摘 要： 設計了一種基于ARM920T微處理器和GPRS網絡的無線氣象預警信息接收系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用GPRS作為信息接收的橋梁，通過短消息業(yè)務接收氣象預警信息，利用嵌入式Linux操作系統(tǒng)資源和圖形開發(fā)庫QT/E實現(xiàn)氣象預警信息的顯示、語音播報。該方案有效地縮短了接收延遲時間，提高了預警信息接收的有效性，避免了傳統(tǒng)的氣象預警接收方式無法及時應對突發(fā)性氣象災害的情況。
關鍵詞： ARM9；短消息業(yè)務；OSYNO6188；嵌入式Linux；QT/E
我國是世界上自然災害發(fā)生十分頻繁、災害種類甚多、造成損失十分嚴重的少數國家之一。每年干旱、洪澇、臺風、暴雨、冰雹等災害危及人民生命和財產的安全，國民經濟也受到了極大的損失。而且，隨著經濟的高速發(fā)展，自然災害造成的損失亦呈上升趨勢，直接影響著社會和經濟的發(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、農業(yè)等各個行業(yè)實時接收和發(fā)布氣象預警信息，避免電視媒體、報紙等發(fā)布信息的延時，能大大減少氣象災害帶來的損失。
隨著移動通信技術的日益成熟，短消息業(yè)務發(fā)展越來越迅速，不僅應用在人們日常的信息交流中，在現(xiàn)場監(jiān)測、遠程控制等領域也得到了越來越廣泛的應用。短消息業(yè)務是承載在GPRS網絡上的。GPRS即通用分組無線業(yè)務，是在現(xiàn)有GSM網絡上開通的一種新型的分組數據傳輸技術。語音合成技術實現(xiàn)了文字到語音的轉換。本設計結合嵌入式技術、GPRS技術和語音合成技術，提出了基于ARM與SMS的氣象預警信息終端。
1 總體設計
氣象預警信息終端系統(tǒng)結構如圖1所示。在中心服務器上通過信息發(fā)布軟件發(fā)布預警信息到GPRS模塊，該短消息通過GPRS網絡傳送。由嵌入式Linux終端上的GPRS模塊接收來自中心服務器的氣象預警信息，該模塊將接收到的數據通過串口傳輸給終端處理器ARM9。終端處理器對接收的短消息進行解析，還原出服務器發(fā)送的預警信息。最后通過LCD顯示屏、語音等方式將預警信息播出。
2 系統(tǒng)硬件設計
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)，主要負責氣象預警信息的讀取以及GPRS網絡傳輸、語音芯片和LCD液晶屏的控制。
氣象預警信息接收終端的基本組成部分如圖2所示。整個外圍電路包括：嵌入式語音合成模塊、GPRS無線通信模塊、NAND Flash存儲擴展和LCD觸摸液晶顯示模塊。
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)主時鐘頻率為100 MHz~233 MHz。片外擴展多功能外圍接口，如USB、UART、I2S、LCD控制器、鍵盤接口、RTC、JTAG等。還有足夠大的存儲空間，如2 MB的NOR Flash、128 MB的NAND Flash（用于存儲bootloader、嵌入式Linux內核和帶有QT圖形界面庫的文件系統(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數據口，符合ETSI標準GSM0707和GSM0705。該模塊集射頻電路和基帶于一體，向用戶提供標準的AT命令接口，為數據、語音、短消息和傳真提供快速、可靠、安全的傳輸，方便用戶的應用開發(fā)及設計。
OSYNO 6188嵌入式語音合成模塊[1]通過異步串口接收待合成文本，直接通過PWM輸出方式驅動揚聲器實現(xiàn)文本到語音的轉換。該芯片支持國家標準GB_2312所有漢字，支持標點符號、電話號碼、郵政編碼、英文字母等特殊字符處理。
3 系統(tǒng)軟件設計
氣象預警信息終端是典型的嵌入式系統(tǒng)，目標代碼運行在S3C2440上面，在構架的嵌入式平臺上，選用安裝了arm-linux-gcc的交叉編譯環(huán)境的fedora14為開發(fā)調試環(huán)境，以Linux為嵌入式操作系統(tǒng)開發(fā)應用程序。
氣象預警信息終端軟件主要是基于Linux和QT/E的用戶程序開發(fā)以及相關驅動移植。應用程序按功能劃分，由SMS數據傳輸、PDU短信息解碼[2]、文本到語音轉換和人機交互界面4部分組成。
系統(tǒng)上電啟動Linux后，即開始啟動終端圖形用戶界面應用程序，該應用程序創(chuàng)建了一個主線程，以響應用戶的界面操作，初始化GPRS模塊[3]，發(fā)送命令，設置其為新短信息提示，該主線程還分別在后臺創(chuàng)建一個子線程。GPRS模塊的讀線程不斷偵聽串口以獲取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，則彈出一個對話框顯示“有新短信息”，提示用戶操作，系統(tǒng)內部啟動后臺子線程，自動完成短信息的解析和存儲，并通過信息內容判斷信息的預警類別。若為紅色預警，立即驅動6188語音芯片播報該條信息；若為其他預警類別，則由用戶自由選擇顯示或者語音播報。實現(xiàn)將以PDU方式編碼的短信息解碼，并轉換成GB2312碼，因為OSYNO 6188只能識別以GB編碼的漢字。軟件流程如圖3所示。
3.1 SMS數據傳輸模塊設計
TC35i支持語音和短信服務。在本系統(tǒng)中，通過串口3發(fā)送AT指令集與TC35i模塊通信，實現(xiàn)與遠端設備的收發(fā)短信息功能。
