摘要：要想實(shí)現(xiàn)雨量RTU系統(tǒng)的通信功能，首先要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)通信模塊的通信功能，因此系統(tǒng)中通信模塊的設(shè)計(jì)和功能實(shí)現(xiàn)是系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。針對(duì)這一要求，圍繞SIM900A芯片和有效SIM電話(huà)卡完成系統(tǒng)通信模塊的硬件設(shè)計(jì)，軟件方面使用AT指令集以GSM和GPRS通信方式通過(guò)串口調(diào)試工具實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的通信功能，本文主要介紹GSM短消息方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的通信功能。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，雖然GSM短消息具有短消息長(zhǎng)度受限和存在延時(shí)的缺陷，但是本文設(shè)計(jì)的雨量RTU系統(tǒng)通信的成功率和實(shí)時(shí)性可以達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的需要，符合設(shè)計(jì)的要求。
關(guān)鍵詞：GSM短消息；通信；雨量RTU；AT指令集

    在水利領(lǐng)域，雨量RTU系統(tǒng)占據(jù)重要的位置，系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的程度對(duì)水資源和土地的合理管理、規(guī)劃和利用有一定的影響。因此，雨量RTU系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)效果、實(shí)時(shí)性等特性要高，特別是系統(tǒng)的通信模塊。由于雨量RTU使用于無(wú)人值守的、沒(méi)有市電而且環(huán)境惡劣的野外，系統(tǒng)對(duì)各元器件和通信方式有特殊的要求，必須要滿(mǎn)足系統(tǒng)工作的環(huán)境而且通信的質(zhì)量要符合實(shí)際的應(yīng)用要求。對(duì)于系統(tǒng)通信模塊的設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)綜合分析后，本文硬件采用SIM900A芯片，通信方式采用GSM短消息技術(shù)。

