GSM無線模塊在嵌入式系統的應用短消息監控系統設計

無線監控已成為工業控制中安全生產、及時收集重要數據必不可少的部分，利用現代化的信息技術手段，建設安全生產監督管理網絡系統，才能將安全生產和安全監督管理工作做好，隨著通訊技術的發展，移動通信覆蓋的不斷擴大，基于GSM網絡的無線監控系統已廣泛應用于工業控制、電力監控、智能樓宇和數據傳輸等方面，加上GSM網絡具有前期投資少、不受地域限制、通信實時性高等優點使得它在無線監控領域扮演更重要的角色。利用的ARM9處理器主頻高、速度快、內存容易擴展、可以運行嵌入式 Linux系統設計平臺等特點，通過軟硬件模塊的設計，在GSM無線網絡上實現了短消息的發送。此系統可以應用在采油電機環境參數監控上，實時監控油管的壓力和溫度等參數，保證油井的安全正常工作。

1 系統總體設計

圖1所示是基于AT91RM9200的短消息監控系統，該平臺主要包括微處理器單元，GSM／GPRS無線模塊，存儲模塊，串口通訊模塊，網口通訊模塊，USB模塊和電源模塊。

系統構建的嵌入式系統平臺，主要用于采集數據的處理、存儲、發送和監控。具體工作原理是在基于ARM920T內核的主頻為180 MHz的AT91RM9200微處理器上，通過串口將下行數據傳輸至Flash存儲，然后利用串口、USB和100 Mbit·s-1以太網3種接口方式將數據發送至目標，同時通過GSM無線通信的方式進行數據監控。

此系統在采油電機環境參數傳輸與通信系統存儲模塊的應用過程中，主要完成對采樣和監測處理后的數據進行存儲，并通過各種接口傳送至上位機顯示，以便工作人員對井下電機的環境數據進行觀測和處理。無線傳輸模塊可將存儲模塊接收到的數據以無線通信的方式發給油井監測人員，使監測人員可隨時了解油井的采油情況。

2 系統硬件電路設計

系統中短消息收發功能的模塊采用華為公司的4頻GSM／CPRS模塊MG323，工作頻段支持4頻：GSM850／900／1800／1900 MHz，接收靈敏度《-107 dBm，工作溫度-30～+75℃，電源電壓3．3～4．8 V，平均待機電流《3．0 mA，協議支持GSM／GPRS Phase2／2+。MG232含有豐富的對外應用接口，包括B2B連接器接口、電源接口、開／關機和RESET時序、控制信號接口、UART接口、SIM卡接口、充電接口、音頻接口。

MG323與AT91RM9200的硬件電路如圖2所示。ARM通過控制TERM_ON來控制MG323的開關，當TERM_ON管腳拉低≥1 s后，即可開機；開機后，如果再次將TERM_ON管腳拉低≥1 s，即可關機；控制RESET來控制MG323的硬件復位，當模塊出現軟件死機時，通過拉低RESET管腳≥10 ms后，模塊進行硬件復位。

由于MG323模塊對外提供一路異步RS-232UART1通信接口，UART1支持標準Modem握手信號控制方式，故MG323GSM模塊通過RS232與AT91RM 9200的UART1相連接。其控制信號主要為：UART1_RD（模塊數據發送端），UART1_TD（模塊數據接收端），UART1_RING（模塊振鈴指示），UART1_ DSR（模塊數據設備就緒），UART1_RTS（請求發送），UART1_DTS（數據終端就緒），UART1_CTS（模塊清除發送），UART1_DCD（模塊載波檢測）。RT S／CTS為請求發送信號，RTS是發送起輸出的準備好信號。接收雙方準備好，送回清除發送信號CTS后，發送數據開始進行，在同一端將這兩個信號短接就意味著只要發送器準備好即可發送。DCD載波檢測又稱接收線路信號檢測，本意是Modem檢測到線路中的載波信號后，通知終端準備接收數據的信號在沒有接Modem的情況下，也可以和RES，CTS短接。DTR／DSR數據終端準備好時發DTR信號，在收到數據通信裝置準備好DSR信號后方可通信。RING原意是在接收到電話交換機有效的撥號時有效，同時數據終端準備傳送。

