基于WCDMA与GPS公交监控系统研究

张连俊， 刘世杰

（①山东理工大学 计算机学院，山东 淄博 255049；②山东省淄博联通公司，山东 淄博 255000）

0 引言

近年来，随着公交事业的飞快发展，公交车辆运营的安全和管理也越来越被重视。但由于公交车上缺少相应的监控设备，传统的监控录像无法及时调取信息，因此起不到很好的监控作用，对公交车辆的安全性造成了严峻的考验。

WCDMA系统是宽带移动通信系统[1]，可实现公交监控系统对公交车辆行驶运营过程进行实时录像传输，从而达到对公交车辆内、外部情况及乘客动态进行监控保护的目的。基于 WCDMA与 GPS技术的公交视频监控系统设计，以WCDMA网络为支撑网络，GPS技术进行车辆定位，结合虚拟拨号局域网技术（VPDN，Virtual Private Dial－up Networks）组网，监控录像通过视频服务器处理，将监控图像随时传送到公交监控中心以及交通管理部门，实现多角度的实时记录车辆运营过程中的视频资料，进行监控、管理，有效预防和处置突发事件、紧急事件、保障工作人员及乘客的安全，能够起到车辆动态安防管理，帮助车辆管理单位达到对车辆更为高效的管理，提升政府及公交营运行业管理部门的管理能力及服务能力。

1 基于WCDMA与GPS公交监控系统原理

传统的公交视频监控系统只能把监控录像保存在公交车上的存储设备上，无法通过无线网络实时将录像发送到公交监控中心，原因是没有采用无线传输或利用通用分组无线服务（GPRS，General Packet Radio Service）网络传输速度达不到传输实时视频所要求的速度[2]。2009年1月7日，中国三家运营商开始运营无线传输速度更快的 3G网络，分别是联通的WCDMA网络，电信的CDMA2000网络，移动的TD-SCDMA网络。中国联通WCDMA网络支持下行14.4 Mb/s及上行 5.76 Mb/s，中国电信 CDMA2000网络支持下行 3.1 Mb/s及上行1.8 Mb/s，中国移动 TD-SCDMA网络支持下行2.8 Mb/s及上行384 kb/s的速度。对于公交监控系统来说，要求每辆车要有多路监控摄像头，因此对上传速率有较高要求[3]，所以选择上行速率较高技术比较成熟的WCDMA 技术。

选择WCDMA技术可解决无线视频实时监控的问题，但由于公交监控系统的上传流量会占用运营商无线带宽，影响其他用户的上网，同时数据流量资费也比较贵。以联通公司现有省内 3G流量包资费为例，80元可以包省内流量3 GB，超出之后0.1元/MB。如果一直开放视频监控，一辆车一天就至少10 GB的流量，会产生几百元的流量费用，如此高额的流量资费对于公交公司来说肯定难以接受。同时公交监控中心显示屏也有限，不可能对每一辆车进行监控，因此应对视频监控系统数据传世需要重新优化设计。

1）通过WCDMA制式的3G无线传输模块实现视频数据的实时回传，并采用 VPDN组网技术。VPDN技术是指利用拨号客户端接入ISP的VPN解决方案，是一种“按需连接”的VPN。即在有必要时上传图像，在平时存储即可，可以节省用户的专线租用费用。同时移动VPDN的安全技术包括隧道技术，加解密技术，密钥管理技术和身份认证技术，为网络提供基本的安全服务。

2）传输视频是采用网络视频服务器（DVS，Digital Video Server)技术，DVS也叫数字视频编码器是一种压缩、处理音视频数据的专业网络传输设备[4]，由音视频压缩编解码器芯片、输入输出通道、网络接口、音视频接口、RS485串行接口控制、协议接口控制、系统软件管理等构成，主要是提供视频压缩或解压功能，完成图象数据的采集或复原等。

2 公交无线视频监控系统设计

基于WCDMA网络的公交视频监控系统设计，以WCDMA网络为支撑网络，结合VPDN虚拟拨号局域网技术进行组网，将公交监控图像实时传送到公交监控中心以及交通管理部门。整个监控系统是架构由4部分组成：车载终端、传输网络、监控中心和系统外联（见图1）。

