嵌入式氣象預(yù)警信息接收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳蘇婷，徐冬衛(wèi)

（南京信息工程大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210044）

我國(guó)是世界上自然災(zāi)害發(fā)生十分頻繁、災(zāi)害種類甚多、造成損失十分嚴(yán)重的少數(shù)國(guó)家之一。每年干旱、洪澇、臺(tái)風(fēng)、暴雨、冰雹等災(zāi)害危及人民生命和財(cái)產(chǎn)的安全，國(guó)民經(jīng)濟(jì)也受到了極大的損失。而且，隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，自然災(zāi)害造成的損失亦呈上升趨勢(shì)，直接影響著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

因此，在電力、交通、工業(yè)控制、零售、公共事業(yè)管理、醫(yī)療、水利、石油、農(nóng)業(yè)等各個(gè)行業(yè)實(shí)時(shí)接收和發(fā)布?xì)庀箢A(yù)警信息，避免電視媒體、報(bào)紙等發(fā)布信息的延時(shí)，能大大減少氣象災(zāi)害帶來(lái)的損失。

隨著移動(dòng)通信技術(shù)的日益成熟，短消息業(yè)務(wù)發(fā)展越來(lái)越迅速，不僅應(yīng)用在人們?nèi)粘５男畔⒔涣髦校诂F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程控制等領(lǐng)域也得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。短消息業(yè)務(wù)是承載在GPRS網(wǎng)絡(luò)上的。GPRS即通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)，是在現(xiàn)有GSM網(wǎng)絡(luò)上開(kāi)通的一種新型的分組數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。語(yǔ)音合成技術(shù)實(shí)現(xiàn)了文字到語(yǔ)音的轉(zhuǎn)換。本設(shè)計(jì)結(jié)合嵌入式技術(shù)、GPRS技術(shù)和語(yǔ)音合成技術(shù)，提出了基于ARM與SMS的氣象預(yù)警信息終端。

1 總體設(shè)計(jì)

氣象預(yù)警信息終端系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。在中心服務(wù)器上通過(guò)信息發(fā)布軟件發(fā)布預(yù)警信息到GPRS模塊，該短消息通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)傳送。由嵌入式Linux終端上的GPRS模塊接收來(lái)自中心服務(wù)器的氣象預(yù)警信息，該模塊將接收到的數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳輸給終端處理器ARM9。終端處理器對(duì)接收的短消息進(jìn)行解析，還原出服務(wù)器發(fā)送的預(yù)警信息。最后通過(guò)LCD顯示屏、語(yǔ)音等方式將預(yù)警信息播出。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)接收端的硬件部分是基于三星S3C2440 32 bit微處理器的嵌入式系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)氣象預(yù)警信息的讀取以及GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸、語(yǔ)音芯片和LCD液晶屏的控制。

氣象預(yù)警信息接收終端的基本組成部分如圖2所示。整個(gè)外圍電路包括：嵌入式語(yǔ)音合成模塊、GPRS無(wú)線通信模塊、NAND Flash存儲(chǔ)擴(kuò)展和LCD觸摸液晶顯示模塊。

圖2 終端組成框圖

ARM9微處理器具有高性能和低功耗特性，典型處理速度為1.1 MIPS/MHz，系統(tǒng)主時(shí)鐘頻率為100 MHz～233 MHz。片外擴(kuò)展多功能外圍接口，如 USB、UART、I2S、LCD控制器、鍵盤(pán)接口、RTC、JTAG等。還有足夠大的存儲(chǔ)空間，如2 MB的 NOR Flash、128 MB的 NAND Flash（用于存儲(chǔ) bootloader、嵌入式Linux內(nèi)核和帶有QT圖形界面庫(kù)的文件系統(tǒng)）、64 MB的SDRAM。

TC35i模塊與 GSM 2/2+兼容，并支持雙頻（GSM 900/1 800 MHz）、RS232數(shù)據(jù)口， 符合 ETSI標(biāo)準(zhǔn) GSM0707和GSM0705。該模塊集射頻電路和基帶于一體，向用戶提供標(biāo)準(zhǔn)的AT命令接口，為數(shù)據(jù)、語(yǔ)音、短消息和傳真提供快速、可靠、安全的傳輸，方便用戶的應(yīng)用開(kāi)發(fā)及設(shè)計(jì)。

OSYNO 6188嵌入式語(yǔ)音合成模塊[1]通過(guò)異步串口接收待合成文本，直接通過(guò)PWM輸出方式驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器實(shí)現(xiàn)文本到語(yǔ)音的轉(zhuǎn)換。該芯片支持國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB_2312所有漢字，支持標(biāo)點(diǎn)符號(hào)、電話號(hào)碼、郵政編碼、英文字母等特殊字符處理。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

氣象預(yù)警信息終端是典型的嵌入式系統(tǒng)，目標(biāo)代碼運(yùn)行在S3C2440上面，在構(gòu)架的嵌入式平臺(tái)上，選用安裝了arm-linux-gcc的交叉編譯環(huán)境的fedora14為開(kāi)發(fā)調(diào)試環(huán)境，以Linux為嵌入式操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序。

