引  言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展以及國內(nèi)工農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的自動化程度的提高，越來越多的場合需要遠程監(jiān)控和操作的設備?？煽?、實時、低成本、低功耗的基于GSM網(wǎng)絡的短信遠程數(shù)據(jù)控制與傳輸系統(tǒng)，在電力抄表、水文監(jiān)測、防盜、環(huán)境監(jiān)測、車輛跟蹤、兒童定位、油田監(jiān)控等需要遠程數(shù)據(jù)采集和控制領(lǐng)域中的應用越來越廣泛。在所有這些基于GSM網(wǎng)絡短信息設備的領(lǐng)域，GSM Modem是必不可少的設備。本文討論目前應用廣泛的基于Wavecom公司Q24PL001模塊的GSM Modem嵌入式程序設計，以實現(xiàn)將短信數(shù)據(jù)通信報文封裝進GSM Modem，從而簡化上位機軟件的工作量。

本文以OpenAT3.12嵌入式開發(fā)平臺為例，討論如何將遠程控制和數(shù)據(jù)采集通信報文封裝進以Q24PL001模塊為主的GSM Modem。

1  OpenAT操作系統(tǒng)介紹

OpenAT是Wavecom公司為GPRS／GSM無線CPU開發(fā)的一款實時操作系統(tǒng)，集成了內(nèi)存分配、Flash管理、數(shù)據(jù)流管理、GPIO管理、總線管理、定時器管理等多種功能。底層為嵌入式API應用層，它包括程序初始化API、AT指令API、操作系統(tǒng)API、標準API、流控API、總線API等，包含了建立在OpenAT基礎之上的應用開發(fā)層函數(shù)庫。應用開發(fā)層(簡稱ADL)函數(shù)庫為開發(fā)人員提供了上層應用接口，簡化了嵌入式應用的開發(fā)；同時還提供了嵌入式應用程序框架，包括消息解析器和服務聲明機制?；谝陨显?，OpenAT應用程序開發(fā)人員在開發(fā)應用程序時，更多的時間用于調(diào)用服務處理函數(shù)，使系統(tǒng)更專注于程序本身的優(yōu)化。

2  GSM Modom的硬件結(jié)構(gòu)和應用程序

GSM模塊在工業(yè)領(lǐng)域中比較重要的一個應用就是用來做GSM Modem，這也是GSM模塊一個最簡單的應用。如圖1所示，一個常規(guī)通用GSM Modem的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括電源、RS232接口、GSM模塊、LED指示燈、SIM卡和天線等部分。



GSM Modem核心模塊采用Wavecom公司的無線CPU模塊Q24PL001。在Q24PL001模塊中，OpenAT與應用程序的結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖2所示。Q24PL001集成了ARM7內(nèi)核的32位CPU，內(nèi)嵌OpenAT操作系統(tǒng)內(nèi)核，支持OpenAT嵌入式應用程序設計。



3  基于短信遠程控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

如圖3所示，基于GSM網(wǎng)絡的短信遠程控制系統(tǒng)通常包括以下幾個部分：GSM Modem、上位機監(jiān)控終端、移動運營商的GSM網(wǎng)絡和GSM終端等。



在一般產(chǎn)品設計中，GSM Modem作為發(fā)送GSM短信息的工具使用。PC機通過RS232串口與GSM Modem相連，根據(jù)通信協(xié)議處理短信數(shù)據(jù)將處理好的短信數(shù)據(jù)包打包，通過RS232串口發(fā)送一系列標準Ar指令控制GSM Modem，由其將短信數(shù)據(jù)包發(fā)送至終端系統(tǒng)。本文重點研究簡化上位機軟件，將數(shù)據(jù)處理過程交給GSM Modem嵌入式系統(tǒng)軟件處理的方法。

4  GSM短信遠程控制系統(tǒng)的通信報文設計

對于GSM遠程通信系統(tǒng)，數(shù)據(jù)通信報文并無統(tǒng)一標準，設計者可以根據(jù)具體情況自由設計不同通信終端之間的數(shù)據(jù)通信報文。由于GSM網(wǎng)絡的短信數(shù)據(jù)通信接收端可以通過普通手機實現(xiàn)短信接收，所以必須在短信數(shù)據(jù)通信報文設計中進行數(shù)據(jù)加密設計，以防止非法用戶對GSM短信數(shù)據(jù)通信報文的破解和濫用，保證整個SMS短信控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為了便于介紹，在此以非加密的GSM短信數(shù)據(jù)通信報文為例，介紹GSM短信通信報文的設計。[!--empirenews.page--]

一個常用GSM短信數(shù)據(jù)通信報文設計格式如下：



其中，以$S作為短信數(shù)據(jù)通信報文的幀頭字節(jié)；6個字符作為接收端的認證密碼；S／T代表本報文的發(fā)送方為GSMModem(S)或短信終端(T)；報文內(nèi)容受短信數(shù)據(jù)長度的限制，一般在100字節(jié)以下；以#作為報文的結(jié)束符。

