基于3G 的应急通信控制系统的设计与实现

魏洪涛，翁慧娟，吴细秀

(1.武汉理工大学 信息工程学院，湖北 武汉430070;2.武汉理工大学 自动化学院，湖北 武汉430070)

随着人们安全意识的逐步增强，对财产安全、人身安全等的需求应运而生，在发生意外情况时能保障人身安全的安防产品显得尤为重要［1］，因此救生避险设备具有很大的发展前景和研究价值。我国的应急通信系统包括卫星、基于公用电信网和集群应急通信系统等，由于短波通信不能传输视频，微波通信的视距传输机动性能差和卫星通信设备昂贵，不利于推广使用的原因，在2009 年，三大通信运营商便推出了3G 网络，它实现了无线通信与互联网的融合，有效地解决了其他通信系统存在的问题。笔者在研发一款家用救生避险设备的过程中，采用3G 技术作为防灾避险时的应急通信手段，利用3G 无线通信网络、数据处理系统和用户手机构建一套功能完善的远程安防通信系统。

图1 系统结构图

1 系统组成结构

该系统由数据处理系统、3G 通信网络和用户手机组成。数据处理系统是本系统的核心。数据处理系统由系统用户界面软件、环境检测器(如接近开关，USB 摄像头)、单片机、3G 通信模块和一些外围部件组成。系统总体结构如图1 所示。

(1)3G 网络为该系统的信息传输平台，提供短信息业务，将报警短信发送到用户手机上。与现有的移动语音网络技术相比，3G 技术的主要优点是利用先进的空中接口技术(包括对频谱的高效利用)、核心网全面的IP 包交换及控制技术，能提高端到端通信质量和提供更高的数据传输速率，包括实现实时语音视频、高速多媒体和移动Internet 访问及相关业务。

(2)用户手机为远程控制终端。当有报警事件发生时，亲情号码用户会收到一条来自系统的报警短信。用户也可以发送短信息给系统，对外围设备进行远程控制。

(3)数据处理系统。环境检测器检测到保险舱被意外操作，如保管财物的柜门被触动时，单片机会接收到相应电平信号的转换，通过串口向上位机界面软件发送信号，界面软件接收到信号后立即控制3G 模块发送相应内容的紧急短信到预设的亲情号码上。此外，亲情号码也可以主动向系统发送短信，首先辨识是否是亲情号码发的短信，其次辨识亲情号码的短信内容中的关键字，然后根据关键字进行相应的操作。

2 硬件设计

2.1 主要硬件部件

数据处理系统主要由CPU、MU509、51 单片机、接近开关、电源、LCD 液晶显示屏构成。51 单片机检测到传感器触发的电平转换信号，向3G模块发送通信指令，3G 模块MU509 根据不同传感器触发的信号发送不同内容的短信到用户手机。其中单片机使用的是STC11f32xe 型51 单片机，其控制的外围设备有风扇和LED 照明灯。

MU509 为华为公司推出的3G 通信模块。MU509 采用LGA(触点阵列封装)技术，工作频段为W900/2100，支持多种网络模式，如HSDPA、EDGE、GPRS 和GSM。支持的业务包括基于HSDPA/UMTS 高速分组数据业务，WCDMA/GSM 短消息业务，WCDMA/GSM PCM 语音业务，GPS 业务。该系统将MU509 模块通过RS232 串口与自己的应用系统连通，使用标准AT 指令控制MU509 进入3G 网络完成工作，实现远程信息传输。

2.2 关键模块电路设计

2.2.1 供电接口

(1)单片机供电。整个主控板用1 2 V 供电，单片机使用3. 3 V供电，故使用ASM1085 对12 V输入进行转换，输出3.3V给单片机。单片机供电电路图如图2所示。

(2)MU 5 0 9 供 电。当MU509针对不同的外部应用时，应着重注意供电电源的设计。当MU509以最大功率发射时，电源提供的瞬时电流在实际的网络状态下，有可能达到2.0 A 左右瞬时峰值，这种情况下，会造成VBAT 电压衰落，因此要特别注意确保VBAT在任何情况下供电电压都不能衰落到低于3.3 V。

图2 单片机供电电路图

当MU509 处于正常工作状态时，通过VBAT引脚来提供供电电源，输入的供电电源电压范围是3.3 ～4.2 V(典型值为3.8 V)。145 针LGA 为外部供电电源输入提供2 个VBAT 管脚和16 个GND 管脚。MU509 实际供电电路如图3 所示。

图3 MU509 供电电路图

系统中MU509 使用的是3.8 V 供电，需要对12 V 进行转换，使用3G 模块12 V 供电，通过ASM1085 可调电压转换芯片输出3.8 V 电压给MU509。

2.2.2 语音接口

MU509 提供两个音频输入输出通道。这两个音频通道是完全不同的，因此具有良好的抗射频干扰性能。声音的输入和输出都要通过滤波，语音电路接口电路图如图4 所示。

图4 语音电路接口电路图

3 软件设计

3.1 跨平台集成开发环境

用Qt 编写系统的用户操作软件界面。Qt 是一个跨平台C+ +图形用户界面应用程序开发框架［2-3］。它既可以开发GUI 程式，也可用于开发非GUI 程式，如控制台工具和服务器。Qt 是面向对象语言，易于扩展，并且允许组件编程。

