一种低成本的弱势群体监护系统解决方案

张 平

(1.湖南科技学院计算机与通信工程系，中国永州 425100;2.中南大学信息科学与工程学院，中国长沙 410083)

随着我国进入老龄化社会，人口抚养比快速攀升，同时家庭呈现小型化趋势，这进一步加剧了对弱势群体的监护抚养难度.如何制定切实有效的方案，及时监控弱势群体行踪，关键时刻为其提供求救平台以降低搜救难度，显得现实而迫切.

目前，面向弱势群体的监护产品或服务分为两大类:

其一，远程健康监护类［1-5］.主要为重症患者提供远程医疗保健服务，侧重生理参数的采集和分析.数据传输方面以有线为主，部分产品辅以短距离无线传输技术，以允许患者进行小范围的运动.该类产品成本非常高，普通用户无法承受.

其二，追踪安全类［6-12］.通过定位功能追踪走失的老人和小孩的位置.各电信运行商目前都提供此项业务.主要采用网络定位，精度误差在50～350 m 之间，定位结果以短信的形式发送给用户.也可以购买定制的客户端，来提高定位精度.主要问题在于，首先，定位过程受运营商控制，用户必须额外支付功能费才能使用.其次，主控手机端接收到的定位结果是对位置信息的文字描述，既不准确也不直观.

本文主要针对第二类用户，为其提供低成本的解决方案.目标包括: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，在地图直观标注结果.

1 方案概述

系统结构由主控端和受控端组成，双方使用移动运营商的无线网络进行通信.受监护端由弱势群体用户持有，通过发送键发送求助信息到主控端.主控端由家长和监护人持有，既可被动接受和解释受控端的求助位置短信，也可主动对受控端的当前位置信息进行查询.同时主控端可对受控端相关参数(如汇报模式、汇报周期、安全区域大小等)进行远程设置.主控端需要实现控制指令发送、求助信息接收处理、地图标注等功能，计算量较大，对人机界面的要求较高.通常需要32 位以上的芯片，并配备高质量的显示屏.鉴于目前2G/3G 智能手机在中青年人群中普及率较高，作者采用基于当前主流的智能手机平台，从软件角度进行实现的方案.

受监护端实现方案分手机和单片机两种方式.前者基于智能手机平台，从软件角度加以实现.后者基于低成本单片机，采用专用客户端方式实现.系统的数据传输方式和编码协议等都保持一致，故两种版本的受监护端可以相互替换，甚至混合使用.本文主要关注后者.

2 受监护端(受控端)设计

2.1 受监护端(受控端)逻辑结构

受监护端结构如图1所示.MCU 与GPS 模块、GSM 模块采用串口通信方式，目前主流的GSM 模块多对外提供RS232 通信接口，可直接采用AT 指令进行数据、语音和短消息等操作.GPS 数据包的类型较多，本应用中，我们只需要对GPPMC 型数据包进行解析.

键盘和显示模块并不需要进行标准配置.受监护端的使用群体主要定位在弱势群体，过于复杂的人机接口，反而会增加使用难度.本方案实现时，作者使用SMS 方式从主控端对受监护端的相关参数进行配置，当然也可以经由数据线在PC 机上对受控端进行参数设置，因此键盘和显示屏就可以省略掉了.这里只需提供普通按键作为求助信息发送键，另外提供2 个不同颜色的LED，对系统状态进行提示.

2.2 受监护端(受控端)算法设计

受监护端初始化后，系统监听相关信号，并跳转到对应函数处理.主要包括GSM 数据到达、GPS 数据到达、用户求助按钮、定时器信号.各函数算法逻辑如下.

算法中的参数设置操作，主要用来设置主控端手机号码、汇报模式、汇报周期、安全区域半径等信息.采用多分支结构实现，受控端接收到参数设置指令后，跳转到相关分支.

图1 受监护端逻辑结构Fig.1 The monitored end design architecture

3 主控端设计与网络通信

3.1 主控端设计

主控端基于智能手机平台，直接从软件角度进行实现.因为在本应用中，主控端不需要对自身进行定位，故而对主控端是否包含GPS 模块不作严格要求，这在一定程度上可以降低成本并扩大使用范围.

主控端包括远程参数设置、主动查询、接收GPS 数据和地图标注等功能.

远程参数设计、主动查询等功能，需要采集用户输入数据，经编码、加密后发送到受控端进行处理.

接收GPS 数据和地图标注功能，主要完成数据接收，解密解码，并将结果在地图上标注，同时产生振铃等提醒动作.

3.2 主控端与受控端的通信

主控端和受监护端之间通信问题包括数据编码、数据安全、数据传输等方面内容.

传输数据包括:GPS 坐标数据汇报、设置指令及设置成功时的回复信息等指令.需进行合理编码，以便双方能正确解释接收到的数据.

移动终端IP 地址的具有动态性特点.若采用2.5G 和3G 等数据业务，需要引入第三方的服务器协助，方可完成移动终端间长期可靠的连接.这既增加了建设和使用成本，也限制了部署的灵活性和应用范围.为此我们采用短消息方式(SMS:Short Messaging Service)，实现移动终端间信息的直接传递［8］.

