指令就是在TA與TE之間傳送的。TE可以是PC，或者是單片機系統(tǒng)，通過AT指令與ME進行信息交互。現(xiàn)在市場上的GSM模塊，如TC35、FALCOM等，都把ME和TA集成在一起，這樣整個通信就變成了TE與GSM模塊之間的通信了。
一般地，GSM模塊在處理短消息時，采用一問一答的信息交互方式，這比較符合AT指令集的精神。但在實際應(yīng)用中，發(fā)現(xiàn)這種方法存在一定的缺點：模塊接收到短消息并存儲起來，用戶再用查詢方式，發(fā)送指令“AT＋CMGL”或“AT＋CMGR”，使短消息傳送到TE，這中間會有一定的延時。另外，由于SIM卡容量有限，要保證短消息及時準備地接收，還要經(jīng)常刪除SIM卡中的短消息，這樣多次的讀寫操作，勢必會影響SIM卡的壽命。因此，有必要進行一些軟件設(shè)置，使短消息不通過SIM卡，而直接發(fā)送至終端設(shè)備。本文給出一種在嵌入式系統(tǒng)中實時處理短消息的實現(xiàn)方法，當移動設(shè)備GSM模塊接收到短消息時，直接將消息轉(zhuǎn)發(fā)到終端設(shè)備，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和處理效率。
1 硬件接口實現(xiàn)
一般，GSM無線通信控制終端采用標準的GSM模塊進行二次開發(fā)，目前市場上很多，如TC35、FALCOM、WISMO3等。它們都具備GSM無線通信的全部功能，支持GSM07.05，GSM07.07所定義的AT指令集。
在本設(shè)計中，采用的GSM通信模塊為FALCOMC2D，單片機使用的是Atmel公司的高速8位處理器ATmega128。ATmega128內(nèi)部集成有4KB的RAM，4KB的EEPROM，128KB的Flash，以及2個UART串行接口等。其高速和大容量RAM的特性，為處理短消息這樣的大數(shù)據(jù)包提供了便利；同時，節(jié)省了外圍器件，使得硬件結(jié)構(gòu)簡化，提高系統(tǒng)可靠性。中文液晶屏用來顯示接收到的中英文短信。系統(tǒng)的硬件接口框圖如圖2所示。
2 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置
短消息的發(fā)送和接收控制模式有三種：Block模式、PDU模式和Text模式。使用Block模式需要手機生產(chǎn)廠家提供驅(qū)動支持。目前，PDU模式已取代Block模式，而Text模式不支持中文。因此，為了系統(tǒng)的通用性，兼容中英文短消息的發(fā)送接收，本系統(tǒng)使用PDU模式來處理短消息。
在進行系統(tǒng)設(shè)置前，先簡要說明一下短消息類（class）的概念：根據(jù)指定存儲的位置，短消息分為class0－3四個類，也可以不指定類別（no class），由移動設(shè)備按默認設(shè)置進行處理，存儲到內(nèi)存或者SIM卡中。在TPDU的TP－DCS字節(jié)中，當bit7－bit4為00x1、1111時，bit1－bit0指示消息所屬類。
00——class 0，可直接顯示。
01——class 1，默認儲存在ME內(nèi)存中。
02——class 2，儲存在SIM卡中。
03——class 3，可直接傳輸?shù)浇K端設(shè)備TE。
默認的短消息存在SIM卡中，無類別的短消息通常也存在SIM卡中。
GSM Modem一般都支持一條“AT＋CNMI”指令，用于設(shè)定當有某類短消息到達時，如何處理它——只儲存在制定的內(nèi)存（易失的/非易失的）中；先儲存后通知TE；直接轉(zhuǎn)發(fā)到TE，等等。
“AT＋CNMI”指令語法為：
AT＋CNMI＝＜mode＞，＜mt＞，＜bm＞，＜ds＞，＜bfr＞
（1）＜mode＞控制通知TE的方式。
0——先將通知緩存起來，再按照＜mt＞的值進行發(fā)送。
1——在數(shù)據(jù)線空閑的情況下，通知TE，否則，不通知TE。
2——數(shù)據(jù)線空閑時，直接通知TE；否則先將通知緩存起來，待數(shù)據(jù)線空閑時再行發(fā)送。