3.2 串口通信中的AT 指令集

上位机软件和MU509 模块通信方式是串口通信，使用的通信协议是AT 指令集［4-6］。通过AT 指令控制通信模块的多种功能，如拨号、短信等。AT 即Attention，AT 指令集是从终端设备(terminal equipment，TE)或数据终端设备(data terminal equipment，DTE)向终端适配器(terminal adapter，TA)或数据电路终端设备(data circuit terminal equipment，DCE)发送的。通过TA、TE 发送AT 指令来控制移动台(mobile station，MS)的功能，与GSM 网络业务进行交互。用户可以通过AT 指令进行呼叫、短信、电话本、数据业务、传真等方面的控制。系统中进行语音呼叫实际运用的相关AT 指令如表1 和表2 所示。

表1 呼叫发起指令

表2 呼叫应答指令

3.3 系统软件功能的具体实现

收发短消息AT 命令格式有TEXT 命令格式和PDU 命令格式［7］，使用TEXT 模式收发短信只能发送英文短信，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3 种编码［8-10］：7 -bit、8 -bit 和UCS2 编码。7-bit 编码用于发送普通的ASCII 字符，8 -bit 编码通常用于发送数据消息，UCS2 编码用于发送Unicode 字符。一般的PDU 编码由A B C D E F G H I J K L M 13 项组成［11］。笔者使用PDU 模式，UCS2 编码方式收发短信。

系统软件包括5 大功能：接打电话，收发短信，通话记录，电话簿，紧急短信一键群发。其中以收发短信和接打电话为最常用功能，其实现过程也相对复杂。笔者以一实例介绍收发短信和接打电话的全过程。

(1)发送短信。系统向号码为13477010018的用户发送内容为“舱门已开启”的信息。向串口发送AT 指令过程为：

发送AT+CMGF=0;//设置PDU 格式返回OK

发送AT+CMGS=23

发送＞

0891683110300605F011000D91683174070110 F800080008823195E85F00542F

返回+CMGS：35 OK

发送短信成功。远程报警模块的程序流程如图5 所示。

图5 远程报警程序流程图

(2)接收短信。

发送AT+CNMI=1，1，0，2 //新消息提示设置

返回+CMTI：”SM”，10 //收到新消息的提示

发送AT+CMGL= 0//读取未读消息

返回+CMGL：19，0，，28

收到发信人号码为15623580757 的短信，短信内容为“打开风扇”。

通信控制系统根据收到的短信控制外设的程序流程如图6 所示。

4 测试

先连接好硬件电路，给目标板供电后，将经过交叉编译好的可执行文件移植到目标板上，并将所需要的相关配置文件放在相应目录。上电开机后应用程序自动运行。图7 ～图9 分别为语音通话界面、报警短信紧急发送界面和短信收发界面，系统整体实物平铺图如图10 所示。

图6 远程控制程序流程图

图7 语音通话界面

图8 报警短信紧急发送界面

图9 短信收发界面

图10 系统整体实物平铺图

5 结论

描述了基于3G 通信模块和单片机的智能电子系统终端的硬件结构和软件实现方法。系统采用3G 无线通信，可以进行实时双向数据传输，比传统的有线数据传输实时性强，并且所采用的3G模块(MU509)在同等的工作状态下比其他的通信模块功耗要小很多，还有相对更加完善的功能可供选择使用，面对用户使用时的软件也更加合理和人性化，因此，具有较强的推广价值。

［1］王君.嵌入式智能家居安防监控系统的设计［J］.微计算机应用，2010(10)：45 -49.

［2］王国英. 基于QTE 的嵌入式GPS/GIS 车载导航系统设计与实现［D］.杭州：浙江大学图书馆，2007.

［3］孙悦红，孙继红.面向用户的软件界面设计［M］.北京：清华大学出版社，2009：26 -30.

［4］张育红.GSM 系统半速率及数据业务比例配置研究验证［J］.信息安全与技术，2013，4(1)：49 -52.

［5］袁飞，程恩，欧晓丽. 基于GSM 短信息的远程环境监测系统的设计实现［J］. 计算机应用研究，2005，22(5)：172 -175.

［6］甄文先. 基于短消息的远程家电红外遥控系统［D］.广州：华南理工大学图书馆，2008.

［7］李艳峰. 基于MU509 的短消息收发在车载安保服务中的应用［J］.信息通信，2010(1)：92 -93.

［8］阮天佑，谢阅.基于GSM 的远程住宅智能监控系统的设计与实现［J］.微计算机信息，2006，22(13)：95-96.

［9］BLANCHETTE J，SUMMERFIELD M.C+ + GUI programming with Qt4［M］.London：Prentice Hall，2008：100 -158.

［10］LIAN C Y.Design of intelligent fire alarm system based on GSM network［C］∥International Conference on Electronics and Optoelectronics. Piscataway：IEEE Press，2011：126-128.

［11］KUO Y F，YEN S N. Towards an understanding of the behavioral intention to use 3G mobile value-added services［J］. Computers in Human Behavior，2009，25(1)：103 -110.