嵌入式气象预警信息接收系统的设计与实现

陈苏婷，徐冬卫

（南京信息工程大学 电子与信息工程学院，江苏 南京 210044）

我国是世界上自然灾害发生十分频繁、灾害种类甚多、造成损失十分严重的少数国家之一。每年干旱、洪涝、台风、暴雨、冰雹等灾害危及人民生命和财产的安全，国民经济也受到了极大的损失。而且，随着经济的高速发展，自然灾害造成的损失亦呈上升趋势，直接影响着社会和经济的发展。

因此，在电力、交通、工业控制、零售、公共事业管理、医疗、水利、石油、农业等各个行业实时接收和发布气象预警信息，避免电视媒体、报纸等发布信息的延时，能大大减少气象灾害带来的损失。

随着移动通信技术的日益成熟，短消息业务发展越来越迅速，不仅应用在人们日常的信息交流中，在现场监测、远程控制等领域也得到了越来越广泛的应用。短消息业务是承载在GPRS网络上的。GPRS即通用分组无线业务，是在现有GSM网络上开通的一种新型的分组数据传输技术。语音合成技术实现了文字到语音的转换。本设计结合嵌入式技术、GPRS技术和语音合成技术，提出了基于ARM与SMS的气象预警信息终端。

1 总体设计

气象预警信息终端系统结构如图1所示。在中心服务器上通过信息发布软件发布预警信息到GPRS模块，该短消息通过GPRS网络传送。由嵌入式Linux终端上的GPRS模块接收来自中心服务器的气象预警信息，该模块将接收到的数据通过串口传输给终端处理器ARM9。终端处理器对接收的短消息进行解析，还原出服务器发送的预警信息。最后通过LCD显示屏、语音等方式将预警信息播出。

2 系统硬件设计

本系统接收端的硬件部分是基于三星S3C2440 32 bit微处理器的嵌入式系统，主要负责气象预警信息的读取以及GPRS网络传输、语音芯片和LCD液晶屏的控制。

气象预警信息接收终端的基本组成部分如图2所示。整个外围电路包括：嵌入式语音合成模块、GPRS无线通信模块、NAND Flash存储扩展和LCD触摸液晶显示模块。

图2 终端组成框图

ARM9微处理器具有高性能和低功耗特性，典型处理速度为1.1 MIPS/MHz，系统主时钟频率为100 MHz～233 MHz。片外扩展多功能外围接口，如 USB、UART、I2S、LCD控制器、键盘接口、RTC、JTAG等。还有足够大的存储空间，如2 MB的 NOR Flash、128 MB的 NAND Flash（用于存储 bootloader、嵌入式Linux内核和带有QT图形界面库的文件系统）、64 MB的SDRAM。

TC35i模块与 GSM 2/2+兼容，并支持双频（GSM 900/1 800 MHz）、RS232数据口， 符合 ETSI标准 GSM0707和GSM0705。该模块集射频电路和基带于一体，向用户提供标准的AT命令接口，为数据、语音、短消息和传真提供快速、可靠、安全的传输，方便用户的应用开发及设计。

OSYNO 6188嵌入式语音合成模块[1]通过异步串口接收待合成文本，直接通过PWM输出方式驱动扬声器实现文本到语音的转换。该芯片支持国家标准GB_2312所有汉字，支持标点符号、电话号码、邮政编码、英文字母等特殊字符处理。

3 系统软件设计

气象预警信息终端是典型的嵌入式系统，目标代码运行在S3C2440上面，在构架的嵌入式平台上，选用安装了arm-linux-gcc的交叉编译环境的fedora14为开发调试环境，以Linux为嵌入式操作系统开发应用程序。

气象预警信息终端软件主要是基于Linux和QT/E的用户程序开发以及相关驱动移植。应用程序按功能划分，由SMS数据传输、PDU短信息解码[2]、文本到语音转换和人机交互界面4部分组成。

系统上电启动Linux后，即开始启动终端图形用户界面应用程序，该应用程序创建了一个主线程，以响应用户的界面操作，初始化 GPRS模块[3]，发送命令，设置其为新短信息提示，该主线程还分别在后台创建一个子线程。GPRS模块的读线程不断侦听串口以获取GPRS模块返回的短信息，若从串口读到新短信息提示回送命令字，则弹出一个对话框显示“有新短信息”，提示用户操作，系统内部启动后台子线程，自动完成短信息的解析和存储，并通过信息内容判断信息的预警类别。若为红色预警，立即驱动6188语音芯片播报该条信息；若为其他预警类别，则由用户自由选择显示或者语音播报。实现将以PDU方式编码的短信息解码，并转换成GB2312码，因为OSYNO 6188只能识别以GB编码的汉字。软件流程如图3所示。

图3 软件流程图

3.1 SMS数据传输模块设计

TC35i支持语音和短信服务。在本系统中，通过串口3发送AT指令集与TC35i模块通信，实现与远端设备的收发短信息功能。

在本系统中，GPRS模块就相当于一个调制解调器，ARM处理器通过串口发送AT命令控制GPRS模块工作情况和得到GPRS模块的反馈信息。AT指令集是调制解调器通信接口的工业标准，它的基本格式为：AT+命令字符。通信过程中，ARM每发送一条指令，都需要加上“回车符”作为指令的结束符，否则TC35i不能识别。该功能实现过程为：首先初始化GPRS模块，即发送AT命令测试网络情况并设置短信模式AT+CNMI=2，1，0，0，0（新短信提醒， 并把收到的短信存入 SIM卡）；然后设置短信接收模式AT+CMGF=0（设为 PDU模式，可以接收汉字）；接着发送接收短信息命令AT+CMGR=last（last中存有收到短信在SIM卡中的存储记录号）。读取短信功能由gprs_read_msg（）函数实现。代码如下：

