應(yīng)急智能手機終端的設(shè)計及實現(xiàn)

胡自健　重慶郵電大學(xué)碩士研究生蔣子泉　中國信息通信研究院西部分院工程師

應(yīng)急智能手機終端的設(shè)計及實現(xiàn)

胡自健重慶郵電大學(xué)碩士研究生
蔣子泉中國信息通信研究院西部分院工程師

為解決在復(fù)雜災(zāi)難場景下公眾應(yīng)急信息的接收問題，本課題通過對傳統(tǒng)智能手機進(jìn)行硬件天線改造及軟件設(shè)計，實現(xiàn)了一種應(yīng)急接收終端。該類型終端可在復(fù)雜災(zāi)難場景特別是蜂窩網(wǎng)絡(luò)癱瘓的情況下，實時接收FM廣播網(wǎng)發(fā)送的應(yīng)急FM語音和RDS（RadioDataSystem，廣播數(shù)據(jù)系統(tǒng)）文本消息，并向人群預(yù)警，從而彌補在公網(wǎng)癱瘓下公眾人群的應(yīng)急信息實時接收的缺失。

公眾應(yīng)急；RDS；智能終端

1　引言

當(dāng)應(yīng)急情況發(fā)生時，應(yīng)急指揮人員需要通過各種有效的手段，將災(zāi)難情況、救援信息等傳遞到公眾手中。當(dāng)前，我國主要通過電視廣播網(wǎng)、蜂窩通信網(wǎng)和衛(wèi)星通信網(wǎng)發(fā)送應(yīng)急消息給公眾。其中，電視廣播網(wǎng)依靠有線傳播，對災(zāi)難的抗毀性較差；蜂窩通信網(wǎng)，在災(zāi)難發(fā)生時常常會因業(yè)務(wù)量激增和通信基站倒塌造成應(yīng)急通信系統(tǒng)的癱瘓；衛(wèi)星通信網(wǎng)，則因為其帶寬受限和成本較高，并未能普及。

針對上述問題，本文描述了一種基于調(diào)頻FM廣播以及RDS（RadioDataSystem，廣播數(shù)據(jù)系統(tǒng)）技術(shù)的應(yīng)急信息接收終端，該類型終端設(shè)計原型為普通智能手機，信息途徑可直接依托現(xiàn)有公眾FM廣播網(wǎng)絡(luò)，具有攜帶率高，覆蓋人群廣泛、建設(shè)成本低、系統(tǒng)抗毀性強以及可快速應(yīng)用等優(yōu)勢。

2　技術(shù)原理及系統(tǒng)架構(gòu)

（1）技術(shù)原理

在國內(nèi)，通常利用FM調(diào)頻廣播的主載波承載語音信號實現(xiàn)播放語音信息，但在FM廣播技術(shù)中，其副載波部分可用來傳輸數(shù)字信號，即RDS（Radio Data System，廣播數(shù)據(jù)系統(tǒng)）技術(shù)。其工作原理是采用調(diào)頻廣播導(dǎo)頻信號頻率19kHz的3倍作為副載波，構(gòu)成RDS信道，與原有的語音信號的主信道、副信道導(dǎo)頻共同構(gòu)成RDS數(shù)字信息的語音調(diào)制基帶信號，再對其高頻主載波調(diào)頻。其編碼傳輸速率為每包104bit/s，每秒可傳輸11.4個數(shù)據(jù)包。

在RDS標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)規(guī)范中，RDS已定義了12組型，其中2組型廣播文本信息。2組型碼為00010或00011，即A版本和B版本格式，區(qū)別在于塊3上，后者插入了PI碼（見表1）。

表1　RDS兩種版本編碼結(jié)構(gòu)的區(qū)別

塊2最后4位的地址碼用于塊3（只限A版本）和塊4中消息文本段的定位，由于A版本的一個文本段含4個單字節(jié)字符，所以用A版本可以傳送長達(dá)32個雙字節(jié)或64個單字節(jié)字符的文本消息。而B版本每個文本段只含2個單字節(jié)字符，只能傳送16個雙字節(jié)或32個單字節(jié)字符文本消息。

