一種低成本的弱勢群體監(jiān)護(hù)系統(tǒng)解決方案

張 平

(1.湖南科技學(xué)院計(jì)算機(jī)與通信工程系，中國永州 425100;2.中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，中國長沙 410083)

隨著我國進(jìn)入老齡化社會(huì)，人口撫養(yǎng)比快速攀升，同時(shí)家庭呈現(xiàn)小型化趨勢，這進(jìn)一步加劇了對弱勢群體的監(jiān)護(hù)撫養(yǎng)難度.如何制定切實(shí)有效的方案，及時(shí)監(jiān)控弱勢群體行蹤，關(guān)鍵時(shí)刻為其提供求救平臺(tái)以降低搜救難度，顯得現(xiàn)實(shí)而迫切.

目前，面向弱勢群體的監(jiān)護(hù)產(chǎn)品或服務(wù)分為兩大類:

其一，遠(yuǎn)程健康監(jiān)護(hù)類［1-5］.主要為重癥患者提供遠(yuǎn)程醫(yī)療保健服務(wù)，側(cè)重生理參數(shù)的采集和分析.數(shù)據(jù)傳輸方面以有線為主，部分產(chǎn)品輔以短距離無線傳輸技術(shù)，以允許患者進(jìn)行小范圍的運(yùn)動(dòng).該類產(chǎn)品成本非常高，普通用戶無法承受.

其二，追蹤安全類［6-12］.通過定位功能追蹤走失的老人和小孩的位置.各電信運(yùn)行商目前都提供此項(xiàng)業(yè)務(wù).主要采用網(wǎng)絡(luò)定位，精度誤差在50～350 m 之間，定位結(jié)果以短信的形式發(fā)送給用戶.也可以購買定制的客戶端，來提高定位精度.主要問題在于，首先，定位過程受運(yùn)營商控制，用戶必須額外支付功能費(fèi)才能使用.其次，主控手機(jī)端接收到的定位結(jié)果是對位置信息的文字描述，既不準(zhǔn)確也不直觀.

本文主要針對第二類用戶，為其提供低成本的解決方案.目標(biāo)包括:第一，提高定位精度;第二，降低硬件成本;第三，降低使用成本;第四，在地圖直觀標(biāo)注結(jié)果.

1 方案概述

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由主控端和受控端組成，雙方使用移動(dòng)運(yùn)營商的無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信.受監(jiān)護(hù)端由弱勢群體用戶持有，通過發(fā)送鍵發(fā)送求助信息到主控端.主控端由家長和監(jiān)護(hù)人持有，既可被動(dòng)接受和解釋受控端的求助位置短信，也可主動(dòng)對受控端的當(dāng)前位置信息進(jìn)行查詢.同時(shí)主控端可對受控端相關(guān)參數(shù)(如匯報(bào)模式、匯報(bào)周期、安全區(qū)域大小等)進(jìn)行遠(yuǎn)程設(shè)置.主控端需要實(shí)現(xiàn)控制指令發(fā)送、求助信息接收處理、地圖標(biāo)注等功能，計(jì)算量較大，對人機(jī)界面的要求較高.通常需要32 位以上的芯片，并配備高質(zhì)量的顯示屏.鑒于目前2G/3G 智能手機(jī)在中青年人群中普及率較高，作者采用基于當(dāng)前主流的智能手機(jī)平臺(tái)，從軟件角度進(jìn)行實(shí)現(xiàn)的方案.

受監(jiān)護(hù)端實(shí)現(xiàn)方案分手機(jī)和單片機(jī)兩種方式.前者基于智能手機(jī)平臺(tái)，從軟件角度加以實(shí)現(xiàn).后者基于低成本單片機(jī)，采用專用客戶端方式實(shí)現(xiàn).系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方式和編碼協(xié)議等都保持一致，故兩種版本的受監(jiān)護(hù)端可以相互替換，甚至混合使用.本文主要關(guān)注后者.

