基于嵌入式Linux的短信收發(fā)系統(tǒng)設(shè)計方案

1. 引言

全球移動通信系統(tǒng)GSM是我國范圍最廣、通信能力最強的移動通信業(yè)務(wù)，而其中的短消息功能由于其使用方便、價格低廉、可靠性高而得到廣泛應(yīng)用。嵌入式Linux也是目前得到廣泛應(yīng)用的技術(shù)，功能強大和資源豐富是其最大的優(yōu)勢。本文在嵌入式Linux系統(tǒng)中利用GSM模塊實現(xiàn)短信的收發(fā)，對不方便架設(shè)通信線的偏遠(yuǎn)地區(qū)，提供了數(shù)據(jù)采集的新手段。同時嵌入式系統(tǒng)體積小巧，Linux操作系統(tǒng)資源開放，所以本系統(tǒng)經(jīng)過二次開發(fā)，可方便地構(gòu)成移動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，用于遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控。

2. 短信收發(fā)原理

短信服務(wù)業(yè)務(wù)SMS（Short Message Service）是GSM系統(tǒng)提供給用戶的一種數(shù)字業(yè)務(wù)。它與話音傳輸及傳真一樣同為GSM數(shù)字蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)提供的主要電信業(yè)務(wù)。涉及SMS管理的協(xié)議如圖1所示。

圖1 SMS管理的協(xié)議

圖中SME為短信實體， SMSC為短信服務(wù)中心，SMCGWMS為SMS網(wǎng)關(guān)，HLR是歸屬位置寄存器，用于永久儲存管理用戶和服務(wù)記錄的數(shù)據(jù)庫，MSC為移動交換中心，VLR為訪問位置寄存器，含有用戶臨時信息的數(shù)據(jù)庫，交換中心服務(wù)訪問用戶時需要這些信息。

短消息模塊的接入方式支持兩種模式：基于AT指令的TEXT模式和基于AT指令的PDU模式，它指的是短信息數(shù)據(jù)的編碼格式，文本模式只支持7-bit編碼，只能發(fā)送純英文和數(shù)字信息，而PDU模式支持7-bit編碼、8-bit編碼和UCS-2編碼，其中后者可進(jìn)行Unicode編碼，如中文，所以本系統(tǒng)采用PDU模式。

GSM模塊采用標(biāo)準(zhǔn)AT指令集通信，其中本系統(tǒng)用到的AT指令如表1所示。

3. GSM短信數(shù)據(jù)格式分析

3.1 發(fā)送短信PDU字符串

由于短信模式選擇的是PDU格式，因此對PDU的編碼和轉(zhuǎn)碼就變得很重要。中文短信息的實現(xiàn)需要將GB2312的中文編碼轉(zhuǎn)換為代碼頁為CP936的Unicode編碼，PDU發(fā)送字符串?dāng)?shù)據(jù)格式中主要由短信中心地址、文件頭字節(jié)、信息類型、目的地址、協(xié)議標(biāo)識、數(shù)據(jù)編碼方案、有效期、用戶數(shù)據(jù)長度和用戶數(shù)據(jù)組成。例如：設(shè)置PDU格式的編碼為08 91 68 31 08 20 01 05 F0 11 00 0D 91 68 31 21 43 65 87 F9 00 08 00 04 4F 60 59 7DH，這組代碼的含義如下所示：

08H：短信服務(wù)中心地址信息的長度，共8個八位字節(jié)（包括91） ；

91H：短信服務(wù)中心地址格式，用國際格式號碼，在前面加‘+’ ；

68 31 08 20 01 05 F0H：短信服務(wù)中心地址，8613800210500，補‘F’湊成偶數(shù)個；

11H：基本參數(shù)，協(xié)議數(shù)據(jù)單元類型，表示發(fā)送，TP-VP用相對格式；

00H ：信息參考，00H表示參考本身號碼；

0DH ：對方手機號數(shù)字個數(shù)，共13個十進(jìn)制數(shù) ；

91H ：對方手機號，用國際格式號碼，在前面加‘+’ ；

68 31 21 43 65 87 F9H：對方手機號（TP-DA），8613123456789，補‘F’湊成偶數(shù)個；

00H：協(xié)議標(biāo)識（TP-PID）， 是普通GSM類型，點到點方式；

08H：用戶信息編碼方式（TP-DCS），主要用其1個字節(jié)的第2和第3位表示編碼方式，08H表示為UCS-2編碼，最多發(fā)140個字符；04H為8-bit編碼，最多發(fā)140個字符；00H為7-bit編碼，最多發(fā)160個字符；