车载终端是系统的信息采集发送节点，车内安装摄像机、拾音器、紧急报警按钮、车载GPS终端分别作为视频图像、音频数据、紧急报警信息和车辆定位信息的采集设备，它们与车内车载无线DVS相连，经过车载无线DVS的处理之后，由车载无线DVS自带的3G通信模块发送经WCDMA网络到监控中心。

图1 系统设计方案

为节省传输成本，传输网络包含 3G移动通信传输链路和无线网专用传输链路两部分，有 WIFI网络的地方通过 WIFI无线网送入监控中心实时监控，无WIFI网络的地方通过WCDMA基站接收到来自前端公交车的数据信息之后，经 3G网关送入固网专线，供监控中心使用。

监控中心主要是执行日常监控、公交调度、应急指挥的场所。内部署视频监控综合管理平台，包括数据库服务模块、管理服务模块、接入服务模块、报警服务模块、流媒体服务模块、存储管理服务模块、Web服务模块等等，它们共同形成数据运算处理中心，完成各种数据信息的交互，集管理、交换、处理、存储和转发于一体，是视频监控系统能稳定、可靠、安全运行的先决条件。

系统外联是通过IP技术手段、开放式平台架构实现数据信息的资源共享，能将本系统的监控资源供市应急指挥中心、公安局等其它政府部门调度使用，进而将公交视频监控系统纳入到城市整体防控体系中，为未来实现城市综合应急预案体系提供技术资源储备。

2.1 WCDMA传输系统

WCDMA传输系统实现视频监控、位置信息、远程监控信息及报警信息的传输；传输系统选择以VPDN方式为接入方式，有效的保证了系统的安全性，并且控制了流量成本。

移动VPDN的安全技术包括隧道技术，加解密技术，密钥管理技术和身份认证技术，为网络提供基本的安全服务。相对原来GSM的拨号方式的电路交换数据传送方式，基于WCDMA的VPDN是分组交换技术，具有“终端实时在线”、“按流量计费”、“便捷登录”、“高速率传输”等优点。

对传输系统的硬件进行了设计，采用 SIM5320 3G模块。SIM5320支持1.8 V和3 V的USIM卡。图2为SIM5320 3G模块电路。电路中33 pf和 100 nf 可以分别滤除干扰和稳定SIM卡电压；22 RΩ电阻可以改善波形质量，增强EMC性能；由于经常触摸到 SIM 卡座，ESD保护就显得格外重要，增加TVS保护SIM卡接口。

图2 SIM卡电路

2.2 车载终端系统

车载终端由车载主机（主板，3G无线模块，音视频处理芯片，存储设备、GPS定位系统等）、嵌入式摄像机、驾驶员报警按钮和液晶显示屏组成。实现每台公交车4路监控、音频信号的实时录像，通过3G网络，将实时图像按需传输到监控中心。同时，接受司机人工触发的紧急报警信号，在指定监控中心的屏幕或GIS电子地图上弹出图像，同时，弹出报警处理预案、照片抓拍及合成的过程处理记录表格，可直接打印输出。设计构架如图3所示。

图3 车载终端系统示意

车载视频监控及存储系统：在公交车上安装2～4个摄像头，分别是车前、前门、车厢内、后门，分别关注车辆行驶情况、乘客上车情况和车厢内乘客情况、后门乘客情况，在车载硬盘录像机具有采集、压缩和本地存储能力。考虑到车上监控场景的特殊性，比如上、下车门位置距离摄像机很近 ，用小尺幅的画面即可清晰记录；而车厢内相对场景较大，需要大尺幅画面记录更多信息，达到预期画面效果，可以有效解决存储时间、存储空间与事后查看的矛盾，使系统更具高效性、实用性。

车载视频服务器(DVS，Digital Video Server)网络视频服务器，是一种压缩、处理音视频数据的专业网络传输设备，由音视频压缩编解码器芯片、输入输出通道、网络接口、音视频接口、RS485串行接口控制、协议接口控制、系统软件管理等构成，主要是提供视频压缩或解压功能，完成图像数据的采集或复原等，目前比较流行的基于 MPEG-4或H.264的图像数据压缩网络传输数据以及音频数据的处理。

