李加明 任小永

摘要：文章以SMS短信實現(xiàn)通用便利低成本的雙向超遠(yuǎn)程無線工業(yè)測控系統(tǒng)。用戶可用控制短信實現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，也可查詢并接收系統(tǒng)的檢測短信實現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程檢測。系統(tǒng)以原型開發(fā)方式實現(xiàn)，具備優(yōu)良的性價比與工程實用價值。文章研究了克服常規(guī)缺陷、以32位ARM Cortex-M3核STM32單片機為主控研制的項目裝置在測控功能、短信容錯、系統(tǒng)安全及可靠性、維護(hù)性等方面的創(chuàng)新優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：移動通信；SMS；遠(yuǎn)程測控；ARM Cortex-M3； STM32

工業(yè)應(yīng)用中有無線遠(yuǎn)程檢測與控制的技術(shù)需求。但目前基于公共頻段的藍(lán)牙、ZigBee等方式傳輸距離都很短[1]；而申請頻率的用戶電臺方式限于功率，傳輸距離有限，且頻率申請困難、頻率費用高昂，普通用戶很難使用。

移動通信網(wǎng)地域廣大，用戶無需申請頻率，借其做遠(yuǎn)程測控，有最大的距離優(yōu)勢。SMS短信是移動通信的基本業(yè)務(wù)，資源消耗最少、資費最低[2]。解決工業(yè)模擬數(shù)字測控數(shù)據(jù)在報文的編碼可為實現(xiàn)遠(yuǎn)程測控創(chuàng)造前提。

項目將移動通信用于工業(yè)測控，基于底層協(xié)議開發(fā)?？朔Ｒ?guī)案例的不足，創(chuàng)新功能，優(yōu)化實現(xiàn)通用的工業(yè)雙向超遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)。

1 項目系統(tǒng)的功能構(gòu)成與硬軟件設(shè)計

1.1 項目系統(tǒng)的功能與構(gòu)成

如圖1所示，系統(tǒng)包括控制裝置TE、通信裝置ME、被控設(shè)備與上位機。TE為系統(tǒng)主體裝置，以STC12， STM32單片機為主控實現(xiàn)，軟件以電機測控設(shè)計；含SIM卡的ME為西門子TC35[3]，由TE控制連通基站并實現(xiàn)短信通信。系統(tǒng)可由授權(quán)用戶的控制短信實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、也可通過向授權(quán)用戶回送檢測短信實現(xiàn)遠(yuǎn)程檢測。

限于篇幅，主要介紹以ARM C。rtex-M3[4]核32位單片機STM32F103[5]為主控的控制裝置的優(yōu)化實現(xiàn)。

1.2 系統(tǒng)的用戶短信協(xié)議

1.2.1 TEXT模式標(biāo)準(zhǔn)短信（ASCII碼，數(shù)據(jù)可變）

控制短信：①forward 50 Hz；②reverse 50 Hz；③stoprun；④ask。

檢測短信：①Motor speed 1 268 rpm，forward；②Motorspeed 1 268 rpm，reverse；③Motor stop。

1.2.2 PDU模式標(biāo)準(zhǔn)短信（UCS2碼，數(shù)據(jù)可變）

控制短信：①電機正轉(zhuǎn)，頻率50 Hz；②電機反轉(zhuǎn)，頻率50 Hz；③電機停轉(zhuǎn)；④運行查詢

檢測短信：①電機轉(zhuǎn)速1 268 r/min，正轉(zhuǎn)；②電機轉(zhuǎn)速1 268 r/min，反轉(zhuǎn)；③電機停止。

1.2.3 短信的遠(yuǎn)程測控規(guī)則

遠(yuǎn)程控制：授權(quán)用戶發(fā)送控制短信①、②、③之一，系統(tǒng)接收后讀取并解析短信報文、提取命令與頻率數(shù)據(jù)，控制電機的運行與調(diào)速。

遠(yuǎn)程檢測：授權(quán)用戶發(fā)送控制短信④，系統(tǒng)接收后將電機狀態(tài)與轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)嵌入檢測短信①、②、③之一向用戶回送，檢測電機的狀態(tài)與轉(zhuǎn)速。