基于如上報文定義，一條上位機發(fā)出的SMS報文示例如下：

$S000000S0000AA100RlY2W3R4Y5G6Y7W5B#

其中，$S為數(shù)據(jù)幀頭；000000為SMS終端默認的認證密碼；S表明本數(shù)據(jù)來自GSM Modem；0000為服務器設備ID編號；AA表示當前數(shù)據(jù)命令；10為十六進制數(shù)據(jù)0x10，表示當前數(shù)據(jù)內(nèi)容長度字節(jié)；0R1G2W3R4G5G6Y7W為報文內(nèi)容；5B為校驗碼；#為結(jié)束符。

同理，短信終端返回至GSM Modem的SMS報文示例為：

$S888888T0055CC1930RX1YX2YX3YX4YX5Y6Y7YXEF#

其中，$S為數(shù)據(jù)幀頭；888888為SMS上位機服務器端默認的認證密碼；T表明數(shù)據(jù)來自短信終端；0055為終端設備ID編號；CC表示當前返回數(shù)據(jù)命令；19為十六進制數(shù)據(jù)0x19，表明當前返回數(shù)據(jù)內(nèi)容長度字節(jié)；30RX1YX2YX3YX4YX5Y6Y7YX為返回數(shù)據(jù)內(nèi)容；EF為校驗碼；#為結(jié)束符。

5 GSM Modem短信數(shù)據(jù)通信報文處理流程

采用常規(guī)的上位機軟件來進行設計，將數(shù)據(jù)通信報文整理好后再根據(jù)一系列的AT命令組合發(fā)送至GSM Modem，同時還需要解析來自若干個SMS終端的數(shù)據(jù)通信報文。常規(guī)上位機服務器端軟件處理短信數(shù)據(jù)的流程如圖4所示。



上位機軟件數(shù)據(jù)處理過程中，需要不停地對GSMModem進行操作，響應GSM Modem接收到的數(shù)據(jù)，處理發(fā)送數(shù)據(jù)包。在整個過程中，GSM Modem只作為數(shù)據(jù)傳輸工具，不參與任何的數(shù)據(jù)處理；而一般的SMS遠程監(jiān)控通信系統(tǒng)的通信報文多達幾十乃至上百條，會導致上位機軟件工作量非常大。為了便于上位機程序簡化開發(fā)，結(jié)合Q24PL001模塊自身支持OpenAT嵌入式軟件的特點，將短信數(shù)據(jù)通信報文的發(fā)送處理和接收解析流程嵌入GSMModem內(nèi)，只保留一些簡單的AT命令接口給上位機軟件控制，大大減小了上位機軟件的工作量。

6  基于OpenAT的通信協(xié)議報文封裝

OpenAT嵌入式操作系統(tǒng)是為廣泛的基于GSM／GPRS的模塊系統(tǒng)應用而設計的，用于實現(xiàn)嵌入式的短信數(shù)據(jù)通信協(xié)議報文封裝，可以大大提高GSM Modem硬件系統(tǒng)的資源利用率?；贠penAT的程序設計流程分為SIM卡服務聲明、短信服務聲明、發(fā)送數(shù)據(jù)包處理和接收數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)解析等部分。

6.1  SlM卡初始化程序

在OpenAT嵌入式程序中，啟動SIM卡初始化的聲明函數(shù)為adl_simSubscribe(bpt_SimInitHandler，" ")。其中，bpt_SimInitHandler為SIM卡

聲明返回函數(shù)：



其中，事件ADL_SIM_EVENT_FULL_INIT表明SIM的初始化完成。

6.2  短信服務初始化程序

在OpenAT嵌入式程序設計中，當返回函數(shù)返回狀態(tài)為ADL_SIM_EVENT_FULL_INIT時，表明系統(tǒng)SIM卡初始化過程成功完成，系統(tǒng)可以進入短信聲明流程。短信功能聲明函數(shù)為：

ptk_SmsHandler=adl_smsSubscribe((adl_smsHdlr_f)bpt_SmsDataHandler，＼(adl_smsCtrlHdlr_f)bpt_SmsCtrlHandler，ADL_SMS_MODE_TEXT)；

其中，ptk_SmsHandler為短信聲明函數(shù)返回句柄；bpt_SmsDataHandler為短信數(shù)據(jù)處理返回函數(shù)；bpt_SmsCtrlHandler為短信發(fā)送狀態(tài)事件返回函數(shù)；ADL_SMS_MODE_TEXT參數(shù)表示采用TEXT模式進行短信數(shù)據(jù)傳輸。bpt_SmsDataHandler短信數(shù)據(jù)返回函數(shù)定義如下：



在該函數(shù)中，smsTel為接收到的短信電話號碼，smsTimeLength為TEXT模式下的短信時間戳，smsText為接收到的短信數(shù)據(jù)內(nèi)容。