本文正是利用RDS技術(shù)中2A組型碼作為應(yīng)急消息的載體發(fā)送數(shù)字文本信息，并利用數(shù)字信息激勵觸發(fā)手機終端產(chǎn)生相應(yīng)預(yù)警。

（2）終端所在的應(yīng)急通信系統(tǒng)架構(gòu)

終端手機所在的應(yīng)急通信系統(tǒng)由信息發(fā)布平臺、信息傳輸平臺以及信息接收平臺3部分組成。系統(tǒng)中應(yīng)急信息以SMS短信和RDS信息兩種獨立方式作為信息載體，信息在發(fā)布平臺編輯完成并加密后發(fā)送；可由傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)或FM廣播網(wǎng)發(fā)射傳輸；在智能手機接收端通過通信模組與集成的FM接收芯片接收應(yīng)急信息，還原原始報文信息，觸發(fā)手機預(yù)警、內(nèi)容顯示、呼叫轉(zhuǎn)發(fā)等應(yīng)急業(yè)務(wù)功能。應(yīng)急通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　應(yīng)急通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

傳統(tǒng)的手機作為應(yīng)急信息接收端的不足主要在于，其對傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)依賴過強，在復(fù)雜災(zāi)難場景下，傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)經(jīng)常會由于基站受損與網(wǎng)絡(luò)擁塞而失效。FM廣播設(shè)施在復(fù)雜災(zāi)難場景下具有抗毀能力強和恢復(fù)能力強的特點，所以通過在發(fā)送端將結(jié)合兩種方式，使得所研究設(shè)計的智能終端在保證原有SMS通信能力的基礎(chǔ)上，同時具備通過FM調(diào)頻廣播接收應(yīng)急短信的功能，從而提高系統(tǒng)的抗毀性、人群接收的覆蓋性以及緊急信息接收的實時性。

3　應(yīng)急終端設(shè)計與實現(xiàn)

終端設(shè)計分為消息接收模塊、消息處理模塊和用戶交互模塊3部分。消息接收模塊，添加內(nèi)置天線和軟件設(shè)計，使其具備硬件接收和軟件獲取FM-RDS的能力；消息處理模塊，通信協(xié)議和信息存儲；用戶交互模塊，主要為信息展示和報警提醒。

3.1消息接收模塊

（1）內(nèi)置天線

由于FM調(diào)頻廣播的頻段特點，其頻率范圍為76～108MHz，根據(jù)1/4波長計算，其理想的天線長度應(yīng)為67～82cm。智能手機采用耳機作為天線接收FM，但該方式限制了智能手機終端在日常使用狀態(tài)下接收FM信號，進(jìn)而影響了實時接收應(yīng)急信息的業(yè)務(wù)邏輯要求。

但隨著內(nèi)置天線工藝技術(shù)的發(fā)展，可采用FPC、LDS工藝等的小型化天線直接內(nèi)置在手機內(nèi)部，從而解決了人們在日常的使用過程中不會攜帶FM天線的弊端，使得日常使用的手機就可以作為實時應(yīng)急信息的接收設(shè)備，解決了實時接收人群覆蓋率有限、信息接收設(shè)備的真實使用率低的問題。本次設(shè)計采用FPC內(nèi)置天線，實現(xiàn)手機對FM信息的接收。

（2）SMS短信息獲取

短信可作為在公網(wǎng)正常工作下信息傳輸?shù)闹饕d體。Android系統(tǒng)提供了廣播機制，當(dāng)手機的系統(tǒng)狀態(tài)改變時，會向注冊過系統(tǒng)廣播的應(yīng)用發(fā)送廣播提示，軟件應(yīng)用即通過可事先定義的廣播接收器獲知該廣播，并提取出廣播中的詳細(xì)信息。SMS短信息的獲取利用了上述方式，在第一次運行時，進(jìn)行短信廣播的注冊以及實現(xiàn)短信廣播接收器，并在接收器內(nèi)部進(jìn)行信息處理。SMS信息獲取流程如圖2所示。

