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嵌入式系统中短消息实时处理的实现（转）
2008-12-25 10:28
华东师范大学 李德领 马潮
引言
GSM数字蜂窝移动通信技术已得到成熟而广泛的应用，目前以建成的覆盖全国的GSM数字蜂窝移动通信网，是我国公众移动通信网的重要方式。它能提供话音、短消息、数据等多种业务。短消息服务是GSM网络的一项重要业务，在远距离监控、数据采集、GPS定位、无线报警、缴费通知、车辆调度等领域有着广泛的应用。
GSM模块通常都提供UART串行接口，因此很容易和单片机在物理层上互联。使用符合GSM07.05和GSM07.07标准的AT指令集，可以使GSM模块方便地完成短消息接收/发送等各种操作。其通信框图如图1所示。

移动设备ME主要负责与GSM网络进行无线通信，终端适配器TA负责ME与外部终端设备TE的信息交换，AT指令就是在TA与TE之间传送的。TE可以是PC，或者是单片机系统，通过AT指令与ME进行信息交互。现在市场上的GSM模块，如TC35、FALCOM等，都把ME和TA集成在一起，这样整个通信就变成了TE与GSM模块之间的通信了。
一般地，GSM模块在处理短消息时，采用一问一答的信息交互方式，这比较符合AT指令集的精神。但在实际应用中，发现这种方法存在一定的缺点：模块接收到短消息并存储起来，用户再用查询方式，发送指令“AT＋CMGL”或“AT＋CMGR”，使短消息传送到TE，这中间会有一定的延时。另外，由于SIM卡容量有限，要保证短消息及时准备地接收，还要经常删除SIM卡中的短消息，这样多次的读写操作，势必会影响SIM卡的寿命。因此，有必要进行一些软件设置，使短消息不通过SIM卡，而直接发送至终端设备。本文给出一种在嵌入式系统中实时处理短消息的实现方法，当移动设备GSM模块接收到短消息时，直接将消息转发到终端设备，提高系统的响应速度和处理效率。
1 硬件接口实现
一般，GSM无线通信控制终端采用标准的GSM模块进行二次开发，目前市场上很多，如TC35、FALCOM、WISMO3等。它们都具备GSM无线通信的全部功能，支持GSM07.05，GSM07.07所定义的AT指令集。
在本设计中，采用的GSM通信模块为FALCOMC2D，单片机使用的是Atmel公司的高速8位处理器ATmega128。ATmega128内部集成有4KB的RAM，4KB的EEPROM，128KB的Flash，以及2个UART串行接口等。其高速和大容量RAM的特性，为处理短消息这样的大数据包提供了便利；同时，节省了外围器件，使得硬件结构简化，提高系统可靠性。中文液晶屏用来显示接收到的中英文短信。系统的硬件接口框图如图2所示。