00H：有效期（TP-VP），5分鐘；

04H：短信長度（TP-UDL），實際長度4個字節(jié)；

4F 60 59 7DH：用戶信息（TP-UD），“你好”的Unicode編碼 。

3.2 短信接收PDU字符串

接收方PDU字符串的含義和發(fā)送方不同，同樣以“你好”為例，接收方的PDU字符串為：08 91 68 31 08 20 01 05 F0 24 0D 91 68 31 67 24 47 63 F0 00 08 70 50 91 31 21 25 23 04 4F 60 59 7DH，其含義如下：

08 91 68 31 08 20 01 05 F0H：短信服務(wù)中心，分析同發(fā)送相同；

24H：協(xié)議數(shù)據(jù)單元類型基本參數(shù)（TP-MTI/VFP） ，發(fā)送，TP-VP用相對格式；

0DH：對方手機號數(shù)字個數(shù)；

91H：對方手機號（TON/NPI），用國際格式號碼（在前面加‘+’）；

68 31 67 24 47 63 F0H ：對方手機號（TP-DA），8613764274360，補‘F’湊成偶數(shù)個；

00H：協(xié)議標(biāo)識（TP-PID） ，是普通GSM類型，點到點方式；

08H：用戶信息編碼方式（TP-DCS） ，分析同發(fā)送方；

70 50 91 31 21 25H：短信息發(fā)送時間（SCTS），07年05月19日13時12分52秒；

23H：發(fā)送時間對應(yīng)的時區(qū)；

04H：短信長度（TP-UDL），實際長度4個字節(jié)；

4F 60 59 7DH：用戶信息（TP-UD） ，“你好”的Unicode編碼。

4. 系統(tǒng)組成

4.1 硬件組成

系統(tǒng)由嵌入式Linux系統(tǒng)和西門子MC35模塊通過串行接口三線制連接而構(gòu)成， MC35模塊通過串口1與嵌入式系統(tǒng)相連，嵌入式系統(tǒng)配置包括50MHz 主頻的MPC860 32位處理器，16M SDRAM內(nèi)存，2個RS232，操作系統(tǒng)采用嵌入式Linux for PowerPC。MC35模塊由GSM基帶處理器、電源專用集成電路、射頻電路和閃速存儲器等部分組成，負(fù)責(zé)處理GSM蜂窩設(shè)備中的音頻、數(shù)據(jù)信號，內(nèi)嵌的軟件部分執(zhí)行應(yīng)用接口和所有GSM協(xié)議棧的功能。MC35模塊支持中文短信，支持GPRS功能，便于將來功能的擴(kuò)展。

4.2 libcssl函數(shù)庫

為了實現(xiàn)短信收發(fā)，需要在嵌入式Linux下通過串口發(fā)送一系列的AT指令。串行通信是計算機與其它設(shè)備通信的常用方法，在本系統(tǒng)中采用一個基于Linux的串行通信函數(shù)庫libcssl，可實現(xiàn)串行接口的異步事件驅(qū)動并發(fā)。采用該方法，用戶只要在服務(wù)器和數(shù)據(jù)源之間建立異步連接，編寫數(shù)據(jù)處理函數(shù)，而對數(shù)據(jù)源事件的監(jiān)測、數(shù)據(jù)讀取、多事件的處理等操作是由操作系統(tǒng)內(nèi)部完成的，因而，很大程度上簡化了編程者的工作，同時保證了較高的資源利用率。