1 GSM系統(tǒng)和GSM短消息
    GSM(Global System for Mobile Communication)是由歐洲ETSI組織提出的第二代數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，采用TDMA／FDMA復(fù)用方式，以及數(shù)字化語(yǔ)音編碼和數(shù)字調(diào)制技術(shù)，以語(yǔ)音業(yè)務(wù)為主，也支持無(wú)線(xiàn)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，是世界上使用最廣、用戶(hù)數(shù)最多、覆蓋面積最大、技術(shù)上最成熟的移動(dòng)通信系統(tǒng)。GSM系統(tǒng)具有高頻譜效率，安全性高，穩(wěn)定性好，集成度高，容量大，開(kāi)放性的接口，抗噪音性能強(qiáng)，覆蓋范圍廣等特點(diǎn)。從20世紀(jì)80年代投入應(yīng)用之后，經(jīng)過(guò)了近幾十年的發(fā)展，現(xiàn)在移動(dòng)通信技術(shù)已經(jīng)成熟，應(yīng)用范圍廣泛，已經(jīng)得到了普及。
1．1 GSM系統(tǒng)
    GSM系統(tǒng)是GSM數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱(chēng)，符合GSM的相關(guān)技術(shù)規(guī)范，是一種主流的移動(dòng)通信系統(tǒng)，在通信技術(shù)中具有重要作用。一個(gè)完整的GSM系統(tǒng)主要由基站子系統(tǒng)BSS(Base Station Sub—System)、網(wǎng)絡(luò)交換子系統(tǒng)NSS(Network Switching sub—system)、操作維護(hù)子系統(tǒng)OSS(Operation sub—system)和大量移動(dòng)臺(tái)MS(Mobile Station)等組成。
    系統(tǒng)的業(yè)務(wù)種類(lèi)多樣，主要業(yè)務(wù)有：1)電信業(yè)務(wù)，主要包括GSM短消息業(yè)務(wù)、電話(huà)業(yè)務(wù)和緊急呼叫，其中，緊急呼叫應(yīng)該算電話(huà)業(yè)務(wù)中的一種，短消息業(yè)務(wù)主要有點(diǎn)對(duì)多廣播消息和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)消息2種短消息業(yè)務(wù)；2)承載業(yè)務(wù)，承載業(yè)務(wù)和基本電話(huà)業(yè)務(wù)要分開(kāi)使用，因?yàn)槭褂贸休d業(yè)務(wù)時(shí)移動(dòng)臺(tái)需要占用其中的一個(gè)話(huà)音通道；3)補(bǔ)充業(yè)務(wù)，用戶(hù)可以根據(jù)需要改變GSM業(yè)務(wù)。
    GSM系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：1)由分系統(tǒng)組成，各個(gè)分系統(tǒng)的接口設(shè)計(jì)生產(chǎn)符合一定的要求，各分系統(tǒng)可以和不同廠(chǎng)商的GSM系統(tǒng)設(shè)備和公眾通信網(wǎng)相連；2)業(yè)務(wù)種類(lèi)豐富；3)具有鑒權(quán)和加密的功能，可以保證網(wǎng)絡(luò)和用戶(hù)的安全；4)可以提供國(guó)際漫游，所有的GSM用戶(hù)均可以進(jìn)入GSM系統(tǒng)；5)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)方便靈活，可以滿(mǎn)足用戶(hù)的要求；6)通信的質(zhì)量好，抗干擾能力強(qiáng)。
1．2 GSM短消息
    GSM短消息業(yè)務(wù)是GSM系統(tǒng)中電信業(yè)務(wù)的一種，簡(jiǎn)稱(chēng)SMS(Short Message Service)，它主要是移動(dòng)臺(tái)之間進(jìn)行一定長(zhǎng)度的文本信息的發(fā)送和接收的一種業(yè)務(wù)。SMS是GSM網(wǎng)內(nèi)采用分組方式的一種數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，采用公共信道信令，可以和其他業(yè)務(wù)同時(shí)使用。SMS使用存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)的模式，SMS發(fā)送后先儲(chǔ)存在短消息中心(SMSC)，然后根據(jù)找到的目標(biāo)移動(dòng)終端的路由信息再將信息發(fā)送給該目標(biāo)移動(dòng)終端。SMS業(yè)務(wù)分為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和點(diǎn)對(duì)多兩種，文中設(shè)計(jì)的雨量RTU采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)SMS業(yè)務(wù)，利用AT指令集進(jìn)行通信。SMS業(yè)務(wù)的協(xié)議有6層：短消息應(yīng)用層(SM-AL)、短消息傳輸層(SM-TL)、短消息中繼層(SM—RL)、連接管理子層(CM)、移動(dòng)管理子層(MM)和無(wú)線(xiàn)管理子層(RRM)。其中，SM-TL為SM—AL提供服務(wù)；SM—RL為SM-TL提供服務(wù)。保證SM-TL能向?qū)Χ藢?shí)體TPDU并接收IPDU和請(qǐng)求發(fā)送TPDU的相關(guān)報(bào)告；MM、CM和RRM組成控制管理子層，控制管理子層為SM—RL提供服務(wù)。SMS的發(fā)送過(guò)程大致是當(dāng)一個(gè)移動(dòng)用戶(hù)(MS)想發(fā)送一條短消息時(shí)，要預(yù)先正確設(shè)置好SMSC的電話(huà)號(hào)碼、編輯短消息、輸入被叫用戶(hù)電話(huà)號(hào)碼、將短消息發(fā)出。MSC(移動(dòng)交換中心)收到短消息后，查詢(xún)VLR(訪(fǎng)問(wèn)定位寄存器)獲得正確信息，檢查短消息參數(shù)和目的地址無(wú)誤后，將短消息經(jīng)由SMSC-IWMSC送往SMSC。SMSC-GMSC(短消息中心網(wǎng)關(guān))接收到來(lái)自SMSC的短消息后，檢查參數(shù)的正確性、查詢(xún)HLR(歸屬位置寄存器)，然后根據(jù)獲得的路由信息將短消息傳送到MSC。MSC收到短消息后，查詢(xún)VLR獲得位置區(qū)域地址信息，最后將短消息發(fā)送到目的地MS。

2 雨量RTU系統(tǒng)
2．1 概述
    文中設(shè)計(jì)的雨量RTU的主要作用是測(cè)量遠(yuǎn)程現(xiàn)場(chǎng)的雨量參數(shù)數(shù)據(jù)、溫度、電壓和地理位置并存儲(chǔ)、分析和處理，然后由通信模塊將短消息通過(guò)GSM發(fā)送到指定手機(jī)或者GPRS上傳到指定網(wǎng)站。該雨量RTU主要是由鋁合金的RTU主體和連接電源、天線(xiàn)和傳感器的電纜組成。其中，鋁合金的雨量RTU主體內(nèi)主要包含RTU電路、SIM卡、U盤(pán)、顯示器和鍵盤(pán)。雨量RTU的示意圖如圖1所示。