2 系统参数设置
短消息的发送和接收控制模式有三种：Block模式、PDU模式和Text模式。使用Block模式需要手机生产厂家提供驱动支持。目前，PDU模式已取代Block模式，而Text模式不支持中文。因此，为了系统的通用性，兼容中英文短消息的发送接收，本系统使用PDU模式来处理短消息。
在进行系统设置前，先简要说明一下短消息类（class）的概念：根据指定存储的位置，短消息分为class0－3四个类，也可以不指定类别（no class），由移动设备按默认设置进行处理，存储到内存或者SIM卡中。在TPDU的TP－DCS字节中，当bit7－bit4为00x1、1111时，bit1－bit0指示消息所属类。
00——class 0，可直接显示。
01——class 1，默认储存在ME内存中。
02——class 2，储存在SIM卡中。
03——class 3，可直接传输到终端设备TE。
默认的短消息存在SIM卡中，无类别的短消息通常也存在SIM卡中。
GSM Modem一般都支持一条“AT＋CNMI”指令，用于设定当有某类短消息到达时，如何处理它——只储存在制定的内存（易失的/非易失的）中；先储存后通知TE；直接转发到TE，等等。
“AT＋CNMI”指令语法为：
AT＋CNMI＝＜mode＞，＜mt＞，＜bm＞，＜ds＞，＜bfr＞
（1）＜mode＞控制通知TE的方式。
0——先将通知缓存起来，再按照＜mt＞的值进行发送。
1——在数据线空闲的情况下，通知TE，否则，不通知TE。
2——数据线空闲时，直接通知TE；否则先将通知缓存起来，待数据线空闲时再行发送。
3——直接通知TE。在数据线被占用的情况下，通知TE的消息将混合在数据中一起传输。
（2）＜mt＞设置短消息存储和通知TE的内容。
0——接受的短消息存储到默认的内存位置（包括class 3），不通知TE。
1——接收的短消息储存到默认的内存位置，并且向TE发出通知（包括class 3）。通知的形式为：
＋CMTI：”SM”，＜index＞
2——对于class 2短消息，储存到SIM卡，并且向TE发出通知；对于其他class，直接将短消息转发到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——对于class 3短消息，直接转发到TE，同＜mt＞＝2；对于其他class，同＜mt＞＝1。
（3）bm、ds、bfr的含义，请参考相关标准文档。一般不需要去关心它们，设置为0即可。
综合以上分析，若使短消息不经过SIM卡，直接发送至TE，可以设置：
AT＋CNMI＝2，2，0，0，0
但是这样还有一个问题，class 2的短信，还是会存入SIM卡中，并发送＋CMTI：”SM”，＜index＞。那么，接收程序需要处理短信通知和内容两种情况，增加了复杂性。如果发送方也由程序控制，可以只发no class和class 1的短信。这里选用no class的配置。PDU模式下，令TP－DCS的bit7－bit4为00x0，即可设置发送的短信为no class。通常用手机发送的短信，也是无类别的。
通信时，发送接收双方要统一短信格式。在发送方设置AT＋CMGF＝0，确定短信发送格式为PDU方式。
在接收方设置：
AT＋CMGF＝0 //短信接收格式为PDU方式
AT＋CSMS＝0
如果AT＋CSMS＝1，接收到短信时，TE需在一定的时间内发送反馈消息至模块；若超时，＜mode＞和＜mt＞的值会强制复位到0。那么，再有新的短信将不能被正确处理，需要用“AT＋CNMI”指令重新设置参数才行。这增加了程序处理的复杂性。AT＋CSMS＝0时，省去了这些麻烦。
3 PDU模式下的中英文通信接收实现
系统参数设置好以后，当接收到新的短信时，GSM模块直接转发至TE的格式如下所示：
＋CMT：，23
0891683108200105F0040BA13119388742F5000850802251739120044F60597D
“＋CMT：”为短消息指示标识，由AT＋CNMI的值确定。“23”指明该短消息PDU数据包长度为23字节。第2行为十六进制数据，总长度为32字节，其中SMSC地址占用9字节，其余23字节为TPDU数据。
需要指出的是，和AT指令中的指令符号、数字一样，PDU数据都是以ASCII编码的形式传送的，比如“A”的ASCII编码为41H，“0”的ASCII编码为30H等。PDU数据包的内容是以十六进制表示的数据，但并不是直接向单片机传递十六进制数据，而是把每一位十六进制数以ASCII编码来发送。例如：08H会以30H（“0”），38H（“8”）的形式发送。这样，1个字节的十六进制数就变成2个字节的ASCII码。但是，PDU数据包中的数据字节长度部分仍然是原始十六进制字节的长度，而不是变成ASCII码的字节长度，这在编程时应特别注意，否则，接收和处理数据就会不完整。单片机接收到PDU数据包数据后，必须将其恢复成十六进制数据，其算法如下：
设a为接收的ASCII码，b为转换后的十六进制数。如果a＜39H，则b＝a－30H；如果a＞39H，则b＝a－30H－07H，最后把前后2个数合并为1个字节。
PDU数据包有着严格的定义，现简单介绍如下：

PDU的这种格式，层次清楚，结构清晰，方便接收。在本系统中，采用USART中断方式接收短信，充分利用了AVR系列单片机指令执行速度块的特点，并在接收过程中运用状态机的思想，解析出短信中的发送源号码、日期时间、数据编码方案和用户短信数据。接收到一个完整的PDU数据包后，中断程序中设置接收完成标志为1。在主程序中，检测到接收完成标志为1时，就根据数据编码方案，对接收到的短信解码并保存，并准备下一条段短信的接收。如果短信到来时TA与TE的数据线忙，则短信会暂时保存在TA的缓存中，等数据线空闲时再转发至TE。
在PDU模式中，发送普通的ASCII字符用7－bit编码方式，将一串7－bit字符编码为8－bit数据，每8个字符可压缩成7个。如果发送中文字符，则采用UCS2编码方式，每个中文字符用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字节，需要补0，成为16位的编码。例如，“你好！”的Unicode编码为4F60597D0021，其中“！”的ASCII码为21H，编码后为0021H。PDU的用户数据段最大容量是140字节，GSM模块发送给单片机的是280个ASCII编码。除此之外，还要接收保存发送源号码、日期和时间等信息。由于ATmega128有4KB内部SRAM，为短信的接收和解码提供了足够的空间。这是它的一大优势。PDU串的用户信息长度TPUDL，在7－bit编码时，指原始短消息的字符个数，而不是编码后的字节数；在UCS2编码时，指编码后的十六进制字节数，因为1个字符用2个字节表示，所以经UCS2编码后，字节数等于原始短消息字符数的2倍。
PDU模式下可以发送中英文短信，但是对英文字符和数字的7－bit编码/解码比较复杂，如果只需要发送和接收纯英文字符和数字字符，最好采用Text方式。
3.1 7－bit用户数据解码
7－bit数据解码时，将源数据每7个字节分为一组，解码成8个字符。基本自然是：将第n个字节左移n位，再加上前一字节的剩余数据，即第（n－1）个字节右移（8－n）位的数值，屏幕最高位，即得到一目标字符数据，n＝0…6。第7个字节右移1位就得到解码后的第8个字符数据。
3.2 中文字符解码
短消息的中文字符采用Unicode 编码，占用2字节，不是目前国内常用的GB－2312编码，为了能够在带有GB－2312汉字库的液晶上显示，还需要进行中文编码的转换。
基本思想就是建立Unicode和GB－2312两个中文编码表，通过查找实现相互转换。具体过程这里不再叙述。请参考文献[1]。
结语
上述介绍的在嵌入式系统中，实时接收处理短消息的设计方案，已在车载GSM－GPS系统上应用。经过长时间的操作使用，系统工作稳定，用户反映良好。