授權(quán)用戶的控制短信①?④，系統(tǒng)在接收解析后將其刪除；①?④外的無效短信或非授權(quán)用戶的短信，系統(tǒng)在接收后均不做解析而直接刪除。

1.3 系統(tǒng)TE的硬件功能與系統(tǒng)設(shè)計

TE控制ME與被控設(shè)備，連接PC；并完成各模式功能控制、移動通信控制、電機控制及檢測等。TE與系統(tǒng)硬件框如圖2所示，各電路限于篇幅從略。

1.4 系統(tǒng)TE的軟件功能與程序設(shè)計

系統(tǒng)TE軟件的總體流程如圖3所示。

系統(tǒng)初始化：用戶初始化階段除完成常規(guī)任務(wù)之外，還以IGT啟動TC35； GSM初始化階段以AT&F;，AT，ATE1，AT+CNMI=2，1，0，0，1， AT+CMGF=0或AT+CMGF=1[6]等配置GSM參數(shù)、通信、存儲及接收通知、TEXT或協(xié)議數(shù)據(jù)單元（Protocol Data Unit， PDU）處理模式并清除SIM卡的歷史短信。

程序主循環(huán)：判別是否收到控制短信，收到則從接收通知獲取存儲地址并讀取報文、授權(quán)用戶有效短信解析并刪除。無效或非授權(quán)用戶短信不解析而直接刪除。

中斷服務(wù)程序：除定時中斷；串口1中斷自動接收TC35各應(yīng)答報文生成緩沖區(qū)數(shù)組供程序用；串口2中斷自動向PC發(fā)送運行數(shù)據(jù)報文。

短信解析的簡化流程如圖4所示。

2 系統(tǒng)功能的實現(xiàn)關(guān)鍵與創(chuàng)新優(yōu)化

2.1 系統(tǒng)功能的實現(xiàn)關(guān)鍵

系統(tǒng)實現(xiàn)關(guān)鍵為短信底層協(xié)議與控制的編程，涉及GSM配置、AT指令通信、短信模式處理、報文與數(shù)據(jù)的編碼組織、接收事件與通知、報文與數(shù)據(jù)的讀取解析、短信的發(fā)送與接收控制等。

2.2 系統(tǒng)功能較常規(guī)案例的創(chuàng)新優(yōu)化

硬件設(shè)計通用的測控信號端口，軟件基于底層協(xié)議控制實現(xiàn)完備的雙向遠(yuǎn)程檢測與控制。

用戶短信可脫離代碼自由安全定義；可嵌入動態(tài)可變數(shù)據(jù)形成可變短信，實現(xiàn)可變信號的檢測與控制。

用戶短信的容錯設(shè)計。短信僅需包含基本關(guān)鍵詞、關(guān)鍵詞內(nèi)容與位置、可變數(shù)據(jù)位數(shù)與范圍均可容錯。

優(yōu)化PDU報文[7]結(jié)構(gòu)，改進(jìn)報文通信控制，高效穩(wěn)定地實現(xiàn)中文短信的檢測與控制。

系統(tǒng)安全與可靠性設(shè)計。增加用戶身份與短信識別，屏蔽非授權(quán)用戶與無效短信；識別硬件故障并運行保護(hù)；優(yōu)化實現(xiàn)短信報文的存儲管理等。

3 系統(tǒng)功能創(chuàng)新優(yōu)化的技術(shù)實現(xiàn)

3.1 短信報文存儲與接收通知、地址與報文讀取

程序無法預(yù)測短信到來時刻，故短信接收編程較困難：需控制TC35存儲所收短信并發(fā)送短信接收通知；方可提取存儲地址、讀取短信報文。

TC35收到短信默認(rèn)不存儲也不向TE發(fā)送信息。編程解決：以AT+CNMI=2，1，0，0，1控制短信接收時存儲并向TE發(fā)送+CMTL “SM”，接收通知；指針提取〈index〉計算存儲地址并與AT+CMGR合成讀取短信報文。