圖2　SMS信息獲取流程圖

（3）RDS信息獲取

在復(fù)雜或特大災(zāi)難下，由于公網(wǎng)設(shè)施損壞或擁塞，可使用FM-RDS方式發(fā)送應(yīng)急文本信息提示用戶預(yù)警。不同于傳統(tǒng)上層軟件API調(diào)用方式，Android系統(tǒng)對于FM接口未能提供統(tǒng)一的API接口使直接調(diào)用，進(jìn)行FM芯片的初始化和FM芯片RDS信息的讀取，需要本地接口進(jìn)行連接。通過將事先編寫好的JNI方法打包成庫文件，在應(yīng)用開啟時，動態(tài)加載庫文件，實現(xiàn)上層應(yīng)用對FM芯片的控制和信息讀取。

應(yīng)用啟動時，開啟Service并調(diào)用JNI方法進(jìn)行FM芯片的初始化。初始化完成后，開啟線程每隔100ms進(jìn)行RDS信息標(biāo)志位讀取，當(dāng)發(fā)現(xiàn)標(biāo)志位不為0，則進(jìn)行RDS的讀取和處理。RDS信息獲取流程如圖3所示。

圖3　RDS信息獲取流程圖

3.2信息處理模塊

（1）數(shù)據(jù)協(xié)議

由于RDS的基本結(jié)構(gòu)中最大的單元為組（104位），每個組中包含4個塊（26位），每個塊中包含16位信息字和10位校驗字，2A組有效載荷為32個雙字節(jié)或64個單字節(jié)，長度有限，將其直接用于應(yīng)急通信中，會導(dǎo)致信息量不足的缺陷。

本終端的數(shù)據(jù)通信協(xié)議是對RDS協(xié)議中的載荷部分，進(jìn)一步編碼，即在發(fā)送端在每組信息載荷中加入分段信息，在接收端用分段信息進(jìn)行正文的定位和重組，從而實現(xiàn)一次較大信息量的完整接收。

接收端接收的每一組完整信息載荷，包含信息等級、段數(shù)信息和正文3部分（見圖4）。信息等級，用于對信息的緊急程度進(jìn)行數(shù)字劃分，對于不同等級的信息，采用不同的報警方式，提高預(yù)警的效果。段數(shù)信息，用于信息正文的定位和重組。

圖4　RDS應(yīng)急信息塊

（2）信息存儲

為了實現(xiàn)應(yīng)急信息在本地的保存與條件檢索功能。本次設(shè)計采用的Android系統(tǒng)內(nèi)置的SQLite數(shù)據(jù)庫，其輕量級的優(yōu)點，完全滿足本次設(shè)計的需求。根據(jù)數(shù)據(jù)特點，設(shè)計數(shù)據(jù)存儲表結(jié)構(gòu)如表2所示。

表2　數(shù)據(jù)存儲表

3.3用戶交互模塊

（1）界面交互

用戶交互模塊處理終端與用戶之間的交互，具體實現(xiàn)兩個功能，一是定義用戶界面，二是響應(yīng)用戶的操作。用戶界面包含主界面、應(yīng)急信息查看界面、應(yīng)急語音收聽界面、應(yīng)急小知識查看界面，具體對應(yīng)參見表3。

（2）聲光報警

本次設(shè)計主要通過震動、鈴聲、閃光燈3種方式向用戶預(yù)警。報警的形式取決于信息等級：等級I，系統(tǒng)普通鈴聲；等級Ⅱ，短暫報警鈴聲，指示燈閃爍；等級Ⅲ，持續(xù)報警鈴聲和震動。

3.4終端實現(xiàn)

依據(jù)上述設(shè)計，對應(yīng)具體實現(xiàn)，包含硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩部分。圖5、6、7為關(guān)鍵代碼段截圖和軟件運行圖。

表3　用戶交互對應(yīng)表

圖5　應(yīng)急信息獲取關(guān)鍵代碼圖

圖6　信息處理及保存關(guān)鍵代碼圖

圖7　軟件運行圖

4　測試

基于上述設(shè)計具體實現(xiàn)后，進(jìn)行實際的外場測試，在測試過程中為重點模擬當(dāng)公網(wǎng)癱瘓下的基于RDS技術(shù)的應(yīng)急信息接收，將手機終端設(shè)置為飛行模式，詳細(xì)測試條件參見表4。

