GSM短消息在雨量RTU系統(tǒng)中的實現(xiàn)

摘要：要想實現(xiàn)雨量RTU系統(tǒng)的通信功能，首先要實現(xiàn)系統(tǒng)通信模塊的通信功能，因此系統(tǒng)中通信模塊的設(shè)計和功能實現(xiàn)是系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。針對這一要求，圍繞SIM900A芯片和有效SIM電話卡完成系統(tǒng)通信模塊的硬件設(shè)計，軟件方面使用AT指令集以GSM和GPRS通信方式通過串口調(diào)試工具實現(xiàn)系統(tǒng)的通信功能，本文主要介紹GSM短消息方式實現(xiàn)系統(tǒng)的通信功能。通過實驗證明，雖然GSM短消息具有短消息長度受限和存在延時的缺陷，但是本文設(shè)計的雨量RTU系統(tǒng)通信的成功率和實時性可以達(dá)到實際應(yīng)用的需要，符合設(shè)計的要求。
關(guān)鍵詞：GSM短消息；通信；雨量RTU；AT指令集

在水利領(lǐng)域，雨量RTU系統(tǒng)占據(jù)重要的位置，系統(tǒng)功能實現(xiàn)的程度對水資源和土地的合理管理、規(guī)劃和利用有一定的影響。因此，雨量RTU系統(tǒng)功能的實現(xiàn)效果、實時性等特性要高，特別是系統(tǒng)的通信模塊。由于雨量RTU使用于無人值守的、沒有市電而且環(huán)境惡劣的野外，系統(tǒng)對各元器件和通信方式有特殊的要求，必須要滿足系統(tǒng)工作的環(huán)境而且通信的質(zhì)量要符合實際的應(yīng)用要求。對于系統(tǒng)通信模塊的設(shè)計，經(jīng)過綜合分析后，本文硬件采用SIM900A芯片，通信方式采用GSM短消息技術(shù)。

