应急智能手机终端的设计及实现

胡自健　重庆邮电大学硕士研究生蒋子泉　中国信息通信研究院西部分院工程师

应急智能手机终端的设计及实现

胡自健重庆邮电大学硕士研究生
蒋子泉中国信息通信研究院西部分院工程师

为解决在复杂灾难场景下公众应急信息的接收问题，本课题通过对传统智能手机进行硬件天线改造及软件设计，实现了一种应急接收终端。该类型终端可在复杂灾难场景特别是蜂窝网络瘫痪的情况下，实时接收FM广播网发送的应急FM语音和RDS（RadioDataSystem，广播数据系统）文本消息，并向人群预警，从而弥补在公网瘫痪下公众人群的应急信息实时接收的缺失。

公众应急；RDS；智能终端

1　引言

当应急情况发生时，应急指挥人员需要通过各种有效的手段，将灾难情况、救援信息等传递到公众手中。当前，我国主要通过电视广播网、蜂窝通信网和卫星通信网发送应急消息给公众。其中，电视广播网依靠有线传播，对灾难的抗毁性较差；蜂窝通信网，在灾难发生时常常会因业务量激增和通信基站倒塌造成应急通信系统的瘫痪；卫星通信网，则因为其带宽受限和成本较高，并未能普及。

针对上述问题，本文描述了一种基于调频FM广播以及RDS（RadioDataSystem，广播数据系统）技术的应急信息接收终端，该类型终端设计原型为普通智能手机，信息途径可直接依托现有公众FM广播网络，具有携带率高，覆盖人群广泛、建设成本低、系统抗毁性强以及可快速应用等优势。

2　技术原理及系统架构

（1）技术原理

在国内，通常利用FM调频广播的主载波承载语音信号实现播放语音信息，但在FM广播技术中，其副载波部分可用来传输数字信号，即RDS（Radio Data System，广播数据系统）技术。其工作原理是采用调频广播导频信号频率19kHz的3倍作为副载波，构成RDS信道，与原有的语音信号的主信道、副信道导频共同构成RDS数字信息的语音调制基带信号，再对其高频主载波调频。其编码传输速率为每包104bit/s，每秒可传输11.4个数据包。

在RDS标准技术规范中，RDS已定义了12组型，其中2组型广播文本信息。2组型码为00010或00011，即A版本和B版本格式，区别在于块3上，后者插入了PI码（见表1）。

表1　RDS两种版本编码结构的区别

块2最后4位的地址码用于块3（只限A版本）和块4中消息文本段的定位，由于A版本的一个文本段含4个单字节字符，所以用A版本可以传送长达32个双字节或64个单字节字符的文本消息。而B版本每个文本段只含2个单字节字符，只能传送16个双字节或32个单字节字符文本消息。

本文正是利用RDS技术中2A组型码作为应急消息的载体发送数字文本信息，并利用数字信息激励触发手机终端产生相应预警。

（2）终端所在的应急通信系统架构

终端手机所在的应急通信系统由信息发布平台、信息传输平台以及信息接收平台3部分组成。系统中应急信息以SMS短信和RDS信息两种独立方式作为信息载体，信息在发布平台编辑完成并加密后发送；可由传统蜂窝网络或FM广播网发射传输；在智能手机接收端通过通信模组与集成的FM接收芯片接收应急信息，还原原始报文信息，触发手机预警、内容显示、呼叫转发等应急业务功能。应急通信系统结构如图1所示。

图1　应急通信系统结构图

传统的手机作为应急信息接收端的不足主要在于，其对传统蜂窝网络依赖过强，在复杂灾难场景下，传统蜂窝网络经常会由于基站受损与网络拥塞而失效。FM广播设施在复杂灾难场景下具有抗毁能力强和恢复能力强的特点，所以通过在发送端将结合两种方式，使得所研究设计的智能终端在保证原有SMS通信能力的基础上，同时具备通过FM调频广播接收应急短信的功能，从而提高系统的抗毁性、人群接收的覆盖性以及紧急信息接收的实时性。

3　应急终端设计与实现

终端设计分为消息接收模块、消息处理模块和用户交互模块3部分。消息接收模块，添加内置天线和软件设计，使其具备硬件接收和软件获取FM-RDS的能力；消息处理模块，通信协议和信息存储；用户交互模块，主要为信息展示和报警提醒。

3.1消息接收模块

（1）内置天线

由于FM调频广播的频段特点，其频率范围为76～108MHz，根据1/4波长计算，其理想的天线长度应为67～82cm。智能手机采用耳机作为天线接收FM，但该方式限制了智能手机终端在日常使用状态下接收FM信号，进而影响了实时接收应急信息的业务逻辑要求。