氣象預(yù)警信息終端軟件主要是基于Linux和QT/E的用戶程序開(kāi)發(fā)以及相關(guān)驅(qū)動(dòng)移植。應(yīng)用程序按功能劃分，由SMS數(shù)據(jù)傳輸、PDU短信息解碼[2]、文本到語(yǔ)音轉(zhuǎn)換和人機(jī)交互界面4部分組成。

系統(tǒng)上電啟動(dòng)Linux后，即開(kāi)始啟動(dòng)終端圖形用戶界面應(yīng)用程序，該應(yīng)用程序創(chuàng)建了一個(gè)主線程，以響應(yīng)用戶的界面操作，初始化 GPRS模塊[3]，發(fā)送命令，設(shè)置其為新短信息提示，該主線程還分別在后臺(tái)創(chuàng)建一個(gè)子線程。GPRS模塊的讀線程不斷偵聽(tīng)串口以獲取GPRS模塊返回的短信息，若從串口讀到新短信息提示回送命令字，則彈出一個(gè)對(duì)話框顯示“有新短信息”，提示用戶操作，系統(tǒng)內(nèi)部啟動(dòng)后臺(tái)子線程，自動(dòng)完成短信息的解析和存儲(chǔ)，并通過(guò)信息內(nèi)容判斷信息的預(yù)警類別。若為紅色預(yù)警，立即驅(qū)動(dòng)6188語(yǔ)音芯片播報(bào)該條信息；若為其他預(yù)警類別，則由用戶自由選擇顯示或者語(yǔ)音播報(bào)。實(shí)現(xiàn)將以PDU方式編碼的短信息解碼，并轉(zhuǎn)換成GB2312碼，因?yàn)镺SYNO 6188只能識(shí)別以GB編碼的漢字。軟件流程如圖3所示。

圖3 軟件流程圖

3.1 SMS數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)計(jì)

TC35i支持語(yǔ)音和短信服務(wù)。在本系統(tǒng)中，通過(guò)串口3發(fā)送AT指令集與TC35i模塊通信，實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)端設(shè)備的收發(fā)短信息功能。

在本系統(tǒng)中，GPRS模塊就相當(dāng)于一個(gè)調(diào)制解調(diào)器，ARM處理器通過(guò)串口發(fā)送AT命令控制GPRS模塊工作情況和得到GPRS模塊的反饋信息。AT指令集是調(diào)制解調(diào)器通信接口的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，它的基本格式為：AT+命令字符。通信過(guò)程中，ARM每發(fā)送一條指令，都需要加上“回車(chē)符”作為指令的結(jié)束符，否則TC35i不能識(shí)別。該功能實(shí)現(xiàn)過(guò)程為：首先初始化GPRS模塊，即發(fā)送AT命令測(cè)試網(wǎng)絡(luò)情況并設(shè)置短信模式AT+CNMI=2，1，0，0，0（新短信提醒， 并把收到的短信存入 SIM卡）；然后設(shè)置短信接收模式AT+CMGF=0（設(shè)為 PDU模式，可以接收漢字）；接著發(fā)送接收短信息命令A(yù)T+CMGR=last（last中存有收到短信在SIM卡中的存儲(chǔ)記錄號(hào)）。讀取短信功能由gprs_read_msg（）函數(shù)實(shí)現(xiàn)。代碼如下：

其 中 ，tty_write（）為 底 層 串 口 寫(xiě) 函 數(shù) ，receive（）函 數(shù) 向GPRS模塊發(fā)送AT命令和從GPRS模塊讀取返回信息；fd為已經(jīng)打開(kāi)的串口描述符；strAT為要向GPRS模塊發(fā)送的命令信息；“OK”為需要匹配的字符串；strATResult為從GPRS模塊返回的信息；ATREADTIMES為當(dāng)讀取返回信息字符個(gè)數(shù)為0時(shí)，函數(shù)繼續(xù)讀取的次數(shù)；last為從模塊返回信息的最后一個(gè)字符。

3.2 PDU模式的短信息解碼

基于GPRS的短信息收發(fā)常用的編碼格式有Text模式和PDU（Protocol Description Unit）模式兩種。其中，Text模式是純文本方式[4]，收發(fā)短信代碼簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)起來(lái)十分容易，但最大的缺點(diǎn)是不能收發(fā)中文短信；而PDU模式不僅支持中文短信，也能發(fā)送英文短信。PDU模式收發(fā)短信可以使用7-bit、8-bit和UCS2 3種編碼。這里使用UCS2編碼將單個(gè)字符（1～2 B）按 ISO/IEC10646的規(guī)定轉(zhuǎn)變?yōu)?6 bit的Unicode寬字符，PDU串不僅包含可顯示的消息本身，還包括很多其他信息，如SMS服務(wù)中心號(hào)碼、目標(biāo)號(hào)碼、回復(fù)號(hào)碼、編碼方式和服務(wù)時(shí)間等。