2 受監(jiān)護(hù)端(受控端)設(shè)計(jì)

2.1 受監(jiān)護(hù)端(受控端)邏輯結(jié)構(gòu)

受監(jiān)護(hù)端結(jié)構(gòu)如圖1所示.MCU 與GPS 模塊、GSM 模塊采用串口通信方式，目前主流的GSM 模塊多對外提供RS232 通信接口，可直接采用AT 指令進(jìn)行數(shù)據(jù)、語音和短消息等操作.GPS 數(shù)據(jù)包的類型較多，本應(yīng)用中，我們只需要對GPPMC 型數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析.

鍵盤和顯示模塊并不需要進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)配置.受監(jiān)護(hù)端的使用群體主要定位在弱勢群體，過于復(fù)雜的人機(jī)接口，反而會(huì)增加使用難度.本方案實(shí)現(xiàn)時(shí)，作者使用SMS 方式從主控端對受監(jiān)護(hù)端的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行配置，當(dāng)然也可以經(jīng)由數(shù)據(jù)線在PC 機(jī)上對受控端進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，因此鍵盤和顯示屏就可以省略掉了.這里只需提供普通按鍵作為求助信息發(fā)送鍵，另外提供2 個(gè)不同顏色的LED，對系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行提示.

2.2 受監(jiān)護(hù)端(受控端)算法設(shè)計(jì)

受監(jiān)護(hù)端初始化后，系統(tǒng)監(jiān)聽相關(guān)信號(hào)，并跳轉(zhuǎn)到對應(yīng)函數(shù)處理.主要包括GSM 數(shù)據(jù)到達(dá)、GPS 數(shù)據(jù)到達(dá)、用戶求助按鈕、定時(shí)器信號(hào).各函數(shù)算法邏輯如下.

算法中的參數(shù)設(shè)置操作，主要用來設(shè)置主控端手機(jī)號(hào)碼、匯報(bào)模式、匯報(bào)周期、安全區(qū)域半徑等信息.采用多分支結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，受控端接收到參數(shù)設(shè)置指令后，跳轉(zhuǎn)到相關(guān)分支.

圖1 受監(jiān)護(hù)端邏輯結(jié)構(gòu)Fig.1 The monitored end design architecture

3 主控端設(shè)計(jì)與網(wǎng)絡(luò)通信

3.1 主控端設(shè)計(jì)

主控端基于智能手機(jī)平臺(tái)，直接從軟件角度進(jìn)行實(shí)現(xiàn).因?yàn)樵诒緫?yīng)用中，主控端不需要對自身進(jìn)行定位，故而對主控端是否包含GPS 模塊不作嚴(yán)格要求，這在一定程度上可以降低成本并擴(kuò)大使用范圍.

主控端包括遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置、主動(dòng)查詢、接收GPS 數(shù)據(jù)和地圖標(biāo)注等功能.

遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)計(jì)、主動(dòng)查詢等功能，需要采集用戶輸入數(shù)據(jù)，經(jīng)編碼、加密后發(fā)送到受控端進(jìn)行處理.

接收GPS 數(shù)據(jù)和地圖標(biāo)注功能，主要完成數(shù)據(jù)接收，解密解碼，并將結(jié)果在地圖上標(biāo)注，同時(shí)產(chǎn)生振鈴等提醒動(dòng)作.

3.2 主控端與受控端的通信

主控端和受監(jiān)護(hù)端之間通信問題包括數(shù)據(jù)編碼、數(shù)據(jù)安全、數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫鎯?nèi)容.

傳輸數(shù)據(jù)包括:GPS 坐標(biāo)數(shù)據(jù)匯報(bào)、設(shè)置指令及設(shè)置成功時(shí)的回復(fù)信息等指令.需進(jìn)行合理編碼，以便雙方能正確解釋接收到的數(shù)據(jù).

移動(dòng)終端IP 地址的具有動(dòng)態(tài)性特點(diǎn).若采用2.5G 和3G 等數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，需要引入第三方的服務(wù)器協(xié)助，方可完成移動(dòng)終端間長期可靠的連接.這既增加了建設(shè)和使用成本，也限制了部署的靈活性和應(yīng)用范圍.為此我們采用短消息方式(SMS:Short Messaging Service)，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)終端間信息的直接傳遞［8］.