无线传输系统：通过WCDMA制式3G无线传输模块实现视频数据的实时回传，同时采用VPDN组网技术。VPDN技术是指利用拨号客户端接入ISP的VPN解决方案，是一种“按需连接”的VPN，可以节省用户的专线租用费用。同时可以通过Web方式访问监控系统，支持远程登录3G监控，进行视频监控、安防设备状态查询和设置等操作。在车站附近可通过专用的WIFI传输信息节省传输成本。

2.3 公交无线视频监控系统功能

车载视频监控可以对车载终端的工作状态进行自动监测[5]，当车载终端出现故障或异常时，监控中心将立即产生报警提示。GPS定位系统设计实现车辆进行定位[6]，用户GPS接收机3部分组成，集成在车载终端中。车载智能监控主机和GPS终端[7]可通过RS232/RS485等接口进行数据交互，通过这些数据交换可节约硬件产品投资，构建一个覆盖GPS定位、行车记录和视频监控的完整监控体系。

基于WCDMA公交车辆监控系统车载视频服务器，把摄像机采集到的图像，再通过H.264视频压缩算法、流媒体视频处理技术压缩为IP数据包。无线视频采集传输部分的设备加电后，视频服务器内的 3G模块拨号上网，通过无线 WCDMA网络和Internet，建立与监控中心计算机视频管理服务器的链接。监控中心或用户计算机通过客户端软件登录监控中心计算机视频管理服务器，点击某一路视频时，通过监控中心计算机视频管理服务器向前端视频服务器或硬盘录像机发送视频请求，视频服务器或硬盘录像机接收到该请求后向监控中心计算机视频管理服务器发送视频流并转发给发出请求的计算机，通过客户端软件用户就可以监控前端现场的实时视频、进行双向语音通信。

目前WCDMA单基站最大支持30台车同时接入，超过这个数量会导致网络堵塞，其他车辆无法正常接入WCDMA网络，势必造成需要的视频无法传输回中心；为了避免这个问题这里的主机采用短信激活、GPS终端激活、报警激活等多种3G模块上下线工作模式，主机平时可不占用无线网络资源，需要传输视频图像时再去激活模块进行无线拨号，长时间不浏览视频图像，模块自动下线；这样的工作模式可保持WCDMA网络畅通，同时也节约了运营商流量费用开支。由于系统终端平时不占用运营商的网络资源可以和运营商协商最经济的计费方式。

系统还可与公交 IC卡系统互联，以及与现有GPS系统的替换、自动报站系统整合、车载广告发布系统等。监控指挥调度中心可通过WCDMA向智能车载终端发布公众信息、广告信息；车载终端接收到监控指挥调度中心发布的信息后，将信息发布到车载LED屏或多媒体电视上；同时开放平台提供对外接口，可与市应急指挥中心对接，实现资源共享。

3 结语

利用GPS系统与WCDMA系统设计了公交车辆监控系统并予以实现。利用WCDMA网络进行视频数据传输，当公交车出现紧急情况时监控中心可以随时调取公交车视频，并通过GPS定位系统对公交车进行实时定位，可以在第一时间给出应急措施。由于 WCDMA实时传输的费用高昂，设计中采用VPDN技术接入方式，当发生紧急情况和需要了解时才进行监控视频传输，正常状态下不进行传输，有效的解决了无线传输成本压力。

[1] 王禹峰.3G标准的分析与发展[J].信息安全与通信保密,2007(09):102-103.

[2] 王晴婉,宋家友.基于GPS-GPRS车辆监控系统设计与实现[J].通信技术,2009,42(09):121-123.

[3] 胡逸凡.基于WCDMA多路视频监控系统的设计与实现[J].数字通信世界,2011(11):66-68.

[4] 张菁.基于AT2042的网络视频服务器的设计与实现[J].安防科技,2007(02):32-45.

[5] 陈财浩.基于Windows CE的汽车行驶记录仪的设计[J].电脑知识与技术,2010,06(24):89-94.

[6] 张兆宇,张秀峰.GPS车辆监控系统的安全控制[J].信息安全与通信保密,2008(09):66-68.

[7] 陆文昌,毕世高.车辆监控系统中车载GPS定位终端的设计[J].通信技术,2010,43(07):201-203.