嵌入式氣象預(yù)警信息接收系統(tǒng)的設(shè)計與實現(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)國家之一。每年干旱、洪澇、臺風(fēng)、暴雨、冰雹等災(zāi)害危及人民生命和財產(chǎn)的安全，國民經(jīng)濟也受到了極大的損失。而且，隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展，自然災(zāi)害造成的損失亦呈上升趨勢，直接影響著社會和經(jīng)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(nóng)業(yè)等各個行業(yè)實時接收和發(fā)布?xì)庀箢A(yù)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(zāi)害帶來的損失。

隨著移動通信技術(shù)的日益成熟，短消息業(yè)務(wù)發(fā)展越來越迅速，不僅應(yīng)用在人們?nèi)粘５男畔⒔涣髦?，在現(xiàn)場監(jiān)測、遠程控制等領(lǐng)域也得到了越來越廣泛的應(yīng)用。短消息業(yè)務(wù)是承載在GPRS網(wǎng)絡(luò)上的。GPRS即通用分組無線業(yè)務(wù)，是在現(xiàn)有GSM網(wǎng)絡(luò)上開通的一種新型的分組數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。語音合成技術(shù)實現(xiàn)了文字到語音的轉(zhuǎn)換。本設(shè)計結(jié)合嵌入式技術(shù)、GPRS技術(shù)和語音合成技術(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

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GPRS網(wǎng)絡(luò)傳送。由嵌入式Linux終端上的GPRS模塊接收來自中心服務(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(wù)器發(fā)送的預(yù)警信息。最后通過LCD顯示屏、語音等方式將預(yù)警信息播出。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)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(fù)責(zé)氣象預(yù)警信息的讀取以及GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸、語音芯片和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。

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(nèi)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(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)用開發(fā)及設(shè)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(qū)動揚聲器實現(xiàn)文本到語音的轉(zhuǎn)換。該芯片支持國家標(biāo)準(zhǔn)GB_2312所有漢字，支持標(biāo)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(shè)計

氣象預(yù)警信息終端是典型的嵌入式系統(tǒng)，目標(biāo)代碼運行在S3C2440上面，在構(gòu)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(diào)試環(huán)境，以Linux為嵌入式操作系統(tǒng)開發(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的用戶程序開發(fā)以及相關(guān)驅(qū)動移植。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]、文本到語音轉(zhuǎn)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(yīng)用程序，該應(yīng)用程序創(chuàng)建了一個主線程，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(nèi)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(nèi)容判斷信息的預(yù)警類別。若為紅色預(yù)警，立即驅(qū)動6188語音芯片播報該條信息；若為其他預(yù)警類別，則由用戶自由選擇顯示或者語音播報。實現(xiàn)將以PDU方式編碼的短信息解碼，并轉(zhuǎn)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。

圖3 軟件流程圖

3.1 SMS數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)計

TC35i支持語音和短信服務(wù)。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(shè)備的收發(fā)短信息功能。

在本系統(tǒng)中，GPRS模塊就相當(dāng)于一個調(diào)制解調(diào)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(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(jié)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(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卡中的存儲記錄號）。讀取短信功能由gprs_read_msg（）函數(shù)實現(xiàn)。代碼如下：

其 中 ，tty_write（）為 底 層 串 口 寫 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數(shù)為0時，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(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)中心號碼、目標(biāo)號碼、回復(fù)號碼、編碼方式和服務(wù)時間等。

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)換幾個模塊。針對PDU串的格式，定義一個結(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)實現(xiàn)，將兩兩顛倒的字符串轉(zhuǎn)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(shù)實現(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，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 文本到語音的轉(zhuǎn)換

使用OSYNO6188芯片實現(xiàn)任意文本到語音的輸出轉(zhuǎn)換。由ARM進行控制，將接收到的短信息數(shù)據(jù)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(zhuǎn)語音技術(shù)，實現(xiàn)文字信息到語音的輸出。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 人機交互界面設(shè)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(shè)計圖形用戶界面的工具包。

系統(tǒng)基于QT/E設(shè)計人機交互界面，通過TFT LCD顯示氣象預(yù)警信息。界面提供了氣象預(yù)警信息的實時顯示、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(yù)警信息語音播報終端解決方案，并基于QT/E設(shè)計了終端界面。系統(tǒng)功能達到預(yù)期要求，實現(xiàn)了氣象預(yù)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(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(shù)及在Visual C++中的實現(xiàn)[J].計算技術(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(shè)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(yīng)用開發(fā)完全手冊[M].北京：人民郵電出版社，2009.