3——直接通知TE。在數(shù)據(jù)線被占用的情況下，通知TE的消息將混合在數(shù)據(jù)中一起傳輸。
（2）＜mt＞設(shè)置短消息存儲和通知TE的內(nèi)容。
0——接受的短消息存儲到默認的內(nèi)存位置（包括class 3），不通知TE。
1——接收的短消息儲存到默認的內(nèi)存位置，并且向TE發(fā)出通知（包括class 3）。通知的形式為：
＋CMTI：”SM”，＜index＞
2——對于class 2短消息，儲存到SIM卡，并且向TE發(fā)出通知；對于其他class，直接將短消息轉(zhuǎn)發(fā)到TE：
＋CMT：[＜alpha＞]，＜length＞＜CR＞＜LF＞＜pdu＞（PDU模式）
或者＋CMT：＜oa＞，[＜alpha＞，]＜scts＞[，＜tooa＞，＜fo＞，＜pid＞，＜dcs＞，＜sca＞，＜tosca＞，＜length＞]＜CR＞＜LF＞＜data＞（text模式）
3——對于class 3短消息，直接轉(zhuǎn)發(fā)到TE，同＜mt＞＝2；對于其他class，同＜mt＞＝1。
（3）bm、ds、bfr的含義，請參考相關(guān)標準文檔。一般不需要去關(guān)心它們，設(shè)置為0即可。
綜合以上分析，若使短消息不經(jīng)過SIM卡，直接發(fā)送至TE，可以設(shè)置：
AT＋CNMI＝2，2，0，0，0
但是這樣還有一個問題，class 2的短信，還是會存入SIM卡中，并發(fā)送＋CMTI：”SM”，＜index＞。那么，接收程序需要處理短信通知和內(nèi)容兩種情況，增加了復雜性。如果發(fā)送方也由程序控制，可以只發(fā)no class和class 1的短信。這里選用no class的配置。PDU模式下，令TP－DCS的bit7－bit4為00x0，即可設(shè)置發(fā)送的短信為no class。通常用手機發(fā)送的短信，也是無類別的。
通信時，發(fā)送接收雙方要統(tǒng)一短信格式。在發(fā)送方設(shè)置AT＋CMGF＝0，確定短信發(fā)送格式為PDU方式。
在接收方設(shè)置：
AT＋CMGF＝0 //短信接收格式為PDU方式
AT＋CSMS＝0
如果AT＋CSMS＝1，接收到短信時，TE需在一定的時間內(nèi)發(fā)送反饋消息至模塊；若超時，＜mode＞和＜mt＞的值會強制復位到0。那么，再有新的短信將不能被正確處理，需要用“AT＋CNMI”指令重新設(shè)置參數(shù)才行。這增加了程序處理的復雜性。AT＋CSMS＝0時，省去了這些麻煩。
3 PDU模式下的中英文通信接收實現(xiàn)
系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置好以后，當接收到新的短信時，GSM模塊直接轉(zhuǎn)發(fā)至TE的格式如下所示：
＋CMT：，23
0891683108200105F0040BA13119388742F5000850802251739120044F60597D
“＋CMT：”為短消息指示標識，由AT＋CNMI的值確定。“23”指明該短消息PDU數(shù)據(jù)包長度為23字節(jié)。第2行為十六進制數(shù)據(jù)，總長度為32字節(jié)，其中SMSC地址占用9字節(jié)，其余23字節(jié)為TPDU數(shù)據(jù)。
需要指出的是，和AT指令中的指令符號、數(shù)字一樣，PDU數(shù)據(jù)都是以ASCII編碼的形式傳送的，比如“A”的ASCII編碼為41H，“0”的ASCII編碼為30H等。PDU數(shù)據(jù)包的內(nèi)容是以十六進制表示的數(shù)據(jù)，但并不是直接向單片機傳遞十六進制數(shù)據(jù)，而是把每一位十六進制數(shù)以ASCII編碼來發(fā)送。例如：08H會以30H（“0”），38H（“8”）的形式發(fā)送。這樣，1個字節(jié)的十六進制數(shù)就變成2個字節(jié)的ASCII碼。但是，PDU數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)字節(jié)長度部分仍然是原始十六進制字節(jié)的長度，而不是變成ASCII碼的字節(jié)長度，這在編程時應(yīng)特別注意，否則，接收和處理數(shù)據(jù)就會不完整。單片機接收到PDU數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)后，必須將其恢復成十六進制數(shù)據(jù)，其算法如下：