其 中 ，tty_write（）为 底 层 串 口 写 函 数 ，receive（）函 数 向GPRS模块发送AT命令和从GPRS模块读取返回信息；fd为已经打开的串口描述符；strAT为要向GPRS模块发送的命令信息；“OK”为需要匹配的字符串；strATResult为从GPRS模块返回的信息；ATREADTIMES为当读取返回信息字符个数为0时，函数继续读取的次数；last为从模块返回信息的最后一个字符。

3.2 PDU模式的短信息解码

基于GPRS的短信息收发常用的编码格式有Text模式和PDU（Protocol Description Unit）模式两种。其中，Text模式是纯文本方式[4]，收发短信代码简单，实现起来十分容易，但最大的缺点是不能收发中文短信；而PDU模式不仅支持中文短信，也能发送英文短信。PDU模式收发短信可以使用7-bit、8-bit和UCS2 3种编码。这里使用UCS2编码将单个字符（1～2 B）按 ISO/IEC10646的规定转变为16 bit的Unicode宽字符，PDU串不仅包含可显示的消息本身，还包括很多其他信息，如SMS服务中心号码、目标号码、回复号码、编码方式和服务时间等。

PDU模式的短消息解码[5]主要包含字符串顺序转换、可打印字符到字节的转换、Unicode编码字符到GB2312编码字符的转换几个模块。针对PDU串的格式，定义一个结构体SM_PARAM描述该串信息。

其中，可打印字符到字节的转换由 gsm_s_2_b（）函数完成，如将字符串“C8329BFD0E01”转换为{0xC8，0x32，0x9B，0xFD，0x0E，0x01}； 字 符 串 顺 序 转 换 由 gsm_serialize_numbers（）函数实现，将两两颠倒的字符串转换为正常顺序的字符串 （因为PDU串中的号码和时间都是两两颠倒的字符串）。Gsm_Decode_Ucs2（）函数实现Unicode字符到GB2312字符的转换，在QT中定义QString变量QString str； 将TP_UD字符串转换为QString类型：str= QString（pDst-＞TP_UD）；设定本地字符编码方式为 GB2312编码：QTextCodec*codec=QTextCodec：：codecForName（“GB2312”）；将 Unicode 字 符串转换为 GB2312字符串：QString out=codec-＞toUnicode（str）。

在主函数中调用该解码函数时，传给形参pSrc的参数为2.1中strATResult字符指针，其指向收到的短信起始地址。

3.3 文本到语音的转换

使用OSYNO6188芯片实现任意文本到语音的输出转换。由ARM进行控制，将接收到的短信息数据打包成6188能识别的帧，通过UART传输给OSYNO6188中文语音合成芯片，该芯片通过文本转语音技术，实现文字信息到语音的输出。OSYNO6188芯片的发音数据命令格式如表1所示。

表1 数据命令格式

3.4 人机交互界面设计

QT/E[6]是用于嵌入式Linux系统的QT版本，其去掉X Lib的依赖而直接工作在Framebuffer上，是一个可配置、可裁剪、专门为嵌入式系统设计图形用户界面的工具包。

系统基于QT/E设计人机交互界面，通过TFT LCD显示气象预警信息。界面提供了气象预警信息的实时显示、GPRS模块的工作状态显示以及串口属性设置等。界面使用触摸屏作为用户命令输入接口，用户通过输入短信位置，然后点击图中的按钮“语音播报”即可实现历史短信的LCD显示和语音播报。

本文提出了一种基于S3C2440和嵌入式Linux操作系统的气象预警信息语音播报终端解决方案，并基于QT/E设计了终端界面。系统功能达到预期要求，实现了气象预警信息的实时接收与显示并可通过语音将其播报出来，有效地增加了气象预警信息的接收手段和覆盖范围。在终端中添加基于GPRS网络接收气象图片功能将成为下一步要研究的内容。

[1]北京语音天下科技有限公司.OSYNO6188嵌入式语音合成 芯 片 用 户 手 册 .（2010-05-22）[2011-05-01].http：//www.osyno.com/bao/osyno6188manual.pdf.

[2]王聪，赵鹏飞，张拯民，等.PDU模式的短信息编解码技术及在Visual C++中的实现[J].计算技术与信息发展，2009，7（1）：52-53.

[3]黄涛，白创，徐靖.嵌入式无线互连系统开发从实践到提高[M].北京：中国电力出版社，2007.

[4]孙勇，刘杰.基于 ARM的 GPRS通信终端设计[J].工业控制计算机，2010，23（5）：49-51.

[5]徐志刚，张绍阳，宋清艳，等.基于GSM短消息平台的信息发布系统[J].微计算机信息，2010（18）：9-12.

[6]韦东山.嵌入式Linux应用开发完全手册[M].北京：人民邮电出版社，2009.