2．2 通信模塊
2．2．1 通信模塊的選擇
    通信模塊在雨量RTU系統(tǒng)中具有舉足輕重的作用，通信模塊的性能在很大程度上影響RTU系統(tǒng)的性能。現(xiàn)在通信方式有很多種，如移動(dòng)通信、衛(wèi)星通信、激光通信、光纖通信，而且市場(chǎng)上通信模塊也多種多樣。該系統(tǒng)通信模塊的選擇依據(jù)主要考慮到以下幾點(diǎn)：通信方便簡(jiǎn)潔、通信效率高、穩(wěn)定性好、適應(yīng)能力強(qiáng)、功耗低、價(jià)格合適。
    經(jīng)過(guò)初步比較和篩選，有兩款通信模塊可以應(yīng)用于該雨量RTU，即西門(mén)子公司的MC55和芯訊通公司的SIM900A，現(xiàn)將兩者的部分特點(diǎn)進(jìn)行比較和分析：
    1)軟件：MC55和SIM900A，兩款通信模塊都采用移動(dòng)通信，同樣都采用AT指令集實(shí)現(xiàn)通信，都內(nèi)含TCP／IP協(xié)議。
    2)硬件：MC55尺寸為35x32．5x2．95 mm，重量是5．5克，適用于歐洲和亞洲的3個(gè)頻段(1 900、1 800和900 MHz)。MC55有50個(gè)插針型引腳，按功能可以分為4個(gè)功能模塊：雙非平衡的異步通信端口、電源充電管理、SIM卡接口和雙音頻接口。SIM900A尺寸為24x24x3 mm，重量是3．4克，適用于兩個(gè)頻段(EGSM900MHz和DCS1800 MHz)，支持GPRSmulti-slot class 10／class 8和GPRS編碼格式CS-1，CS-2，CS-3和CS-4。SIM900A有68個(gè)貼片焊盤(pán)，相較于插針式引腳安全性和可靠性更高，按功能可以分為五個(gè)模塊：GSM基帶、儲(chǔ)存器、GSM射頻、天線(xiàn)接口、其他接口(供電、串口、模擬音頻接口、SIM卡接口)。SIM900A支持1．8和3．0V的SIN卡，和SIM卡之間有5個(gè)引腳連接，采用SMF05C進(jìn)行靜電保護(hù)。
    通過(guò)以上分析和比較，可以看出SIM900A在體積、重量、以及引腳等方面較于MC55占優(yōu)勢(shì)，所以該雨量RTU系統(tǒng)的通信模塊采用SIM900A。
2．2．2 SIM900A通信模塊的連接
    選定并分析SIM900A和研究其電氣特性、引腳等性質(zhì)后，就是其在雨量RTU系統(tǒng)中如何連接的問(wèn)題了。SIM900A的供電電壓和電流分別為3．2～4．8 V和2 A，其主要功能部分是GSM基帶、存儲(chǔ)器、GSM射頻，天線(xiàn)接口、電源接口、和其它接口，連接SIM900A可以以功能部分為單位逐個(gè)連接。SIM900A的連接如圖2所示。

    當(dāng)按照SIM900A的電氣特性和需求連接完畢后，要特別注意RTS引腳和DTR引腳需要接地，否則容易出現(xiàn)關(guān)機(jī)關(guān)不了的問(wèn)題。

3 GSM短消息在雨量RTU通信的實(shí)現(xiàn)
    雨量RTU通信模塊的通信分為GSM通信和GPRS通信，現(xiàn)在只討論GSM短消息在該系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)GSM短消息通信前，需要對(duì)SIM900A進(jìn)行設(shè)置和檢測(cè)、綁定手機(jī)等。
3．1 AT指令集介紹
    AT指令集是由Hayes公司最早使用于設(shè)置Modem參數(shù)的一套指令集，此后為幾乎所有的Modem生產(chǎn)廠(chǎng)家所采用，成為設(shè)置Modem參數(shù)的一種通用方法。但是，由于Modem技術(shù)發(fā)展很快，除GSM07．07標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的一些基本AT指令之外，各個(gè)廠(chǎng)家還定義、使用了一些擴(kuò)展的AT指令，這些擴(kuò)展AT指令差異很大，互不兼容。因此，這里只介紹和GSM短消息有關(guān)的部分AT指令語(yǔ)句，如表1所示。

