基于GSM的移动监控定位系统设计

1 引　言 　　 　　随着社会的发展和通信技术的进步，人们对移动目标监控的要求越来越高，不仅需要知道移动目标的位置，还需要对移动目标的视频图像、报警信息、运行状态等数据进行实时监控和处理。例如，移动监控定位系统可协助对长途客车的管理，指挥中心通过分析客车发送的GPS数据确定客车的位置，判断是否超速行使，客车若出现故障、遭遇事故或劫车事件，可及时通知指挥中心，指挥中心再通知交通、公安、医院等部门进行紧急处理，在客车中加装摄像头还可有效预防行车途中的犯罪事件。另一方面，司机通过指挥中心可以了解行使前方的地理信息、天气状况、交通情况等。此外，移动监控定位系统在渔船出海作业、城市出租车调度、公安治安巡防、银行运钞车监控等领域都有着广泛的应用前景。移动监控定位系统是伴随着GPS技术和无线通信网络技术的成熟而发展起来的，在20世纪90年代初，GPS技术刚刚进入实用阶段，基于GPS的移动跟踪、监控系统开始走向市场，但由于无线通信网技术的制约，造成系统建设规模小、投入成本高，所以未得到普及。近几年来，各种无线通信专网、集群无线网、卫星数据通信网、数字蜂窝移动通信网发展迅速，其数据承载能力明显加强，并且，GPS技术更加成熟。现在市场上的12通道GPS接收机价格也比较低廉，2000年5月1日，美国政府宣布取消GPS的SA政策，这样，一般GPS接收机定位精度可以达到25 m。由于上述原因，基于GPS和无线通信网的移动监控定位系统在世界各国都得到迅猛发展，并显示出强劲的发展势头，市场潜力巨大。 　　 　　GPS技术和无线通信网络技术是移动监控定位系统关键的2个要素，如今GPS接收机或OEM卡已经商品化，其体积可以做得很小，提供串口标准数据输出，数据接口很方便，而无线通信网络则多种多样，其建设成本、系统容量也各不相同，可供选择的通信网络有集群无线网、卫星数据通信网、移动通信网等。 2　移动监控定位系统通信网的选择 　　 　　无线通信网络是移动监控定位系统的一个重要组成部分，可分为无线专网和公用的无线通信网络2大类，其中无线专网、卫星通信网、移动通信网是比较常见的几种形式。 2．1　无线专网 　　 　　无线专网就是专门为移动监控定位系统建设的无线通信网，他有自己的交换中心、基站及监控平台，缺点是组网费用较高、覆盖面积有限，但无线专网系统更改灵活、抗毁能力强且具有移动性，适合用于抗洪救灾指挥系统、军事作战指挥系统等专用性较强的领域。 2．2　卫星通信网 　　 　　卫星通信有静止轨道卫星通信、中轨道卫星通信、低轨道卫星通信3种，卫星起中继的作用，地球站用来作基站或与用户相连。卫星通信的特点是覆盖面积大，可以做到全球通，而且对气候和传输距离不敏感。在一般无线网络覆盖不到的地方，例如沙漠、森林地区特别适用，此外，在航海领域，通过基于卫星通信网的监控定位系统对航海的船只进行导航、实时监控，当遇到海盗、海难等时可以及时进行处理；在航空领域，在民航客机运营中采用监控定位系统可以避免飞机空中相撞、当发生劫机事件时可通过飞机上的摄像头及时了解机上状况，在军用飞机作战时可以依托此系统组成空中指挥平台等。缺点是系统终端设备复杂，费用较高，不利于普及。 2．3　移动通信网 　　 　　近年来，移动通信发展如火如荼，从模拟的AMPS网到数字蜂窝GSM网，到CDMA移动通信网，现在日本一些国家又提出了第四代移动通信网（即4G）的概念，并开始开发和研制。相对于无线专网或卫星通信网，移动通信网比较普及，依托移动通信网建设监控定位系统具有覆盖面积大、组网费用低等优点，利用移动通信网的数据接入功能开展增值业务，还可提高网络的资源利用率。不过，移动通信网的数据传输速率一般较低，若提高数据传输速率，需要对原有网络进行改造。例如，利用CDPD（分组数据交换）技术，可在模拟蜂窝AMPS网上提供分组数据服务，信道速率为19．2 kb／s。在数字蜂窝通信网中，GSM网的数据速率只有9．6 kb／s，当GSM网采用GRPS（通用分组无线服务）技术或EDGE（增强数据速率）技术改进后，他将分别提供115．