libcssl函數(shù)庫提供給用戶多種基于事件驅(qū)動方式的串行接口函數(shù)。其主要的函數(shù)有4類，分別進(jìn)行串口初始化、收發(fā)數(shù)據(jù)、錯誤信息和結(jié)束串口操作。在使用某個串口之前，應(yīng)調(diào)用初始化函數(shù)，為其設(shè)定相應(yīng)的參數(shù)，使得收發(fā)雙方遵循相同的通信協(xié)議和數(shù)據(jù)格式，同時通過初始化操作，為串口數(shù)據(jù)源和采集服務(wù)器之間建立異步連接，分配采集句柄。當(dāng)數(shù)據(jù)源通過串口向嵌入式系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)時，該數(shù)據(jù)會被送入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，并通過該數(shù)據(jù)源的采集句柄訪問該串口的事件回調(diào)函數(shù)，在該函數(shù)中完成數(shù)據(jù)的處理。這樣，當(dāng)用戶使用多個串口時，不需要用多個線程，只需為每個串口設(shè)置獨立的回調(diào)函數(shù)，各回調(diào)函數(shù)之間可方便地實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換共享。程序中可通過獲取錯誤信息得知系統(tǒng)出現(xiàn)的錯誤狀態(tài)，而采集程序結(jié)束，應(yīng)關(guān)閉串口，釋放系統(tǒng)資源。相關(guān)的函數(shù)如表2所示。

4.3 軟件設(shè)計

使用了異步事件驅(qū)動函數(shù)庫，程序設(shè)計簡單而容易實現(xiàn)，程序主要由2部分組成，即主程序設(shè)計和回調(diào)函數(shù)程序設(shè)計，主程序只需做初始化和發(fā)送短信，其余功能都放在回調(diào)函數(shù)中完成。

在主程序中，各變量賦初值，調(diào)用cssl_open函數(shù)打開串口，設(shè)定的參數(shù)為采用串口1，即嵌入式Linux的ttyS0設(shè)備，波特率9600bps，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無奇偶校驗，無數(shù)據(jù)流控制，定義串口接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)有數(shù)據(jù)輸入時，回調(diào)函數(shù)為callback函數(shù)，該函數(shù)對數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。通過發(fā)送AT+CMGF=0指令定義短信模式為PDU模式，并判斷是否有短信需要發(fā)送。對待發(fā)送的短信按照PDU發(fā)送字符串格式進(jìn)行編碼。

回調(diào)函數(shù)中首先讀取輸入緩沖區(qū)內(nèi)容，根據(jù)對標(biāo)志和緩沖區(qū)內(nèi)容的判斷，可以得知回調(diào)事件是由哪個事件引起，分別加以處理，由于每次向GSM模塊發(fā)送AT指令后，模塊會發(fā)送OK或ERROR等響應(yīng)表示操作成功或失敗，所以在回調(diào)函數(shù)中一個很重要的功能就是判斷AT指令是否發(fā)送成功，為了區(qū)分不同AT指令的響應(yīng)，程序中采用狀態(tài)標(biāo)志，表征系統(tǒng)發(fā)送AT指令的類型。在收到新短信后，需要提取短信發(fā)送方電話號碼、短信發(fā)送時間和短信內(nèi)容等相關(guān)信息，并加以存儲，提取的依據(jù)就是短信接收PDU字符串的編碼格式。為了避免由于短信滿而無法接收新短信，需要將處理過的短信刪除。相關(guān)的流程圖如圖2和圖3所示。

圖2 主程序流程圖

圖3 回調(diào)函數(shù)程序流程圖

5. 結(jié)論

本文的創(chuàng)新之處在于提供了嵌入式Linux下GSM模塊的短信收發(fā)系統(tǒng)設(shè)計方法，程序設(shè)計中利用串行接口驅(qū)動函數(shù)庫libcssl，以串口I/O事件驅(qū)動設(shè)備的數(shù)據(jù)采集。短信收發(fā)采用PDU模式，能夠處理中文、英文和中英文短信。異步事件驅(qū)動的架構(gòu)可以提高系統(tǒng)并發(fā)處理性能，程序能夠執(zhí)行多個異步操作而不調(diào)用阻塞線程，降低系統(tǒng)開銷。嵌入式系統(tǒng)加GSM模塊的系統(tǒng)組成體積小巧，非常適合于偏遠(yuǎn)地區(qū)或移動的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)的需要，還可以充分利用MC35模塊的GPRS功能，實現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)采集。