設(shè)a為接收的ASCII碼，b為轉(zhuǎn)換后的十六進制數(shù)。如果a＜39H，則b＝a－30H；如果a＞39H，則b＝a－30H－07H，最后把前后2個數(shù)合并為1個字節(jié)。
PDU數(shù)據(jù)包有著嚴格的定義，現(xiàn)簡單介紹如下：
PDU的這種格式，層次清楚，結(jié)構(gòu)清晰，方便接收。在本系統(tǒng)中，采用USART中斷方式接收短信，充分利用了AVR系列單片機指令執(zhí)行速度塊的特點，并在接收過程中運用狀態(tài)機的思想，解析出短信中的發(fā)送源號碼、日期時間、數(shù)據(jù)編碼方案和用戶短信數(shù)據(jù)。接收到一個完整的PDU數(shù)據(jù)包后，中斷程序中設(shè)置接收完成標志為1。在主程序中，檢測到接收完成標志為1時，就根據(jù)數(shù)據(jù)編碼方案，對接收到的短信解碼并保存，并準備下一條段短信的接收。如果短信到來時TA與TE的數(shù)據(jù)線忙，則短信會暫時保存在TA的緩存中，等數(shù)據(jù)線空閑時再轉(zhuǎn)發(fā)至TE。
在PDU模式中，發(fā)送普通的ASCII字符用7－bit編碼方式，將一串7－bit字符編碼為8－bit數(shù)據(jù)，每8個字符可壓縮成7個。如果發(fā)送中文字符，則采用UCS2編碼方式，每個中文字符用16位的Unicode字符表示；如果是中英文混合的短信，由于英文字符只占1字節(jié)，需要補0，成為16位的編碼。例如，“你好！”的Unicode編碼為4F60597D0021，其中“！”的ASCII碼為21H，編碼后為0021H。PDU的用戶數(shù)據(jù)段最大容量是140字節(jié)，GSM模塊發(fā)送給單片機的是280個ASCII編碼。除此之外，還要接收保存發(fā)送源號碼、日期和時間等信息。由于ATmega128有4KB內(nèi)部SRAM，為短信的接收和解碼提供了足夠的空間。這是它的一大優(yōu)勢。PDU串的用戶信息長度TPUDL，在7－bit編碼時，指原始短消息的字符個數(shù)，而不是編碼后的字節(jié)數(shù)；在UCS2編碼時，指編碼后的十六進制字節(jié)數(shù)，因為1個字符用2個字節(jié)表示，所以經(jīng)UCS2編碼后，字節(jié)數(shù)等于原始短消息字符數(shù)的2倍。
PDU模式下可以發(fā)送中英文短信，但是對英文字符和數(shù)字的7－bit編碼/解碼比較復雜，如果只需要發(fā)送和接收純英文字符和數(shù)字字符，最好采用Text方式。
3.1 7－bit用戶數(shù)據(jù)解碼
7－bit數(shù)據(jù)解碼時，將源數(shù)據(jù)每7個字節(jié)分為一組，解碼成8個字符。基本自然是：將第n個字節(jié)左移n位，再加上前一字節(jié)的剩余數(shù)據(jù)，即第（n－1）個字節(jié)右移（8－n）位的數(shù)值，屏幕最高位，即得到一目標字符數(shù)據(jù)，n＝0…6。第7個字節(jié)右移1位就得到解碼后的第8個字符數(shù)據(jù)。
3.2 中文字符解碼
短消息的中文字符采用Unicode 編碼，占用2字節(jié)，不是目前國內(nèi)常用的GB－2312編碼，為了能夠在帶有GB－2312漢字庫的液晶上顯示，還需要進行中文編碼的轉(zhuǎn)換。
基本思想就是建立Unicode和GB－2312兩個中文編碼表，通過查找實現(xiàn)相互轉(zhuǎn)換。具體過程這里不再敘述。請參考文獻[1]。
結(jié)語
上述介紹的在嵌入式系統(tǒng)中，實時接收處理短消息的設(shè)計方案，已在車載GSM－GPS系統(tǒng)上應(yīng)用。經(jīng)過長時間的操作使用，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，用戶反映良好。