1 GSM系統(tǒng)和GSM短消息
GSM(Global System for Mobile Communication)是由歐洲ETSI組織提出的第二代數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，采用TDMA／FDMA復(fù)用方式，以及數(shù)字化語音編碼和數(shù)字調(diào)制技術(shù)，以語音業(yè)務(wù)為主，也支持無線的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，是世界上使用最廣、用戶數(shù)最多、覆蓋面積最大、技術(shù)上最成熟的移動通信系統(tǒng)。GSM系統(tǒng)具有高頻譜效率，安全性高，穩(wěn)定性好，集成度高，容量大，開放性的接口，抗噪音性能強，覆蓋范圍廣等特點。從20世紀(jì)80年代投入應(yīng)用之后，經(jīng)過了近幾十年的發(fā)展，現(xiàn)在移動通信技術(shù)已經(jīng)成熟，應(yīng)用范圍廣泛，已經(jīng)得到了普及。
1．1 GSM系統(tǒng)
GSM系統(tǒng)是GSM數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)的簡稱，符合GSM的相關(guān)技術(shù)規(guī)范，是一種主流的移動通信系統(tǒng)，在通信技術(shù)中具有重要作用。一個完整的GSM系統(tǒng)主要由基站子系統(tǒng)BSS(Base Station Sub—System)、網(wǎng)絡(luò)交換子系統(tǒng)NSS(Network Switching sub—system)、操作維護子系統(tǒng)OSS(Operation sub—system)和大量移動臺MS(Mobile Station)等組成。
系統(tǒng)的業(yè)務(wù)種類多樣，主要業(yè)務(wù)有：1)電信業(yè)務(wù)，主要包括GSM短消息業(yè)務(wù)、電話業(yè)務(wù)和緊急呼叫，其中，緊急呼叫應(yīng)該算電話業(yè)務(wù)中的一種，短消息業(yè)務(wù)主要有點對多廣播消息和點對點消息2種短消息業(yè)務(wù)；2)承載業(yè)務(wù)，承載業(yè)務(wù)和基本電話業(yè)務(wù)要分開使用，因為使用承載業(yè)務(wù)時移動臺需要占用其中的一個話音通道；3)補充業(yè)務(wù)，用戶可以根據(jù)需要改變GSM業(yè)務(wù)。
GSM系統(tǒng)具有以下特點：1)由分系統(tǒng)組成，各個分系統(tǒng)的接口設(shè)計生產(chǎn)符合一定的要求，各分系統(tǒng)可以和不同廠商的GSM系統(tǒng)設(shè)備和公眾通信網(wǎng)相連；2)業(yè)務(wù)種類豐富；3)具有鑒權(quán)和加密的功能，可以保證網(wǎng)絡(luò)和用戶的安全；4)可以提供國際漫游，所有的GSM用戶均可以進入GSM系統(tǒng)；5)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)方便靈活，可以滿足用戶的要求；6)通信的質(zhì)量好，抗干擾能力強。
1．2 GSM短消息
GSM短消息業(yè)務(wù)是GSM系統(tǒng)中電信業(yè)務(wù)的一種，簡稱SMS(Short Message Service)，它主要是移動臺之間進行一定長度的文本信息的發(fā)送和接收的一種業(yè)務(wù)。SMS是GSM網(wǎng)內(nèi)采用分組方式的一種數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，采用公共信道信令，可以和其他業(yè)務(wù)同時使用。SMS使用存儲轉(zhuǎn)發(fā)的模式，SMS發(fā)送后先儲存在短消息中心(SMSC)，然后根據(jù)找到的目標(biāo)移動終端的路由信息再將信息發(fā)送給該目標(biāo)移動終端。SMS業(yè)務(wù)分為點對點和點對多兩種，文中設(shè)計的雨量RTU采用點對點SMS業(yè)務(wù)，利用AT指令集進行通信。SMS業(yè)務(wù)的協(xié)議有6層：短消息應(yīng)用層(SM-AL)、短消息傳輸層(SM-TL)、短消息中繼層(SM—RL)、連接管理子層(CM)、移動管理子層(MM)和無線管理子層(RRM)。其中，SM-TL為SM—AL提供服務(wù)；SM—RL為SM-TL提供服務(wù)。保證SM-TL能向?qū)Χ藢嶓wTPDU并接收IPDU和請求發(fā)送TPDU的相關(guān)報告；MM、CM和RRM組成控制管理子層，控制管理子層為SM—RL提供服務(wù)。SMS的發(fā)送過程大致是當(dāng)一個移動用戶(MS)想發(fā)送一條短消息時，要預(yù)先正確設(shè)置好SMSC的電話號碼、編輯短消息、輸入被叫用戶電話號碼、將短消息發(fā)出。MSC(移動交換中心)收到短消息后，查詢VLR(訪問定位寄存器)獲得正確信息，檢查短消息參數(shù)和目的地址無誤后，將短消息經(jīng)由SMSC-IWMSC送往SMSC。SMSC-GMSC(短消息中心網(wǎng)關(guān))接收到來自SMSC的短消息后，檢查參數(shù)的正確性、查詢HLR(歸屬位置寄存器)，然后根據(jù)獲得的路由信息將短消息傳送到MSC。MSC收到短消息后，查詢VLR獲得位置區(qū)域地址信息，最后將短消息發(fā)送到目的地MS。

2 雨量RTU系統(tǒng)
2．1 概述
文中設(shè)計的雨量RTU的主要作用是測量遠(yuǎn)程現(xiàn)場的雨量參數(shù)數(shù)據(jù)、溫度、電壓和地理位置并存儲、分析和處理，然后由通信模塊將短消息通過GSM發(fā)送到指定手機或者GPRS上傳到指定網(wǎng)站。該雨量RTU主要是由鋁合金的RTU主體和連接電源、天線和傳感器的電纜組成。其中，鋁合金的雨量RTU主體內(nèi)主要包含RTU電路、SIM卡、U盤、顯示器和鍵盤。雨量RTU的示意圖如圖1所示。