3．2 調(diào)試工具介紹
    本次使用的調(diào)試工具是Com Tool．串口工具．V1．31，如圖3所示。其主要功能有：文件發(fā)送，根據(jù)波特率自動(dòng)分批發(fā)送數(shù)據(jù)的頻率和數(shù)量；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，可以存儲(chǔ)窗口的數(shù)據(jù)；指令存儲(chǔ)，可以存儲(chǔ)7x25條指令；接收窗口容量大，接收窗口可以顯示幾十兆數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)查找，可以對(duì)接收窗口數(shù)據(jù)進(jìn)行查找；數(shù)據(jù)批處理，可以模擬設(shè)備對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行批處理。

3．3 SIM900A初始化檢測(cè)
    在電源斷開(kāi)的情況下，將有效的SIM卡放入卡座，打開(kāi)串口調(diào)試工具，設(shè)置好串口調(diào)試工具的參數(shù)，接通電源開(kāi)始測(cè)試SIM900A。因?yàn)槎滔I(yè)務(wù)只是模塊的部分功能，現(xiàn)在將SIM900A檢測(cè)和短消息有關(guān)的部分說(shuō)明一下，如表2所示。
3．4 GSM短消息的實(shí)現(xiàn)
    將開(kāi)通來(lái)電顯示和有通信費(fèi)用的有效SIM卡插入RTU硬件模型中，雨量RTU和調(diào)試工具——Com Tool．串口工具．V1．31連接。
    和通信有關(guān)系的部分參數(shù)的設(shè)置。調(diào)試工具頁(yè)面的設(shè)置：選擇的串口為COM1；通信的波特率設(shè)置為9600，設(shè)置的語(yǔ)句為“AT+IPR=9600；＆W”；數(shù)據(jù)位為8位；校驗(yàn)位為NO；停止位為1；發(fā)送數(shù)據(jù)為16進(jìn)制；日志存儲(chǔ)要選擇，方便保存和查詢(xún)；終端的類(lèi)別為一個(gè)時(shí)間可以監(jiān)控多種業(yè)務(wù)但只可以執(zhí)行一種業(yè)務(wù)；模塊使用的字符集為GSM，設(shè)置的語(yǔ)句為“AT+CSCS="GSM”；短消息的格式選擇文本格式，設(shè)置的語(yǔ)句為“AT+CMGF=1”；編輯電話(huà)薄，存儲(chǔ)號(hào)碼，語(yǔ)句為“AT+CPBW=，”15380791059”，“guoyan””。
    接收GSM短消息。發(fā)送語(yǔ)句“AT”，接收到“OK”，表示模塊已經(jīng)準(zhǔn)備就緒。使用號(hào)碼為15380791059的手機(jī)向模塊發(fā)送短消息“Hello，welcome!”，此時(shí)串口調(diào)試工具的界面會(huì)返回“AT+CMGR=1”的語(yǔ)句，1表示接收到的短消息的位置是1；發(fā)送語(yǔ)句“AT+CMGR=1”就可以顯示接收到的短消息，顯示的語(yǔ)句為“+CMGR：”REC READ”，”+8615380791059”，”guoyan”，”12107112,20：00：48+32”HeHo，welcome!”。
    發(fā)送GSM短消息。發(fā)送語(yǔ)句“AT”，接收到“OK”，表示模塊已經(jīng)準(zhǔn)備就緒。使用“AT+CMGS=”+8615380791059””指令語(yǔ)句，模塊向號(hào)碼為15380791059的手機(jī)發(fā)送短消息。號(hào)碼為15380791059的手機(jī)即可收到模塊發(fā)來(lái)的短消息。
    刪除GSM短消息。由于內(nèi)存有限，為了雨量RTU系統(tǒng)能夠正常工作，所以短消息讀取之后應(yīng)該及時(shí)刪除。刪除短消息使用命令語(yǔ)句AT+CMGD =#，&”：＆=0，表示刪除指定位置為#的短消息；＆=1，表示刪除所有已經(jīng)讀過(guò)的短消息，保留原有的和未讀的短消息；&=2，表示刪除已經(jīng)讀過(guò)的和已經(jīng)發(fā)送的原有短消息，保留未發(fā)送的原有短消息；＆=3，表示刪除已經(jīng)讀過(guò)和原有消息，保留未讀短消息；&=4，表示刪除所有短消息。試驗(yàn)中采用&=2的情況。