表4　測試條件表

終端實物圖如圖8所示。

基于上述的真實外場測試條件，內(nèi)置FPC接收天線的智能手機終端的有效語音接收距離為3～4km，RDS應(yīng)急文本信息的接收范圍為1～1.5km，即可實現(xiàn)該覆蓋范圍內(nèi)的應(yīng)急語音與文本信息的覆蓋，且在該有效接收范圍內(nèi)RDS應(yīng)急文本信息的接收時延如表5所示。

由測試數(shù)據(jù)可知：在室外環(huán)境下，在有效通信范圍內(nèi)，RDS應(yīng)急信息的接收效率是可靠并且實時的，可以滿足應(yīng)急場景的通信要求。

圖8　終端實物圖

表5　RDS文本接收時延遲

5　結(jié)束語

本文闡述了一種應(yīng)急通信終端。通過對普通智能手機終端的軟件APP程序設(shè)計與硬件內(nèi)置天線設(shè)計，實現(xiàn)了復(fù)雜災(zāi)難場景下特別是在公網(wǎng)癱瘓下公眾對于應(yīng)急信息的接收。為我國應(yīng)急通信技術(shù)發(fā)展提供了一種有效的解決方案。

［1］劉春江，馬艷，李玉環(huán)，等.基于調(diào)頻副載波的應(yīng)急廣播消息傳輸協(xié)議探討［J］.電視技術(shù)，2014，38（20）：37-40.

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中興服務(wù)業(yè)務(wù)規(guī)模增長20%創(chuàng)歷史新高

近日，中興通訊宣布，2015年中興服務(wù)業(yè)務(wù)規(guī)模增長達(dá)20%，創(chuàng)歷史新高。中興通訊全球累計簽訂超過177個管理服務(wù)合同，合同站點數(shù)超過33.5萬個，運維光纜外線超過33.2萬公里；管理服務(wù)交付能力穩(wěn)健提升，服務(wù)全球超過2.3億用戶。服務(wù)已成為中興通訊重要的業(yè)務(wù)支柱和增長點。

中興通訊總裁助理、工程服務(wù)部總經(jīng)理陳付啟表示：“在M-ICT時代，運營商網(wǎng)絡(luò)在未來將面臨四大發(fā)展趨勢：移動化、大數(shù)據(jù)、云化和網(wǎng)絡(luò)虛擬化，ICT服務(wù)領(lǐng)域?qū)⑸疃热诤稀＝柚冗M(jìn)的服務(wù)工具和大數(shù)據(jù)分析平臺，運營商在關(guān)注網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的同時，將更多地聚焦業(yè)務(wù)質(zhì)量的保障、用戶黏度的提升和營銷價值的深度挖掘；與此同時，服務(wù)領(lǐng)域?qū)⒉粩嘤楷F(xiàn)新的服務(wù)模式和商業(yè)機會；跨界應(yīng)用將改變運營商的傳統(tǒng)業(yè)務(wù)邊界，從而促進(jìn)整個信息產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展。2016年，中興通訊將進(jìn)一步深化M-ICT戰(zhàn)略，全力打造下一代運維管理服務(wù)、RoNPM技術(shù)服務(wù)和數(shù)據(jù)中心透視運維三駕馬車，在幫助運營商降低OPEX的同時，打造以業(yè)務(wù)和用戶為中心的服務(wù)體系，提升業(yè)務(wù)質(zhì)量，深挖數(shù)據(jù)洪流的商業(yè)價值，助力運營商快速穩(wěn)健轉(zhuǎn)型。”

Design and Implementation of Emergency Smart Phone

Hu Zijian，Jiang Ziquan

In order to solve the problem of receiving the public emergency information in complex disaster scenarios，this paper realizes a kind of emergency receiving terminal，which is based on the traditional smart phone and software design.The terminal can receive RDS which broadcast from FM network in time，and warning for people.By this way，it can make up for the lack of public emergency information receiving in public network paralysis.

public emergency；radio data system；intelligent terminal

2016-01-10）