MG323模塊通過信號SM_CLK（SIM卡時鐘），VSIM（SIM卡電源），SIM_DATA（SIM卡數據），SIM_RST（SIM卡復位），GND（SIM卡地）與SIM卡相連接。

該系統還包括兩片16 MB的SD RAM，兩片8 MB的NOR_Flash，3個RS232，主USB，從USB和100 Mbit·s-1以太網等模塊。

3 系統軟件設計

系統軟件的設計主要是基于Linux下C的編程，無線監控程序是依照短消息收發的原理來對于GSM模塊的控制。

3．1 短消息收發的原理

短消息內容的最大長度為140 Byte。它的編碼主要有7位編碼，8位編碼，UC2編碼3種編碼方式。7位編碼是每Byte只使用低7位，每8 By te為一組，去掉最高位，重新編碼為7 Byte，因此，7位編碼實際可以表示到160 Byte。但7位編碼只能發送0x00～0x7F范圍內的字符，一般在發送英文短信時使用。編碼原理是：每8 Byte為一組，分別用A，B，C，D，E，F，G代表8 Byte，An代表每個Byte的位，則8 Byte重新編碼成如表1所示的7 Byte。

8位編碼是所見即所得的編碼方式，即無需編碼，只要將二進制串直接發送即可。8位編碼方式適用于制定各種基于短消息的通訊協議。U C2編碼常用于中文或中英文混合內容發送，只能發送70個字符（1個UC2占2 Byte）。由于國內一般的編輯器多以GB編碼，因此，若要發送中文，需先將中文轉換為UC2編碼再發送。在手機上，通常的做法是如果全部為英文及半角字符，則以7位編碼發送，如果含有中文，則全部編碼為UC2發送。

短消息發送方式主要分為文本模式和PDU模式。文本模式其實是針對7位編碼做的一個封裝，它只能用于發送ANSI范圍的字符，發送方式較簡單。而PDU模式中所有短消息數據發送前都必須組織成PDU的格式，在PDU模式下發送短信比較復雜，需要自行組織PDU內容，但發送方式靈活，可以發送各種數據，也可以自行設定各PDU字段的內容。

3．2 常用的短消息AT指令

GSM無線模塊采用標準AT指令集通信，AT命令是用于控制TE（Terminal Equipment）（如PC等用戶終端）和MT（Mobile Terminal）（如移動臺等移動終端）之間的相互規則。AT命令類型主要分為基本命令、S寄存器命令、擴展以及廠商定義命令3類。

3．3 GSM程序的實現

ARM與GSM通信以ttyS1對應的串口為橋梁，與MG323提供的1個UART接口連接，支持短消息、電話本管理、數據業務、嵌入式TCP／UDP等功能。使用ARM發出AT指令集對GSM模塊進行相應的操作，能夠完成發短消息的功能。具體軟件流程如圖3所示。

對串口初始化的工作主要是波特率、校驗位和停止位設置。配置完串口的相關屬性，就可以對串口進行打井、讀寫操作了。在Linux系統中，所有的設備文件都位于“／dev”下，其中串口2對應的設備名為“／dev／ttyS1”，在Linux下對設備和對文件的操作方法是一樣的，因此對串口讀寫可以使用簡單的“read”，“‘write”函數完成。

對GSM模塊進行初始化工作主要是發送“AT”給MT（Mobil Terminal）看起是否有回復以確定ARM與GSM的串口工作正常。在確認串口正常工作后，發送“ATE0”命令關閉MT的回顯。

設置短信的通知方式、短信的格式（PDU）以及短信的編碼（USC2）。如果每個功能的設定都正常，最后按照PDV格式向指定用戶發送“GSM模塊初始化成功”的短信。

解析數據并發送短信主要是首先按PDU格式填充發送個MT的緩沖區的前46 Byte。然后打開數據存儲文件，用lseek函數將文件光標由文件結尾向前移動17 Byte。因為數據幀中的數據是以2 Byte的16進制來表示，所以首先將其合并成一個16位的短整型，然后將合并的數據與檢驗位相加。將數據處理后，最后發送短信并檢查MT回復中是否有+CMGS的指令，若有則代表短信發送成功。