    在編輯短消息時(shí)需要注意，如果編寫(xiě)漢字需要先將漢字轉(zhuǎn)換成unicode編碼，因?yàn)橄到y(tǒng)的液晶顯示器支持的是GB2312簡(jiǎn)體漢字，而手機(jī)支持unicode編碼的簡(jiǎn)體漢字；如果采用短消息修改系統(tǒng)的時(shí)鐘信息，需要將修改的時(shí)刻提前20 s，因?yàn)镚SM短消息本身存在時(shí)延，再加上環(huán)境的影響短消息由手機(jī)發(fā)送到雨量RTU系統(tǒng)大約需要20 s，修改系統(tǒng)時(shí)鐘信息的精確地方法是采用系統(tǒng)鍵盤(pán)輸入修改的方式。
3．5 GSM短消息實(shí)現(xiàn)結(jié)果的分析
    通過(guò)試驗(yàn)，GSM短消息在雨量RTU系統(tǒng)中可以進(jìn)行通信?，F(xiàn)在就通信的成功率和實(shí)時(shí)性進(jìn)行分析。
    在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，通信的成功率能達(dá)到98．65％，短消息發(fā)送／接收失敗的情況主要出現(xiàn)在節(jié)假日，平時(shí)基本上不存在發(fā)送／接收失敗的情況，這是因?yàn)楣?jié)假日使用GSM短消息業(yè)務(wù)的太多，短消息業(yè)務(wù)使用太頻繁導(dǎo)致GSM網(wǎng)絡(luò)擁擠，從而出現(xiàn)短消息發(fā)送／接收失敗的情況。短消息發(fā)送／接收失敗，還有其他原因比如移動(dòng)臺(tái)欠費(fèi)呼叫被限制、移動(dòng)臺(tái)關(guān)機(jī)、移動(dòng)臺(tái)的內(nèi)存已滿(mǎn)、短消息過(guò)期等。
    試驗(yàn)中短消息發(fā)送／接收的耗時(shí)長(zhǎng)短也存在不同，耗時(shí)的長(zhǎng)短有多種原因，對(duì)于同一個(gè)系統(tǒng)主要有短消息的長(zhǎng)度、SMSC的處理能力和GSM網(wǎng)絡(luò)的擁擠情況等原因。在SMS中，短消息的發(fā)送／接收需要經(jīng)過(guò)SMSC存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)發(fā)，增重SMSC處理負(fù)荷。SMSC的處理能力和GSM網(wǎng)絡(luò)的擁擠情況對(duì)短消息的影響容易理解。短消息的長(zhǎng)度是由于GSM短消息傳送時(shí)的字節(jié)長(zhǎng)度為70個(gè)漢字或者140個(gè)ASCII碼，所以當(dāng)短消息的長(zhǎng)度超過(guò)最大長(zhǎng)度時(shí)需要分批傳送，從而增加時(shí)延。
    通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，短消息從發(fā)送到到達(dá)雨量RTU系統(tǒng)最短需要20 s的時(shí)間，因此通過(guò)短消息方式改變雨量RTU系統(tǒng)的時(shí)鐘參數(shù)時(shí)需要將時(shí)間推后20 s，而且最好是在短消息業(yè)務(wù)不忙的夜深的時(shí)候。改變系統(tǒng)時(shí)鐘參數(shù)的精確地方式是通過(guò)鍵盤(pán)輸入。
    實(shí)驗(yàn)結(jié)果和性能分析的效果還比較符合實(shí)際應(yīng)用應(yīng)該達(dá)到的效果，也符合雨量RTU系統(tǒng)的要求，也可以符合實(shí)際的使用要求。

4 結(jié)束語(yǔ)
    系統(tǒng)通信模塊硬件圍繞SIM900A芯片和有效SIM電話(huà)卡設(shè)計(jì)，軟件主要采用AT指令語(yǔ)句通過(guò)串口調(diào)試工具，以GSM短消息的方式完成通信功能。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)通信雖然存在這一定的誤差，但是符合實(shí)際要求，完全可以應(yīng)用在無(wú)人值守的沒(méi)有市電的環(huán)境惡劣的野外。在試驗(yàn)中GSM透出它的優(yōu)點(diǎn)，如更安全、更有效，可以雙傳送信息，可以支持更多的用戶(hù)；但是也存在著不足，如短消息長(zhǎng)度受限，雖符合要求但是實(shí)時(shí)性不強(qiáng)，存在時(shí)延而且不可避免。在后續(xù)工作中可以減小GSM短消息的時(shí)延現(xiàn)象，增強(qiáng)時(shí)效性，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的通信質(zhì)量。