2 kb／s和384 kb／s的数据速率。另外，在IS-95B，CDMAOne中都增强了移动数据服务能力，而CDMA2000可提供高达2 Mb／s的数据速率。利用移动通信网建设移动监控定位系统开通便捷、易于维护，能够覆盖手机信号可以到达的所有区域，非常适合于车辆船只调度、110报警指挥、铁路列车无线调度等方面的应用。 　　除了以上介绍的几种通信网，还有数字集群通信网、无绳电话通信网（包括DECT系统、PHS系统等）等网络，他们都可以用来传输监控定位数据。 3　基于GSM的移动监控定位系统方案设计 　　 　　通过以上几种通信网络的比较，移动通信网是最为经济、最易普及的一种方法。第三代移动通信网CDMA具有较高的数据传输能力，但目前CDMA网还处于实验网阶段，而GSM数字蜂窝移动通信网在国内及国际上都已非常普及，市场应用最广泛，覆盖面积最大，在技术上也是最成熟的。所以，利用GSM移动通信网建设移动监控定位系统是当前比较合理的选择。通过GSM移动通信网传输监控定位数据可以有3种方法：利用话音通道传输、利用SMS（短消息业务）传输、利用改进的GSM的高速数据通道传输。 3．1　利用GSM的话音通道通信的设计方法 　　 　　利用GSM的话音通道传输数据和在普通电话线上一样，在收发两端通过MODEM调制解调进行数据通信，这种方法技术成熟，应用范围广，在GSM网覆盖的范围内均可使用，缺点是在数据传输之前需要先拨号，呼叫建立时间较长，一般为10 s左右，而且通信费用与移动电话费相同，费用较高。采用这种方法建立的移动监控定位系统如图1所示。 　　移动终端的设备组成如图2所示。 　　在图2中，移动终端的GPS接收机可以获取位置、速度信息，摄像头捕获图像信息，麦克风传送话音，报警设备提供报警信息，他们送入数据接口设备进行格式转换后，经MODEM调制，通过GSM手机发向GSM移动网络。系统监控中心通过中继线路与GSM网交换中心连接，中继线路为电话线、光纤或微波提供的话音通道，移动终端的数据由监控中心的MODEM解调、接口处理后送入相应分系统。如GPS信息送入GIS（地理信息系统）分系统、图像和话音送入多媒体显示分系统、报警信息送入报警处理分系统。监控中心可以通过调度指挥分系统对各个移动终端进行控制，网络管理分系统负责整个网络的运行、管理工作。 　　 　　利用GSM的话音通道设计移动监控定位系统时，可根据移动终端数量和实际需求随意添加、删除信道数和业务功能，还可组成简单的点—点移动监控系统，例如用于家庭监控等。 3．2　利用GSM的SMS通信的设计方法 　　 　　SMS（短消息业务）是GSM网的一项增值业务，他通过控制信道传输数据，支持点—点消息业务及消息广播业务等多种方式。通过SMS传输数据的移动监控定位系统如图3所示。 　　与图1不同的是，移动终端的数据通过SMS全部发送到短消息业务中心，系统监控中心通过中继线路（如DDN）从短消息业务中心获取数据。通过SMS传输数据具有以下优点： 　　（1）信道建立时间短，数据传输速率快； 　　（2）不占用话音信道，通话时不影响数据传输； 　　（3）由于不占用话音通道，通信费用低廉； 　　（4）通过短消息广播业务，可提供点对多点的数据传送； 　　（5）系统扩容方便。 　　 　　另一方面，由于控制信道的传输速率为781 kb／s，所以数据传输速率不可能很快。SMS还受信息长度的限制，点—点信息长度为140 B，消息广播业务信息长度为82 B，这就决定了传输的数据不能太长，他适用于信息量少而通信频繁的系统应用。此外，随着系统容量增加，SMS还会加重GSM网络控制信道的负担。 3．3　利用GSM的高速数据通道通信的设计方法 　　 　　在以上2种数据传送手段中，数据速率都较慢，只适合传输诸如GPS数据、报警信息、控制信息等较短的数据，若传输监控图像、移动终端下载地理信息就比较困难，为此，需要进一步提高GSM通信网的数据传输速率。GRPS（通用分组无线服务）是最近兴起的一种新技术，他通过在原有GSM网上添加协议关口和改动少量设备，就可以提供高达115．