但随着内置天线工艺技术的发展，可采用FPC、LDS工艺等的小型化天线直接内置在手机内部，从而解决了人们在日常的使用过程中不会携带FM天线的弊端，使得日常使用的手机就可以作为实时应急信息的接收设备，解决了实时接收人群覆盖率有限、信息接收设备的真实使用率低的问题。本次设计采用FPC内置天线，实现手机对FM信息的接收。

（2）SMS短信息获取

短信可作为在公网正常工作下信息传输的主要载体。Android系统提供了广播机制，当手机的系统状态改变时，会向注册过系统广播的应用发送广播提示，软件应用即通过可事先定义的广播接收器获知该广播，并提取出广播中的详细信息。SMS短信息的获取利用了上述方式，在第一次运行时，进行短信广播的注册以及实现短信广播接收器，并在接收器内部进行信息处理。SMS信息获取流程如图2所示。

图2　SMS信息获取流程图

（3）RDS信息获取

在复杂或特大灾难下，由于公网设施损坏或拥塞，可使用FM-RDS方式发送应急文本信息提示用户预警。不同于传统上层软件API调用方式，Android系统对于FM接口未能提供统一的API接口使直接调用，进行FM芯片的初始化和FM芯片RDS信息的读取，需要本地接口进行连接。通过将事先编写好的JNI方法打包成库文件，在应用开启时，动态加载库文件，实现上层应用对FM芯片的控制和信息读取。

应用启动时，开启Service并调用JNI方法进行FM芯片的初始化。初始化完成后，开启线程每隔100ms进行RDS信息标志位读取，当发现标志位不为0，则进行RDS的读取和处理。RDS信息获取流程如图3所示。

图3　RDS信息获取流程图

3.2信息处理模块

（1）数据协议

由于RDS的基本结构中最大的单元为组（104位），每个组中包含4个块（26位），每个块中包含16位信息字和10位校验字，2A组有效载荷为32个双字节或64个单字节，长度有限，将其直接用于应急通信中，会导致信息量不足的缺陷。

本终端的数据通信协议是对RDS协议中的载荷部分，进一步编码，即在发送端在每组信息载荷中加入分段信息，在接收端用分段信息进行正文的定位和重组，从而实现一次较大信息量的完整接收。

接收端接收的每一组完整信息载荷，包含信息等级、段数信息和正文3部分（见图4）。信息等级，用于对信息的紧急程度进行数字划分，对于不同等级的信息，采用不同的报警方式，提高预警的效果。段数信息，用于信息正文的定位和重组。

图4　RDS应急信息块

（2）信息存储

为了实现应急信息在本地的保存与条件检索功能。本次设计采用的Android系统内置的SQLite数据库，其轻量级的优点，完全满足本次设计的需求。根据数据特点，设计数据存储表结构如表2所示。

表2　数据存储表

3.3用户交互模块

（1）界面交互

用户交互模块处理终端与用户之间的交互，具体实现两个功能，一是定义用户界面，二是响应用户的操作。用户界面包含主界面、应急信息查看界面、应急语音收听界面、应急小知识查看界面，具体对应参见表3。

（2）声光报警

本次设计主要通过震动、铃声、闪光灯3种方式向用户预警。报警的形式取决于信息等级：等级I，系统普通铃声；等级Ⅱ，短暂报警铃声，指示灯闪烁；等级Ⅲ，持续报警铃声和震动。

3.4终端实现

依据上述设计，对应具体实现，包含硬件设计和软件设计两部分。图5、6、7为关键代码段截图和软件运行图。

表3　用户交互对应表

图5　应急信息获取关键代码图

图6　信息处理及保存关键代码图

图7　软件运行图

4　测试

基于上述设计具体实现后，进行实际的外场测试，在测试过程中为重点模拟当公网瘫痪下的基于RDS技术的应急信息接收，将手机终端设置为飞行模式，详细测试条件参见表4。

表4　测试条件表

终端实物图如图8所示。

基于上述的真实外场测试条件，内置FPC接收天线的智能手机终端的有效语音接收距离为3～4km，RDS应急文本信息的接收范围为1～1.5km，即可实现该覆盖范围内的应急语音与文本信息的覆盖，且在该有效接收范围内RDS应急文本信息的接收时延如表5所示。

由测试数据可知：在室外环境下，在有效通信范围内，RDS应急信息的接收效率是可靠并且实时的，可以满足应急场景的通信要求。

图8　终端实物图

表5　RDS文本接收时延迟

5　结束语

本文阐述了一种应急通信终端。通过对普通智能手机终端的软件APP程序设计与硬件内置天线设计，实现了复杂灾难场景下特别是在公网瘫痪下公众对于应急信息的接收。为我国应急通信技术发展提供了一种有效的解决方案。

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中兴服务业务规模增长20%创历史新高

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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）