許慶泳， 譚鴿偉， 黃 嫻

（華僑大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，福建 廈門 361021）

0 引言

伴隨著IT行業(yè)技術(shù)進(jìn)步及商業(yè)競爭的激烈化，許多新的思路、新的商業(yè)模式逐漸誕生。IT業(yè)中依靠硬件為利潤的傳統(tǒng)模式，部分已開始轉(zhuǎn)向依靠內(nèi)容收入為主要利潤來源的營利模式，如移動、電信保底消費(fèi)送手機(jī)的運(yùn)營模式及當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)公司熱推的低價(jià)位智能手機(jī)等。在廣告業(yè)中也出現(xiàn)了類似的經(jīng)營模式，其中硬件平臺擁有方，開發(fā)生產(chǎn)廣告發(fā)布硬件平臺，并免費(fèi)或者廉價(jià)地出租給有廣告來源且不想花大成本配置平臺的第二方，第二方依托其廣告來源負(fù)責(zé)廣告發(fā)布。雙方充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，根據(jù)合作原則分配利潤，共享廣告收入。

新的商業(yè)模式的出現(xiàn)，技術(shù)上對廣告平臺的設(shè)計(jì)與管理提出了新的要求。相對于之前只有一個(gè)用戶終端且用戶擁有系統(tǒng)全部的操作權(quán)限，新系統(tǒng)提出兩個(gè)新的要求：①系統(tǒng)應(yīng)具有不同的管理級別。硬件提供方為系統(tǒng)管理員，廣告發(fā)布方為普通用戶；②保證平臺使用的可控性。高權(quán)限用戶(系統(tǒng)管理員)可以給低權(quán)限用戶授權(quán)，低權(quán)限用戶(普通用戶)則不能篡改，竊取平臺操作權(quán)限。

1 系統(tǒng)原理及設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)利用 GSM 良好的信號覆蓋范圍及其穩(wěn)定的無線通信方式，采用GSM短信擔(dān)任系統(tǒng)管理指令及數(shù)據(jù)內(nèi)容的收發(fā)[1]。整個(gè)系統(tǒng)框架如圖1所示。為了適應(yīng)平臺運(yùn)行的商業(yè)環(huán)境，本系統(tǒng)的關(guān)鍵點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)下列要求：①運(yùn)行在計(jì)算機(jī)平臺上的 PC端如何分等級接入并操控目標(biāo)端即管理員（硬件平臺提供方）如何管理各個(gè)普通用戶的權(quán)限，普通用戶(平臺實(shí)際使用方)又不能擅自通過更換 SIM 卡，來逃離管理員管理、更改自己的使用權(quán)限；②PC端與目標(biāo)端通信的協(xié)議如何設(shè)計(jì)；③短信編碼選擇實(shí)現(xiàn)；④短信延時(shí)問題的解決方案。

圖1 系統(tǒng)框圖

1.1 權(quán)限管理及認(rèn)證機(jī)制設(shè)計(jì)

為保證管理員對系統(tǒng)的絕對控制權(quán)，防止平臺使用方擅自更換SIM卡或?qū)ο到y(tǒng)做越權(quán)操作，系統(tǒng)采用數(shù)字認(rèn)證及權(quán)限等級管理機(jī)制。管理員針對不同用戶制作不同權(quán)限等級認(rèn)證證書，并頒發(fā)給用戶，分配權(quán)限等級的同時(shí)也將SIM卡與終端唯一綁定。其中，認(rèn)證證書分兩部分：第一部分存放廣告屏端GSM模塊的SIM卡手機(jī)號及短信服務(wù)中心號，用于通信；第二部分為PC端SIM卡的國際移動用戶識別碼（IMSI，International Mobile Subscriber Identity）及用戶級別等數(shù)據(jù)，用于保證SIM卡的不可更換及用戶等級標(biāo)置。其中SIM卡的IMSI在GSM模塊中可以用“AT+CIMI”指令獲取。將上述數(shù)據(jù)經(jīng)過加密后，導(dǎo)出生成最終的認(rèn)證證書。其中的加密算法采用基于公鑰體系的 RSA加密算法[2-3]。認(rèn)證證書用RSA密鑰對中的私鑰進(jìn)行加密，公鑰則固化在終端軟件上。用戶在打開 PC終端時(shí)，終端用公鑰解密證書，獲取通信參數(shù)及操作權(quán)限等級，并認(rèn)證當(dāng)前SIM卡是否合法，從而接入系統(tǒng)操作。