對位置坐標(biāo)等數(shù)據(jù)進(jìn)行恰當(dāng)組織，可保證每次發(fā)送的信息遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于SMS 協(xié)議中所規(guī)定的160 個(gè)字節(jié)限制，通過單條SMS 消息即可提取位置信息，即可行也簡單方便.同時(shí)，不論是2G 網(wǎng)絡(luò)還是后續(xù)的其他移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，SMS 業(yè)務(wù)都得到了很好的支持，網(wǎng)絡(luò)覆蓋程度高.

本應(yīng)用情景中包含了位置坐標(biāo)等隱私信息，為防止非法監(jiān)聽，需要對通信雙方的身份進(jìn)行驗(yàn)證，并對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行加密.

4 方案實(shí)現(xiàn)與效果展示

4.1 測試方案

主控端采用軟件方式進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，測試在3 臺(tái)手機(jī)上進(jìn)行:華為C8050 一臺(tái)，中興X876 兩臺(tái)，均為Android智能手機(jī).手機(jī)賬號(hào)分別為電信189 的3G 賬號(hào)，中國聯(lián)通156 賬號(hào)，中國移動(dòng)152 賬號(hào).后兩者為普通GSM網(wǎng)絡(luò)賬號(hào)，開通GPRS 業(yè)務(wù).

受監(jiān)護(hù)端采用GSM 模塊進(jìn)行通信，所以上面提到的聯(lián)通和移動(dòng)號(hào)碼均滿足要求.將相應(yīng)SIM 卡插入到受監(jiān)護(hù)端的GSM 模塊上的卡座即可.系統(tǒng)使用前需要進(jìn)行參數(shù)配置.將主控端的手機(jī)號(hào)碼作為參數(shù)配置到參與測試的所有受監(jiān)控客戶端，自動(dòng)匯報(bào)模式狀態(tài)下，受監(jiān)護(hù)端的位置信息將發(fā)往此號(hào)碼.同樣，所有客戶端的手機(jī)號(hào)碼均需要作為參數(shù)配置到主控端，以便主控端發(fā)送查詢指令、或者參數(shù)配置指令到特定受監(jiān)護(hù)端.

如前所述，基于成本考慮，省去了受監(jiān)護(hù)端的鍵盤和顯示屏.可以使用SMS 方式從主控端對受監(jiān)護(hù)端的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行配置，也可以經(jīng)由數(shù)據(jù)線在PC 機(jī)上對受控端進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，除手機(jī)號(hào)碼相關(guān)參數(shù)外，其他參數(shù)均可以使用預(yù)設(shè)值.

4.2 測試效果

系統(tǒng)主控端界面如圖2A所示，用戶初次使用時(shí)，先通過“本機(jī)參數(shù)設(shè)置”按鈕進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置界面，對受監(jiān)護(hù)終端的手機(jī)號(hào)碼等參數(shù)進(jìn)行設(shè)定.用戶單擊“終端位置查詢”可以主動(dòng)查詢遠(yuǎn)程終端的位置，遠(yuǎn)程終端終端收到查詢指令后，將回復(fù)其自身的當(dāng)前位置信息到主控端.主控端接收到信息后進(jìn)行解碼，并自動(dòng)調(diào)用地圖模塊進(jìn)行目標(biāo)終端位置標(biāo)注(如圖2B)，同時(shí)該信息接收時(shí)間和經(jīng)緯度信息也將添加到主控端的“歷史記錄”中，以方便用戶隨時(shí)調(diào)入到地圖模塊［13］中進(jìn)行查看.

主控端也將自動(dòng)監(jiān)聽遠(yuǎn)程終端求助信息.一旦求助信息到達(dá)，手機(jī)操作系統(tǒng)將自動(dòng)啟動(dòng)主控端軟件，并將求助信息轉(zhuǎn)發(fā)給主控端.求助信息中包含位置信息，其編碼規(guī)則與主動(dòng)查詢得到的回復(fù)信息基本類似.主控端處理該信息的流程也與處理主動(dòng)查詢結(jié)果的流程類似.

用戶單擊“遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)定”，可進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)定界面，根據(jù)需要遠(yuǎn)程修改受監(jiān)護(hù)端的參數(shù)配置情況.