PDU模式的短消息解碼[5]主要包含字符串順序轉(zhuǎn)換、可打印字符到字節(jié)的轉(zhuǎn)換、Unicode編碼字符到GB2312編碼字符的轉(zhuǎn)換幾個(gè)模塊。針對(duì)PDU串的格式，定義一個(gè)結(jié)構(gòu)體SM_PARAM描述該串信息。

其中，可打印字符到字節(jié)的轉(zhuǎn)換由 gsm_s_2_b（）函數(shù)完成，如將字符串“C8329BFD0E01”轉(zhuǎn)換為{0xC8，0x32，0x9B，0xFD，0x0E，0x01}； 字 符 串 順 序 轉(zhuǎn) 換 由 gsm_serialize_numbers（）函數(shù)實(shí)現(xiàn)，將兩兩顛倒的字符串轉(zhuǎn)換為正常順序的字符串 （因?yàn)镻DU串中的號(hào)碼和時(shí)間都是兩兩顛倒的字符串）。Gsm_Decode_Ucs2（）函數(shù)實(shí)現(xiàn)Unicode字符到GB2312字符的轉(zhuǎn)換，在QT中定義QString變量QString str； 將TP_UD字符串轉(zhuǎn)換為QString類型：str= QString（pDst-＞TP_UD）；設(shè)定本地字符編碼方式為 GB2312編碼：QTextCodec*codec=QTextCodec：：codecForName（“GB2312”）；將 Unicode 字 符串轉(zhuǎn)換為 GB2312字符串：QString out=codec-＞toUnicode（str）。

在主函數(shù)中調(diào)用該解碼函數(shù)時(shí)，傳給形參pSrc的參數(shù)為2.1中strATResult字符指針，其指向收到的短信起始地址。

3.3 文本到語(yǔ)音的轉(zhuǎn)換

使用OSYNO6188芯片實(shí)現(xiàn)任意文本到語(yǔ)音的輸出轉(zhuǎn)換。由ARM進(jìn)行控制，將接收到的短信息數(shù)據(jù)打包成6188能識(shí)別的幀，通過(guò)UART傳輸給OSYNO6188中文語(yǔ)音合成芯片，該芯片通過(guò)文本轉(zhuǎn)語(yǔ)音技術(shù)，實(shí)現(xiàn)文字信息到語(yǔ)音的輸出。OSYNO6188芯片的發(fā)音數(shù)據(jù)命令格式如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)命令格式

3.4 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

QT/E[6]是用于嵌入式Linux系統(tǒng)的QT版本，其去掉X Lib的依賴而直接工作在Framebuffer上，是一個(gè)可配置、可裁剪、專門(mén)為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖形用戶界面的工具包。

系統(tǒng)基于QT/E設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面，通過(guò)TFT LCD顯示氣象預(yù)警信息。界面提供了氣象預(yù)警信息的實(shí)時(shí)顯示、GPRS模塊的工作狀態(tài)顯示以及串口屬性設(shè)置等。界面使用觸摸屏作為用戶命令輸入接口，用戶通過(guò)輸入短信位置，然后點(diǎn)擊圖中的按鈕“語(yǔ)音播報(bào)”即可實(shí)現(xiàn)歷史短信的LCD顯示和語(yǔ)音播報(bào)。

本文提出了一種基于S3C2440和嵌入式Linux操作系統(tǒng)的氣象預(yù)警信息語(yǔ)音播報(bào)終端解決方案，并基于QT/E設(shè)計(jì)了終端界面。系統(tǒng)功能達(dá)到預(yù)期要求，實(shí)現(xiàn)了氣象預(yù)警信息的實(shí)時(shí)接收與顯示并可通過(guò)語(yǔ)音將其播報(bào)出來(lái)，有效地增加了氣象預(yù)警信息的接收手段和覆蓋范圍。在終端中添加基于GPRS網(wǎng)絡(luò)接收氣象圖片功能將成為下一步要研究的內(nèi)容。

[1]北京語(yǔ)音天下科技有限公司.OSYNO6188嵌入式語(yǔ)音合成 芯 片 用 戶 手 冊(cè) .（2010-05-22）[2011-05-01].http：//www.osyno.com/bao/osyno6188manual.pdf.

[2]王聰，趙鵬飛，張拯民，等.PDU模式的短信息編解碼技術(shù)及在Visual C++中的實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算技術(shù)與信息發(fā)展，2009，7（1）：52-53.

[3]黃濤，白創(chuàng)，徐靖.嵌入式無(wú)線互連系統(tǒng)開(kāi)發(fā)從實(shí)踐到提高[M].北京：中國(guó)電力出版社，2007.

[4]孫勇，劉杰.基于 ARM的 GPRS通信終端設(shè)計(jì)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2010，23（5）：49-51.

[5]徐志剛，張紹陽(yáng)，宋清艷，等.基于GSM短消息平臺(tái)的信息發(fā)布系統(tǒng)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2010（18）：9-12.

[6]韋東山.嵌入式Linux應(yīng)用開(kāi)發(fā)完全手冊(cè)[M].北京：人民郵電出版社，2009.