1.2 短信內(nèi)容協(xié)議設(shè)計(jì)

在實(shí)際運(yùn)行中系統(tǒng)需要執(zhí)行不同類型的指令，并屏蔽運(yùn)營商的客服短信及其它廣告短信，故需在GSM短信的數(shù)據(jù)內(nèi)容上，制定上位機(jī)與廣告屏之間的通信協(xié)議。本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)的內(nèi)容協(xié)議格式如圖 2所示（其中協(xié)議頭開銷為24字節(jié)）。

圖2 系統(tǒng)通信協(xié)議格式

各個(gè)協(xié)議字段說明：

第1-4字節(jié)：協(xié)議起始字節(jié)；第5-7字節(jié)：分別為協(xié)議版本號、軟件版本號和硬件版本號；第 8-11字節(jié)：用戶發(fā)送短信序列號；第12字節(jié)：用戶等級標(biāo)置字節(jié)；第13字節(jié)：命令類型字節(jié)；第14-21字節(jié)：用戶密碼；第22字節(jié)：用戶有效數(shù)據(jù)長度；第23-24字節(jié)：協(xié)議段數(shù)據(jù)檢驗(yàn)位；第25字節(jié)起：用戶數(shù)據(jù)起始字節(jié)。

1.3 短信PDU編碼及長短信支持方案

SMS有三種方式來發(fā)送和接收SMS信息：Block Mode, Text Mode和PDU Mode。其中PDU Mode可以使用任何字符集，被廣泛使用。PDU Mode中可以采用三種編碼方式來對發(fā)送的內(nèi)容進(jìn)行編碼，分別是7-bit、8-bit和UCS2編碼。三種編碼方式下可以發(fā)送短消息的最大字符數(shù)分別是160、140和70。本系統(tǒng)根據(jù)需求選擇PDU Mode，UCS2編碼方式。另考慮系統(tǒng)發(fā)送的內(nèi)容會大于單條短信最大容量 70個(gè)字符，須在上位機(jī)實(shí)現(xiàn)中添加長短信收發(fā)實(shí)現(xiàn)。長短信與普通短信的區(qū)別在于短信 PDU中的標(biāo)置字節(jié)PDUType字節(jié)，及短信中用戶數(shù)據(jù)前添加的長短信協(xié)議頭[4]。短信發(fā)送的PDU格式如圖3所示。

圖3 短信PDU格式

其中發(fā)送普通短信時(shí) PDUType字節(jié)段的值為0x11，長短信時(shí)為0x51。當(dāng)發(fā)送長短信時(shí)，短信數(shù)據(jù)前要添加長短信頭協(xié)議，其格式如圖4所示。

圖4 長短信協(xié)議格式

其中第1-3字節(jié)固定為0x05, 0x00, 0x03；第4字節(jié)作為長短信ID標(biāo)置位；第5字節(jié)表示長短信包含的子短信條數(shù)；第6字節(jié)表示子短信的序列號。接收端可以根據(jù)此三個(gè)參數(shù)重新組構(gòu)成長短信。

1.4 延時(shí)處理機(jī)制解決

GSM短信在發(fā)送過程中，會存在延時(shí)，導(dǎo)致前后短信收發(fā)時(shí)間順序顛倒。為解決這個(gè)問題，系統(tǒng)在發(fā)送端建立一個(gè)4字節(jié)無符號長整形標(biāo)置變量，作為發(fā)送短信的唯一序列號。每當(dāng)發(fā)送一條短信，序列號加 1，并將序列號值放在短信內(nèi)容協(xié)議的第 8-11字節(jié)，隨內(nèi)容一并發(fā)送到接收方。廣告端在接收到短信時(shí)，憑序列號大小解析最新發(fā)送的短信并顯示。

2 系統(tǒng)軟硬件實(shí)現(xiàn)