2．2 通信模塊
2．2．1 通信模塊的選擇
通信模塊在雨量RTU系統(tǒng)中具有舉足輕重的作用，通信模塊的性能在很大程度上影響RTU系統(tǒng)的性能。現(xiàn)在通信方式有很多種，如移動通信、衛(wèi)星通信、激光通信、光纖通信，而且市場上通信模塊也多種多樣。該系統(tǒng)通信模塊的選擇依據(jù)主要考慮到以下幾點：通信方便簡潔、通信效率高、穩(wěn)定性好、適應(yīng)能力強、功耗低、價格合適。
經(jīng)過初步比較和篩選，有兩款通信模塊可以應(yīng)用于該雨量RTU，即西門子公司的MC55和芯訊通公司的SIM900A，現(xiàn)將兩者的部分特點進行比較和分析：
1)軟件：MC55和SIM900A，兩款通信模塊都采用移動通信，同樣都采用AT指令集實現(xiàn)通信，都內(nèi)含TCP／IP協(xié)議。
2)硬件：MC55尺寸為35x32．5x2．95 mm，重量是5．5克，適用于歐洲和亞洲的3個頻段(1 900、1 800和900 MHz)。MC55有50個插針型引腳，按功能可以分為4個功能模塊：雙非平衡的異步通信端口、電源充電管理、SIM卡接口和雙音頻接口。SIM900A尺寸為24x24x3 mm，重量是3．4克，適用于兩個頻段(EGSM900MHz和DCS1800 MHz)，支持GPRSmulti-slot class 10／class 8和GPRS編碼格式CS-1，CS-2，CS-3和CS-4。SIM900A有68個貼片焊盤，相較于插針式引腳安全性和可靠性更高，按功能可以分為五個模塊：GSM基帶、儲存器、GSM射頻、天線接口、其他接口(供電、串口、模擬音頻接口、SIM卡接口)。SIM900A支持1．8和3．0V的SIN卡，和SIM卡之間有5個引腳連接，采用SMF05C進行靜電保護。
通過以上分析和比較，可以看出SIM900A在體積、重量、以及引腳等方面較于MC55占優(yōu)勢，所以該雨量RTU系統(tǒng)的通信模塊采用SIM900A。
2．2．2 SIM900A通信模塊的連接
選定并分析SIM900A和研究其電氣特性、引腳等性質(zhì)后，就是其在雨量RTU系統(tǒng)中如何連接的問題了。SIM900A的供電電壓和電流分別為3．2～4．8 V和2 A，其主要功能部分是GSM基帶、存儲器、GSM射頻，天線接口、電源接口、和其它接口，連接SIM900A可以以功能部分為單位逐個連接。SIM900A的連接如圖2所示。

當(dāng)按照SIM900A的電氣特性和需求連接完畢后，要特別注意RTS引腳和DTR引腳需要接地，否則容易出現(xiàn)關(guān)機關(guān)不了的問題。

3 GSM短消息在雨量RTU通信的實現(xiàn)
雨量RTU通信模塊的通信分為GSM通信和GPRS通信，現(xiàn)在只討論GSM短消息在該系統(tǒng)中的實現(xiàn)。實現(xiàn)GSM短消息通信前，需要對SIM900A進行設(shè)置和檢測、綁定手機等。
3．1 AT指令集介紹
AT指令集是由Hayes公司最早使用于設(shè)置Modem參數(shù)的一套指令集，此后為幾乎所有的Modem生產(chǎn)廠家所采用，成為設(shè)置Modem參數(shù)的一種通用方法。但是，由于Modem技術(shù)發(fā)展很快，除GSM07．07標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的一些基本AT指令之外，各個廠家還定義、使用了一些擴展的AT指令，這些擴展AT指令差異很大，互不兼容。因此，這里只介紹和GSM短消息有關(guān)的部分AT指令語句，如表1所示。