SmsCtrlHandler短信發(fā)送事件返回狀態(tài)定義如下：



其中，ADL_SMS_EVENT_SENDING_OK事件表明短信發(fā)送成功。

6.3  SMS通信協(xié)議發(fā)送實現(xiàn)

對示例通信報文$S000000S0000AA100R1Y2W3R4Y5G6Y7W5B#來說，報文的頭和尾以及S服務器標志為固定字節(jié)；000000為終端訪問密碼，從Q24PL001模塊內(nèi)部Flash中調(diào)用；服務器ID碼0000及終端SIM卡號碼，同樣從內(nèi)部Flash中通過OpenAT嵌入式API函數(shù)adl_flhRead函數(shù)調(diào)用；命令字AA為固定命令字節(jié)；報文內(nèi)容通過AT命令接收自上位機軟件。[!--empirenews.page--]

該數(shù)據(jù)通信協(xié)議發(fā)送時通過OpenAT嵌入式API函數(shù)adl_smsSend()函數(shù)發(fā)送。adl_smsSend函數(shù)定義如下：

adl smsSend(ptk SmsHandler，Telephone，Message，ADL_SMS_MODE_TEXT)

其中，ptk_SmsHandler為6.2節(jié)中短信聲明返回句柄；Telephone參數(shù)為目標的SIM卡號碼；Message為封裝好的SMS短信數(shù)據(jù)通信報文；ADL_SMS_MODE_TEXT表明采用TEXT格式的短信傳輸。

6.4  數(shù)據(jù)通信協(xié)議的接收處理

對于GSM Modem接收到的短信數(shù)據(jù)報文的處理，相當于發(fā)送短信數(shù)據(jù)報文的解包過程，主要過程在GetSmsDataPackage()函數(shù)中實現(xiàn)。處理后數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機軟件格式為：

RES：0001，8，30RX1YX2YX3YX4YX5Y6Y7Y

返回數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送至上位機，上位機軟件直接接收該字符串，即完成短信數(shù)據(jù)的接收過程。

7  GSM Modem AT命令設計

利用OpenAT操作系統(tǒng)自定義AT命令設計接口，定義GSM Modem對上位機的數(shù)據(jù)通信接口。AT命令聲明函數(shù)如下：

adl_atCmdSubscribe("AT+SETDIS"，(adl_atCmdHandler_t)SetMode，ADL_CMD_TYPE_PARA∣ADL_CMD_TYPE_READ∣0x0041)；

其中，參數(shù)"AT+SETDIS"為自定義的AT命令接口；SetMode為該AT命令的返回函數(shù)；第3個參數(shù)為當前AT命令的類型，ADL_CMD_TYPE_PARA為鍵入?yún)?shù)型，ADL—CMD—TYPE—READ為讀參數(shù)型，0x0041為AT命令類型值，根據(jù)函數(shù)規(guī)定設置。

在SETDIS命令中，以“AT+SEDDIS=X，Y”類型為自定義命令的訪問接口。在返回函數(shù)中，第1個參數(shù)X作為SMS通信協(xié)議的命令字參數(shù)，第2個參數(shù)Y作為SMS通信協(xié)議的數(shù)據(jù)報文內(nèi)容參數(shù)。SMS數(shù)據(jù)報文目標接收終端SIM卡號碼由“AT+SETTEL”命令預設，該命令定義如下：

adl_atCmdSubscribe("AT+SETTEL"，(adl_atCmdHandler_t)SetTel，ADL_CMD_TYPE_PARA∣ADL_CMD_TYPE_READ∣0x0041)}

該命令用于首次設置GSM Modem，將所有接收終端SIM卡號存入Q24PL001內(nèi)部Flash內(nèi)，以ID號標識。

上位機通過串口鍵人“AT+SETDlS=0，"0R1Y2W3R4 Y5G6Y7W"”，則GSM Modem立即向相應ID為0的終端發(fā)出數(shù)據(jù)包為$S000000S0000AA100R1Y2W3R4Y5G6Y7W5B#完整數(shù)據(jù)。

8  上位機軟件的操作實現(xiàn)

相對于復雜的數(shù)據(jù)報文運算，以及復雜的AT命令發(fā)送GSM短信數(shù)據(jù)包的上位機軟件系統(tǒng)來說，將短信數(shù)據(jù)報文封裝進GSM Modem后，對GSM Modem的控制操作變得簡單，只需要一條簡單的AT命令，即可實現(xiàn)非常復雜的短信數(shù)據(jù)包的傳輸。同樣對于接收到的數(shù)據(jù)，GSMModem完成數(shù)據(jù)包解包后，立即通過RS232串口輸出簡潔的響應字符串，大大簡化了上位機軟件的處理。經(jīng)過對GSM Modem進行短信協(xié)議報文封裝后的上位機軟件處理流程如圖5所示。



結(jié)  語

在系統(tǒng)穩(wěn)定性和實時性要求較高的通信領(lǐng)域中，相比在上位機軟件中進行協(xié)議處理，將GSM Modem進行嵌入式報文封裝處理簡單而又高效。另外，在很多無人值守的服務端平臺，只要保持GSM Modem開機，數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)處理即可以直接由GSM Modem完成，而無需上位機電腦開機，既方便了用戶操作，又保證了SMS通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性。該設計已經(jīng)應用于南寧及深圳市智能交通誘導系統(tǒng)中，均取得較好的效果。