2 kb／s的数据传输速率，GRPS支持X．25，TCP／IP等协议。现在世界上许多大公司都在抓紧开发GRPS功能，国内东方通信公司和Motorola公司在合作开发GRPS手机和相关设备。提高GSM数据传输速率的另外一种技术称为EDGE（增强数据速率），他可支持384 kb／s的数据速率。 　　 　　在以上3种设计方法中，利用GSM的GPRS或EDGE提供的高速数据通道通信是比较理想的一种方式，目前正在研究开发过程中，GSM的话音通道应用最普及，但通信费较高，利用SMS业务传输数据是最经济、合理的方法，而且SMS业务也正在逐步走向普及。 4　移动监控定位系统的业务功能 　　 　　基于GSM通信网设计的移动监控定位系统可提供以下几种功能： 　　 　　（1）定位功能　通过移动终端发送的GPS信息，监控中心可对移动目标进行实时的跟踪定位，监控移动目标的行使速度、运行状态，并且可以通过GIS系统在地图上实时显示运动轨迹；相反，监控中心通过地图可查询区域内车辆的有关资料，如车辆牌照、单位名称、司机姓名、行使速度等。 　　（2）调度指挥功能　因为监控中心掌握各个移动目标的地理位置和运行状态，可根据需要进行调度指挥。例如在出租车运营中采用此系统，监控中心可根据客户叫车电话通知附近车辆前去服务。 　　（3）报警功能　移动终端发送的报警信息分为自身故障报警信息和突发事件报警信息2种，以长途客运车为例，自身故障报警包括车辆漏油、发动机状态异常等；突发事件报警信息包括行车途中遭遇路桥坍塌、交通事故、拦路抢劫等。当出现警情时，监控中心可根据客车的报警信息分类处理，通过与110、120联网及时通知交通、公安部门。 　　（4）视频监控功能　通过加装摄像头，监控中心可随时查看移动目标的视频图像并进行录像，如可监视长途客运车司机在途中有无违规拉客、拒载行为，若车内发生抢劫、偷盗等犯罪事件，可通过录像回放协助破案，等等。 　　（5）通话功能　当采用SMS或高速数据通道传输64数据时，在数据传输过程中，移动终端还具有正常GSM数字电话功能。 　　（6）导向功能　在移动车内安装GIS系统，可以实现车辆自我导向功能，而且全国漫游。 　　（7）历史资料查询功能　用户可以通过监控中心的记录查询移动终端的历史情况，如查询车辆在过去某个时间的位置、速度、状态等数据，并可进行运行轨迹回放。 　　 　　在实际系统设计中，针对不同的用途，系统可繁可简，小到点—点的监控，大到几百个移动终端的监控定位系统，业务功能如GPS定位、视频图像监控等也可根据需要进行添加或删除。 5　结　语 　　 　　移动监控定位系统在我国有很大的市场潜能，近几年在全国各地建起了不同形式的移动监控定位系统，如GPS车辆跟踪系统、移动指挥调度系统、车辆导航系统等。2000年5月，上海市建成了公用移动GPS系统，他使用GSM作为通信平台，为上海以及华东地区的用户提供GPS定位及监控信息服务，用户只需要购买GPS车载设备就可以加入网络。北京市也已建成GSM／GPS卫星定位服务系统，他以卫星通信为基础，可提供高精度的三维定位信息，将向公众开放静态车 辆防盗、动态车辆追踪等服务。 　　 　　另外，国内许多通信网络公司可以提供GPS接收机、GSM／GPS一体机、GIS系统、系统监控软件平台及整套系统解决方案，但由于刚刚起步，系统设计还存在许多问题，例如：监控软件功能比较落后，动态数据处理能力较差；数据通信格式不统一，不同厂商间的产品不兼容；由于监控数据通过无线传输，多数系统未采取加密措施，监控定位信息很容易被截获等。 参考文献 ［1］　赵荣黎．数字蜂窝移动通信系统［M］．北京：电子工业出版社，1997． ［2］　丁瑾，吴文昊，等．数字无线本地环路系统［M］．北京：电子工业出版社，1997． ［3］　郭峰，等．无线局域网［M］．北京：电子工业出版社，1997． ［4］　樊昌信，等．通信原理［M］．北京：国防工业出版社，1981． ［5］　贾玉涛，等．实用移动无线电通信［M］．北京：国防工业出版社，1995． ［6］　郑祖辉，等．集群移动通信工程［M］．北京：人民邮电出版社，1996．