圖2 (從A 到B):測試效果展示Fig.2 (A to B):Screenshot

5 成本和效用分析

當(dāng)下社會(huì)的家庭結(jié)構(gòu)中，大多包含老人及小孩多名，需要同時(shí)進(jìn)行監(jiān)護(hù)，故而受監(jiān)護(hù)端將存在一個(gè)或者多個(gè).弱勢群體保管貴重物品的能力有限，終端成本過高，一旦遺失，損失較大.本方案主要從技術(shù)角度入手，通過降低硬件成本和使用成本，來控制總體成本.

本項(xiàng)目中，受監(jiān)護(hù)端主要實(shí)現(xiàn)位置信息采集和發(fā)送功能.計(jì)算量較少，采用普通的8 位、16 位等低成本單片機(jī)，配備GPS 和GSM 模塊滿足要求.同時(shí)，由于本方案采用SMS 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，市場上提供此類功能的低價(jià)位通信模塊種類繁多，容易控制成本.

通過采用遠(yuǎn)程參數(shù)配置，將受監(jiān)護(hù)端的參數(shù)配置功能轉(zhuǎn)移到主控端，從而減少受監(jiān)護(hù)端對顯示屏和鍵盤等成本較高硬件的依賴.此類模塊的移除，既降低了硬件成本，也減少了尺寸，有利于產(chǎn)品形態(tài)的開發(fā).方案中簡化了受監(jiān)護(hù)端的操作方式，僅提供普通按鍵作為求助信息發(fā)送鍵，另外提供2 個(gè)不同顏色的LED，對系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行提示.如3.2 節(jié)所述，移動(dòng)終端IP 地址的動(dòng)態(tài)性特點(diǎn)，使得2.5G 和3G 等數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)在實(shí)現(xiàn)移動(dòng)終端間通信時(shí)，存在建設(shè)成本、使用成本和靈活性等方面的不足.對于數(shù)據(jù)量不大、不需要長期保持連接的情況下，SMS 數(shù)據(jù)傳輸方式具備絕對優(yōu)勢.

主控和受控雙方直接通信，不受運(yùn)營商控制，不需要支付額外的月功能費(fèi).本方案中，提出了一個(gè)安全區(qū)域的概念，用戶可設(shè)定中心坐標(biāo)和區(qū)域半徑.在此區(qū)域內(nèi)，客戶的坐標(biāo)信息無需上報(bào)，可進(jìn)一步減少通信成本.

假定兩種方案的主控端用戶使用相同終端，均為Android 智能手機(jī)，并使用離線地圖數(shù)據(jù).則在使用次數(shù)相同的情況下，兩套方案的主控端費(fèi)用基本一致.故在成本比較時(shí)，只需考慮受監(jiān)護(hù)端.表1 列示了本文方案與運(yùn)營商提供的追蹤類業(yè)務(wù)的成本和性能對照信息.性能方面，本方案在定位精度、反饋結(jié)果的直觀性和準(zhǔn)確性方面具備絕對優(yōu)勢.成本方面，初始購置成本約為運(yùn)營商方案的30%.本方案不需要月功能費(fèi)，也沒有使用次數(shù)的限制.運(yùn)營商提供的定位追蹤業(yè)務(wù)有多個(gè)套餐(不考慮促銷、降價(jià)、區(qū)域差異等因素)，月功能費(fèi)一般不低于10 元，且大多有次數(shù)限制.為方便比較，假定兩種方案使用次數(shù)相同，且每月產(chǎn)生通信費(fèi)均為10 元.則本方案每月使用成本僅為運(yùn)營商方案的50%.

表1 受監(jiān)護(hù)端成本和性能對比分析表Tab.1 Comparison of cost and performance

本課題另外還開發(fā)了純軟件的受監(jiān)護(hù)端產(chǎn)品，其優(yōu)勢在于不需要另外準(zhǔn)備專用硬件，適合與家庭成員已經(jīng)擁有較多智能手機(jī)的場合.GPS 在室內(nèi)無法使用，此時(shí)可使用基站定位和室內(nèi)定位技術(shù)［14-15］.

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