3.2 控制短信的關(guān)鍵詞識別與解析控制

設(shè)計短信緩沖區(qū)以中斷接收TC35應(yīng)答及短信報文，識別緩沖區(qū)關(guān)鍵詞并邏輯組合作為報文的解析控制條件。

3.3 系統(tǒng)可維護(hù)性設(shè)計——用戶短信的自由定義

用戶短信須能據(jù)不同需求自由定義。

設(shè)計SMS.h獨立文本文件定義用戶短信，可徹底脫離程序代碼，確保系統(tǒng)維護(hù)的安全。

3.4 控制短信與檢測短信中可變數(shù)據(jù)的處理

3.4.1 控制短信中可變數(shù)據(jù)的解析提取

TEXT與PDU模式控制短信①，②的解析，還需從其報文中提取可變數(shù)據(jù)。編程方案如下：

TEXT模式，程序取“Hz”前1、2字節(jié)為個、十位。并對個、十位進(jìn)行0?9有效性判別：均有效數(shù)據(jù)由個、十位合成；僅個位有效數(shù)據(jù)只取個位。

PDU模式，程序取“Hz”前1，5字節(jié)為個、十位，因UCS2數(shù)字編碼為ASCII碼加高字節(jié)0x00，結(jié)合PDU協(xié)議，0?9字符最終編碼為“0030”?“0039”[8]。數(shù)據(jù)有效性須以4字節(jié)判別。

3.4.2 檢測短信中可變數(shù)據(jù)的編碼嵌入

檢測短信須編碼嵌入可變數(shù)據(jù)發(fā)送，為用戶閱讀習(xí)慣，還設(shè)計清除數(shù)據(jù)高位無效前導(dǎo)0的顯示。

以PDU模式檢測短信①為例，編程方案如下：

發(fā)送SCA，Type，MR，DA，PID，DCS，VP，UDL數(shù)據(jù)段；發(fā)送UD段固定內(nèi)容、可變轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)的各位（清除無效前導(dǎo)0）與報文結(jié)束符。

3.5 用戶控制短信的容錯性設(shè)計

3.5.1 短信文本內(nèi)容與位置的容錯

實際使用：用戶短信編輯不絕對符合標(biāo)準(zhǔn)，如不能容錯，系統(tǒng)就會解析錯誤。容錯性設(shè)計可便利用戶并提高系統(tǒng)的安全性。

容錯設(shè)計：短信僅需在任意位置包含定義的關(guān)鍵詞，其余文本可隨意。以關(guān)鍵詞識別實現(xiàn)容錯。

如PDU短信關(guān)鍵詞為“正轉(zhuǎn)”和“Hz”，則短信“G50Hz大正轉(zhuǎn)A”就是與標(biāo)準(zhǔn)短信“電機正轉(zhuǎn)，頻率50 Hz”同含義的容錯短信。

3.5.2 短信關(guān)鍵詞自身的容錯

關(guān)鍵詞自身也設(shè)計容錯，編程以關(guān)鍵詞冗余定義與判別，使關(guān)鍵詞“Hz”可容錯為“hz”。

3.5.3 模擬量數(shù)據(jù)位數(shù)與范圍的容錯

控制短信①、②模擬量數(shù)據(jù)格式為二位；為一位時，若無位數(shù)容錯，當(dāng)用戶編輯為一位數(shù)時，一位數(shù)的字符前字節(jié)的非數(shù)字符將作十位數(shù)計算而出錯。前述的位數(shù)據(jù)有效性判別可實現(xiàn)位數(shù)的容錯。

設(shè)計模擬量超限處理，防止短信模擬量數(shù)據(jù)編輯超限可能的異常，實現(xiàn)數(shù)據(jù)范圍的容錯。

3.6 系統(tǒng)的控制安全性設(shè)計

3.6.1 用戶身份的識別——授權(quán)與非授權(quán)用戶

軟件設(shè)計獨立定義多個授權(quán)用戶的號碼編碼供程序選擇以識別用戶，屏蔽非授權(quán)用戶的操作。

3.6.2 短信的有效性識別——有效與無效短信

有效短信含關(guān)鍵詞，否則為無效短信。對無效短信不解析而直接刪除，屏蔽無效短信的操作。

3.6.3 短信解析的條件限制——誤操作的防止

短信解析需同時滿足用戶身份與有效內(nèi)容；公網(wǎng)公共短信來自非授權(quán)用戶，故不會引起誤操作。

3.7系統(tǒng)的運行可靠性設(shè)計

3.7.1 PDU報文的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與可靠通信

PDU發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)為Submit-PDU報文[7]。去除SCA數(shù)據(jù)段并縮短DA數(shù)據(jù)段形成比標(biāo)準(zhǔn)報文短18字節(jié)的優(yōu)化報文，提高了通信效率。