对位置坐标等数据进行恰当组织，可保证每次发送的信息远远少于SMS 协议中所规定的160 个字节限制，通过单条SMS 消息即可提取位置信息，即可行也简单方便.同时，不论是2G 网络还是后续的其他移动网络，SMS 业务都得到了很好的支持，网络覆盖程度高.

本应用情景中包含了位置坐标等隐私信息，为防止非法监听，需要对通信双方的身份进行验证，并对传输的数据进行加密.

4 方案实现与效果展示

4.1 测试方案

主控端采用软件方式进行实现，测试在3 台手机上进行:华为C8050 一台，中兴X876 两台，均为Android智能手机.手机账号分别为电信189 的3G 账号，中国联通156 账号，中国移动152 账号.后两者为普通GSM网络账号，开通GPRS 业务.

受监护端采用GSM 模块进行通信，所以上面提到的联通和移动号码均满足要求.将相应SIM 卡插入到受监护端的GSM 模块上的卡座即可.系统使用前需要进行参数配置.将主控端的手机号码作为参数配置到参与测试的所有受监控客户端，自动汇报模式状态下，受监护端的位置信息将发往此号码.同样，所有客户端的手机号码均需要作为参数配置到主控端，以便主控端发送查询指令、或者参数配置指令到特定受监护端.

如前所述，基于成本考虑，省去了受监护端的键盘和显示屏.可以使用SMS 方式从主控端对受监护端的相关参数进行配置，也可以经由数据线在PC 机上对受控端进行参数设置，除手机号码相关参数外，其他参数均可以使用预设值.

4.2 测试效果

系统主控端界面如图2A所示，用户初次使用时，先通过“本机参数设置”按钮进入参数设置界面，对受监护终端的手机号码等参数进行设定.用户单击“终端位置查询”可以主动查询远程终端的位置，远程终端终端收到查询指令后，将回复其自身的当前位置信息到主控端.主控端接收到信息后进行解码，并自动调用地图模块进行目标终端位置标注(如图2B)，同时该信息接收时间和经纬度信息也将添加到主控端的“历史记录”中，以方便用户随时调入到地图模块［13］中进行查看.

主控端也将自动监听远程终端求助信息.一旦求助信息到达，手机操作系统将自动启动主控端软件，并将求助信息转发给主控端.求助信息中包含位置信息，其编码规则与主动查询得到的回复信息基本类似.主控端处理该信息的流程也与处理主动查询结果的流程类似.

用户单击“远程参数设定”，可进入参数设定界面，根据需要远程修改受监护端的参数配置情况.

图2 (从A 到B):测试效果展示Fig.2 (A to B):Screenshot

5 成本和效用分析

当下社会的家庭结构中，大多包含老人及小孩多名，需要同时进行监护，故而受监护端将存在一个或者多个.弱势群体保管贵重物品的能力有限，终端成本过高，一旦遗失，损失较大.本方案主要从技术角度入手，通过降低硬件成本和使用成本，来控制总体成本.

本项目中，受监护端主要实现位置信息采集和发送功能.计算量较少，采用普通的8 位、16 位等低成本单片机，配备GPS 和GSM 模块满足要求.同时，由于本方案采用SMS 进行数据传输，市场上提供此类功能的低价位通信模块种类繁多，容易控制成本.

通过采用远程参数配置，将受监护端的参数配置功能转移到主控端，从而减少受监护端对显示屏和键盘等成本较高硬件的依赖.此类模块的移除，既降低了硬件成本，也减少了尺寸，有利于产品形态的开发.方案中简化了受监护端的操作方式，仅提供普通按键作为求助信息发送键，另外提供2 个不同颜色的LED，对系统状态进行提示.如3.2 节所述，移动终端IP 地址的动态性特点，使得2.5G 和3G 等数据业务在实现移动终端间通信时，存在建设成本、使用成本和灵活性等方面的不足.对于数据量不大、不需要长期保持连接的情况下，SMS 数据传输方式具备绝对优势.

主控和受控双方直接通信，不受运营商控制，不需要支付额外的月功能费.本方案中，提出了一个安全区域的概念，用户可设定中心坐标和区域半径.在此区域内，客户的坐标信息无需上报，可进一步减少通信成本.

假定两种方案的主控端用户使用相同终端，均为Android 智能手机，并使用离线地图数据.则在使用次数相同的情况下，两套方案的主控端费用基本一致.故在成本比较时，只需考虑受监护端.表1 列示了本文方案与运营商提供的追踪类业务的成本和性能对照信息.性能方面，本方案在定位精度、反馈结果的直观性和准确性方面具备绝对优势.成本方面，初始购置成本约为运营商方案的30%.本方案不需要月功能费，也没有使用次数的限制.运营商提供的定位追踪业务有多个套餐(不考虑促销、降价、区域差异等因素)，月功能费一般不低于10 元，且大多有次数限制.为方便比较，假定两种方案使用次数相同，且每月产生通信费均为10 元.则本方案每月使用成本仅为运营商方案的50%.

表1 受监护端成本和性能对比分析表Tab.1 Comparison of cost and performance

本课题另外还开发了纯软件的受监护端产品，其优势在于不需要另外准备专用硬件，适合与家庭成员已经拥有较多智能手机的场合.GPS 在室内无法使用，此时可使用基站定位和室内定位技术［14-15］.

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