在本系統(tǒng)中，GPRS模塊就相當于一個調制解調器，ARM處理器通過串口發(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指令集是調制解調器通信接口的工業(yè)標準，它的基本格式為：AT+命令字符。通信過程中，ARM每發(fā)送一條指令，都需要加上“回車符”作為指令的結束符，否則TC35i不能識別。該功能實現(xiàn)過程為：首先初始化GPRS模塊，即發(fā)送AT命令測試網絡情況并設置短信模式AT+CNMI=2，1，0，0，0（新短信提醒，并把收到的短信存入SIM卡）；然后設置短信接收模式AT+CMGF=0（設為PDU模式，可以接收漢字）；接著發(fā)送接收短信息命令AT+CMGR=last（last中存有收到短信在SIM卡中的存儲記錄號）。讀取短信功能由gprs_read_msg（）函數實現(xiàn)。代碼如下：
int gprs_read_msg（）
{
……
tty_write（“AT+CMGF=0\r”，strlen（“AT+CMGF=0\r”））；
while（receive（fd，strAT，”OK”，strATResult，ATREADTIMES，last）!=TRUE）
{
……
}
while（receive（fd，strAT，”OK”，strATResult，ATREADTIMES，last）!=TRUE）
//讀取短信內容到strATResult中
……
}
其中，tty_write（）為底層串口寫函數，receive（）函數向GPRS模塊發(fā)送AT命令和從GPRS模塊讀取返回信息；fd為已經打開的串口描述符；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為當讀取返回信息字符個數為0時，函數繼續(xù)讀取的次數；last為從模塊返回信息的最后一個字符。
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)短信代碼簡單，實現(xiàn)起來十分容易，但最大的缺點是不能收發(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編碼將單個字符（1~2 B）按ISO/IEC10646的規(guī)定轉變?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服務中心號碼、目標號碼、回復號碼、編碼方式和服務時間等。
PDU模式的短消息解碼[5]主要包含字符串順序轉換、可打印字符到字節(jié)的轉換、Unicode編碼字符到GB2312編碼字符的轉換幾個模塊。針對PDU串的格式，定義一個結構體SM_PARAM描述該串信息。
其中，可打印字符到字節(jié)的轉換由gsm_s_2_b（）函數完成，如將字符串“C8329BFD0E01”轉換為{0xC8，0x32， 0x9B，0xFD，0x0E，0x01}；字符串順序轉換由gsm_ serialize_numbers（）函數實現(xiàn)，將兩兩顛倒的字符串轉換為正常順序的字符串（因為PDU串中的號碼和時間都是兩兩顛倒的字符串）。Gsm_Decode_Ucs2（）函數實現(xiàn)Unicode字符到GB2312字符的轉換，在QT中定義QString變量QString str； 將TP_UD字符串轉換為QString類型：str = QString（pDst->TP_UD）；設定本地字符編碼方式為GB2312編碼：QTextCodec*codec=QTextCodec：：codecForName（“GB2312”）；將Unicode字符串轉換為GB2312字符串：QString out=codec->toUnicode（str）。
在主函數中調用該解碼函數時，傳給形參pSrc的參數為2.1中strATResult字符指針，其指向收到的短信起始地址。
3.3 文本到語音的轉換
使用OSYNO6188芯片實現(xiàn)任意文本到語音的輸出轉換。由ARM進行控制，將接收到的短信息數據打包成6188能識別的幀，通過UART傳輸給OSYNO6188中文語音合成芯片，該芯片通過文本轉語音技術，實現(xiàn)文字信息到語音的輸出。OSYNO6188芯片的發(fā)音數據命令格式如表1所示。
3.4 人機交互界面設計
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，是一個可配置、可裁剪、專門為嵌入式系統(tǒng)設計圖形用戶界面的工具包。
系統(tǒng)基于QT/E設計人機交互界面，通過TFT LCD顯示氣象預警信息。界面提供了氣象預警信息的實時顯示、GPRS模塊的工作狀態(tài)顯示以及串口屬性設置等。界面使用觸摸屏作為用戶命令輸入接口，用戶通過輸入短信位置，然后點擊圖中的按鈕“語音播報”即可實現(xiàn)歷史短信的LCD顯示和語音播報。
本文提出了一種基于S3C2440和嵌入式Linux操作系統(tǒng)的氣象預警信息語音播報終端解決方案，并基于QT/E設計了終端界面。系統(tǒng)功能達到預期要求，實現(xiàn)了氣象預警信息的實時接收與顯示并可通過語音將其播報出來，有效地增加了氣象預警信息的接收手段和覆蓋范圍。在終端中添加基于GPRS網絡接收氣象圖片功能將成為下一步要研究的內容。
參考文獻
[1] 北京語音天下科技有限公司.OSYNO6188嵌入式語音合成芯片用戶手冊.（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及在Visual C++中的實現(xiàn)[J].計算技術與信息發(fā)展，2009，7（1）：52-53.
[3] 黃濤，白創(chuàng)，徐靖.嵌入式無線互連系統(tǒng)開發(fā)從實踐到提高[M].北京：中國電力出版社，2007.
[4] 孫勇，劉杰.基于ARM的GPRS通信終端設計[J].工業(yè)控制計算機，2010，23（5）：49-51.
[5] 徐志剛，張紹陽，宋清艷，等.基于GSM短消息平臺的信息發(fā)布系統(tǒng)[J].微計算機信息，2010（18）：9-12.
[6] 韋東山.嵌入式Linux應用開發(fā)完全手冊[M].北京：人民郵電出版社，2009.