3．2 調(diào)試工具介紹
本次使用的調(diào)試工具是Com Tool．串口工具．V1．31，如圖3所示。其主要功能有：文件發(fā)送，根據(jù)波特率自動分批發(fā)送數(shù)據(jù)的頻率和數(shù)量；數(shù)據(jù)存儲，可以存儲窗口的數(shù)據(jù)；指令存儲，可以存儲7x25條指令；接收窗口容量大，接收窗口可以顯示幾十兆數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)查找，可以對接收窗口數(shù)據(jù)進行查找；數(shù)據(jù)批處理，可以模擬設(shè)備對數(shù)據(jù)進行批處理。

3．3 SIM900A初始化檢測
在電源斷開的情況下，將有效的SIM卡放入卡座，打開串口調(diào)試工具，設(shè)置好串口調(diào)試工具的參數(shù)，接通電源開始測試SIM900A。因為短消息業(yè)務(wù)只是模塊的部分功能，現(xiàn)在將SIM900A檢測和短消息有關(guān)的部分說明一下，如表2所示。
3．4 GSM短消息的實現(xiàn)
將開通來電顯示和有通信費用的有效SIM卡插入RTU硬件模型中，雨量RTU和調(diào)試工具——Com Tool．串口工具．V1．31連接。
和通信有關(guān)系的部分參數(shù)的設(shè)置。調(diào)試工具頁面的設(shè)置：選擇的串口為COM1；通信的波特率設(shè)置為9600，設(shè)置的語句為“AT+IPR=9600；＆W”；數(shù)據(jù)位為8位；校驗位為NO；停止位為1；發(fā)送數(shù)據(jù)為16進制；日志存儲要選擇，方便保存和查詢；終端的類別為一個時間可以監(jiān)控多種業(yè)務(wù)但只可以執(zhí)行一種業(yè)務(wù)；模塊使用的字符集為GSM，設(shè)置的語句為“AT+CSCS=GSM”；短消息的格式選擇文本格式，設(shè)置的語句為“AT+CMGF=1”；編輯電話薄，存儲號碼，語句為“AT+CPBW=，”15380791059”，“guoyan””。
接收GSM短消息。發(fā)送語句“AT”，接收到“OK”，表示模塊已經(jīng)準(zhǔn)備就緒。使用號碼為15380791059的手機向模塊發(fā)送短消息“Hello，welcome!”，此時串口調(diào)試工具的界面會返回“AT+CMGR=1”的語句，1表示接收到的短消息的位置是1；發(fā)送語句“AT+CMGR=1”就可以顯示接收到的短消息，顯示的語句為“+CMGR：”REC READ”，”+8615380791059”，”guoyan”，”12107112,20：00：48+32”HeHo，welcome!”。
發(fā)送GSM短消息。發(fā)送語句“AT”，接收到“OK”，表示模塊已經(jīng)準(zhǔn)備就緒。使用“AT+CMGS=”+8615380791059””指令語句，模塊向號碼為15380791059的手機發(fā)送短消息。號碼為15380791059的手機即可收到模塊發(fā)來的短消息。
刪除GSM短消息。由于內(nèi)存有限，為了雨量RTU系統(tǒng)能夠正常工作，所以短消息讀取之后應(yīng)該及時刪除。刪除短消息使用命令語句AT+CMGD =#，”：＆=0，表示刪除指定位置為#的短消息；＆=1，表示刪除所有已經(jīng)讀過的短消息，保留原有的和未讀的短消息；=2，表示刪除已經(jīng)讀過的和已經(jīng)發(fā)送的原有短消息，保留未發(fā)送的原有短消息；＆=3，表示刪除已經(jīng)讀過和原有消息，保留未讀短消息；=4，表示刪除所有短消息。試驗中采用=2的情況。