實驗發(fā)現(xiàn)TC35對PDU報文連續(xù)性要求苛刻。編程在報文發(fā)送前暫停其他中斷響應(yīng)，發(fā)送完畢恢復(fù)，確保了可靠通信。

3.7.2 TE-ME運行時序配合的可靠性設(shè)計

TE操作ME，時序要求ME執(zhí)行成功方可后續(xù)操作。常規(guī)的定時編程如遭遇ME尚未執(zhí)行成功但定時已到，TE將后續(xù)操作而導(dǎo)致出錯。

軟件設(shè)計應(yīng)答判別編程：中斷接收ME應(yīng)答，并識別確認(rèn)應(yīng)答中已出現(xiàn)標(biāo)志執(zhí)行成功的關(guān)鍵詞再后續(xù)操作，徹底消除常規(guī)方案的出錯隱患。

3.7.3 TE-ME硬件通信的故障識別與保護(hù)

增加ME應(yīng)答超時與出錯編程，如工步應(yīng)答錯誤或無應(yīng)答，程序?qū)⒅卦嚮謴?fù)，硬件通信故障時將不能恢復(fù)，工步將停止推進(jìn)實現(xiàn)運行保護(hù)，避免硬件故障時的帶病運行，保障運行的可靠性。

4 系統(tǒng)的運行測試與使用示例

TE電路與ME如圖5所示。TE以RS-232C連接ME與PC、通用信號端子連接被控設(shè)備。

4.1 遠(yuǎn)程控制與檢測的運行測試

運行測試向系統(tǒng)發(fā)送關(guān)鍵詞、關(guān)鍵詞位置、頻率數(shù)據(jù)位數(shù)、范圍容錯的多種中英文控制短信：

授權(quán)用戶的有效短信，接收解析與控制輸出正確，并能正確向用戶回送檢測短信。無效短信與非授權(quán)用戶的短信均被屏蔽忽略而不起作用。

人為制造硬件通信故障，程序均在當(dāng)前工步暫停后續(xù)的運行，故障提示與運行保護(hù)正常。

4.2 遠(yuǎn)程控制與檢測的使用示例

遠(yuǎn)程控制與檢測運行截圖如圖6所示，反色為控制短信，正色為檢測短信。左圖中文、右圖英文控制短信中，前2條均為標(biāo)準(zhǔn)短信、后3條均為容錯短信。測控功能正確、系統(tǒng)運行穩(wěn)定。

5 結(jié)語

項目裝置硬件測控信號端口通用，測控功能由軟件靈活實現(xiàn)。僅需修改用戶短信即可實現(xiàn)對不同被控設(shè)備的超遠(yuǎn)程測控。系統(tǒng)較常規(guī)有多方面的創(chuàng)新優(yōu)化，具有優(yōu)良的性價比和工程實用價值。

[參考文獻(xiàn)]

[1]范春輝.物聯(lián)網(wǎng)短距離無線傳輸技術(shù)研究[J].無線互聯(lián)科技，2017（19）：23-24.

[2]啜鋼，王文博，常永宇，等.移動通信原理與系統(tǒng)[M].3版.北京：北京郵電大學(xué)出版社，2015.

[3]西門子.TC35 Hardware Interface Description [EB/OL].（2018-02-08）[2018-04-25].http：//www.docin.com/p-262884181.html.

[4]JOSEPH Y.ARMCortex-M3權(quán)威指南[M].宋巖，譯北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

[5]張新民，段洪琳.ARMCortex-M3嵌入式開發(fā)及應(yīng)用（STM32系列）[M].北京：清華大學(xué)出版社，2017.

[6]西門子AT Command Set Siemens Cellular Engines[EB/OL].（2018-02-08）[2018-04-25].http：//wenku.itl68.com/d_000010289.shtml.n 西門子.SMS 短信 PDU 解析[EB/OL].（2018-02-08）[2018-04-25].http：//www.taodocs.com/p-34104107.html.

[8]Unicode， Inc.The Unicode Standard[EB/OL].（2018-02-08）[2018-04-25].http：//www.docin.com/p-105142298.html.