2.1 PC端實(shí)現(xiàn)

PC端包括GSM硬件收發(fā)模塊和運(yùn)行于PC端的用戶軟件。PC端短信收發(fā)部分采用西門子的TC35i，TC35i是西門子推出的支持中文短信息的工業(yè)級GSM模塊，工作在EGSM900和GSM1800雙頻段，支持AT指令[5]。軟件通過串口寫AT指令到模塊中，完成模塊初始化、收發(fā)短信等操作，實(shí)現(xiàn)對模塊的靈活控制。

PC端軟件則采用VC編寫，包括用戶認(rèn)證模塊、短信收發(fā)機(jī)管理模塊、用戶操作界面三部分組成。整個(gè)模型如圖5所示，最終用戶操作界面如圖6所示。

圖5 上位機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖6 PC端用戶界面

2.2 目標(biāo)端軟硬件實(shí)現(xiàn)

目標(biāo)端的主處理器選用意法半導(dǎo)體 Cortex M3核的32位單片機(jī)STM32F103C8T6，該芯片采用哈佛結(jié)構(gòu)，運(yùn)算速度 1.25 DMIPS/MHz，工作頻率在72 MHz，內(nèi)嵌了64K字節(jié)的Flash內(nèi)存，20K字節(jié)的RAM內(nèi)存[6]。GSM短信收發(fā)采用西門子的TC35i模塊，與主芯片通過串口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。主芯片通過串口與LED顯示屏的控制卡相連，傳輸要顯示的數(shù)據(jù)內(nèi)容。

整個(gè)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖7所示，其中軟件狀態(tài)機(jī)運(yùn)行機(jī)制如圖8所示。

圖7 目標(biāo)端硬件結(jié)構(gòu)

圖8 狀態(tài)機(jī)運(yùn)行機(jī)制

3 系統(tǒng)測試與分析

測試系統(tǒng)由PC端的上位機(jī)和連接LED控制卡的目標(biāo)機(jī)組成。上位機(jī)通過串口與GSM短信發(fā)送模塊連接，管理員或普通用戶通過界面操作，向目標(biāo)機(jī)發(fā)送指令或者數(shù)據(jù)。目標(biāo)機(jī)接收到上位機(jī)發(fā)送過來的指令或數(shù)據(jù)后，進(jìn)行解析執(zhí)行。測試過程中，該部分以串口輸出解析后的指令或數(shù)據(jù)，以此來分析系統(tǒng)的測試結(jié)果。整個(gè)測試平臺如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)測試平臺

圖10 測試操作

測試時(shí)，打開管理員操作界面如圖10所示，輸入相應(yīng)參數(shù)及要發(fā)布的廣告內(nèi)容，按發(fā)送鍵發(fā)送。在接收端觀察短信經(jīng)解析后，通過串口輸出的調(diào)試信息。根據(jù)系統(tǒng)輸出的調(diào)試信息分析，此系統(tǒng)能正常完成預(yù)先設(shè)計(jì)的所有功能，且能穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié)語

本文提出了一種基于GSM短信實(shí)現(xiàn)多用戶等級接入與管理的廣告發(fā)布平臺的設(shè)計(jì)方案，通過測試證實(shí)了該系統(tǒng)的可行性和有效性，使得該設(shè)計(jì)方案的硬件平臺對新的商業(yè)模式提供了有力的技術(shù)支持。

[1] 王貝貝,龔?fù)?蘇剛,等.基于GSM的太陽能路燈聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)研究[J].通信技術(shù),2011,44(02):135-137.

[2] 胡建.基于RSA的身份認(rèn)證系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].湖北:華中科技大學(xué),2009.

[3] 王雪莉,高玉良. RSA公鑰密碼體制及其在SET協(xié)議中的應(yīng)用[J].信息安全與通信保密,2007(08):24-27.

[4] 胡燕飛,黃俊偉.短消息編解碼算法研究及實(shí)現(xiàn)[J].通信技術(shù),2007(05):39-41.

[5] 吳玉田,王瑞光,鄭喜鳳,等. GSM模塊TC35及其應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)測量與控制,2002,10(08):557-560.

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