在編輯短消息時需要注意，如果編寫漢字需要先將漢字轉(zhuǎn)換成unicode編碼，因為系統(tǒng)的液晶顯示器支持的是GB2312簡體漢字，而手機支持unicode編碼的簡體漢字；如果采用短消息修改系統(tǒng)的時鐘信息，需要將修改的時刻提前20 s，因為GSM短消息本身存在時延，再加上環(huán)境的影響短消息由手機發(fā)送到雨量RTU系統(tǒng)大約需要20 s，修改系統(tǒng)時鐘信息的精確地方法是采用系統(tǒng)鍵盤輸入修改的方式。
3．5 GSM短消息實現(xiàn)結(jié)果的分析
通過試驗，GSM短消息在雨量RTU系統(tǒng)中可以進行通信?，F(xiàn)在就通信的成功率和實時性進行分析。
在試驗中發(fā)現(xiàn)，通信的成功率能達(dá)到98．65％，短消息發(fā)送／接收失敗的情況主要出現(xiàn)在節(jié)假日，平時基本上不存在發(fā)送／接收失敗的情況，這是因為節(jié)假日使用GSM短消息業(yè)務(wù)的太多，短消息業(yè)務(wù)使用太頻繁導(dǎo)致GSM網(wǎng)絡(luò)擁擠，從而出現(xiàn)短消息發(fā)送／接收失敗的情況。短消息發(fā)送／接收失敗，還有其他原因比如移動臺欠費呼叫被限制、移動臺關(guān)機、移動臺的內(nèi)存已滿、短消息過期等。
試驗中短消息發(fā)送／接收的耗時長短也存在不同，耗時的長短有多種原因，對于同一個系統(tǒng)主要有短消息的長度、SMSC的處理能力和GSM網(wǎng)絡(luò)的擁擠情況等原因。在SMS中，短消息的發(fā)送／接收需要經(jīng)過SMSC存儲與轉(zhuǎn)發(fā)，增重SMSC處理負(fù)荷。SMSC的處理能力和GSM網(wǎng)絡(luò)的擁擠情況對短消息的影響容易理解。短消息的長度是由于GSM短消息傳送時的字節(jié)長度為70個漢字或者140個ASCII碼，所以當(dāng)短消息的長度超過最大長度時需要分批傳送，從而增加時延。
通過實驗發(fā)現(xiàn)，短消息從發(fā)送到到達(dá)雨量RTU系統(tǒng)最短需要20 s的時間，因此通過短消息方式改變雨量RTU系統(tǒng)的時鐘參數(shù)時需要將時間推后20 s，而且最好是在短消息業(yè)務(wù)不忙的夜深的時候。改變系統(tǒng)時鐘參數(shù)的精確地方式是通過鍵盤輸入。
實驗結(jié)果和性能分析的效果還比較符合實際應(yīng)用應(yīng)該達(dá)到的效果，也符合雨量RTU系統(tǒng)的要求，也可以符合實際的使用要求。

4 結(jié)束語
系統(tǒng)通信模塊硬件圍繞SIM900A芯片和有效SIM電話卡設(shè)計，軟件主要采用AT指令語句通過串口調(diào)試工具，以GSM短消息的方式完成通信功能。通過實驗發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)通信雖然存在這一定的誤差，但是符合實際要求，完全可以應(yīng)用在無人值守的沒有市電的環(huán)境惡劣的野外。在試驗中GSM透出它的優(yōu)點，如更安全、更有效，可以雙傳送信息，可以支持更多的用戶；但是也存在著不足，如短消息長度受限，雖符合要求但是實時性不強，存在時延而且不可避免。在后續(xù)工作中可以減小GSM短消息的時延現(xiàn)象，增強時效性，進一步提高系統(tǒng)的通信質(zhì)量。