一种低成本的弱势群体监护系统解决方案

张平

摘要 设计并实现了一种低成本的弱势群体监护系统方案.其中包括主控端和受监护端.主控端基于智能手机平台实现，受监护端基于单片机，双方使用各电信运营商的无线网络进行通信.本方案通过技术手段对受监护端进行成本控制，其初始购置成本和使用成本相对现有运营商方案，均具备优势.本方案中，主控端使用电子地图方式来标注受监护端位置信息，准确直观.

关键词GPS；远程定位；弱势群体；移动终端

中图分类号TP393文献标识码A文章编号10002537（2015）01009005

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[15].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[612].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.

//GSM数据到达

If （接收到GSM数据） {按照预定数据编码规则解释数据}

If（参数设置指令） {进行各类参数设置操作，实现参数的远程设定}

Else If （位置查询指令） {获取GPS坐标，通过SMS发送GPS数据到主控端}

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.

//GPS数据到达

If（GPS数据）

{处理GPS数据：提取GPS，更新GPS；

if（当前GPS坐标与HomeGPS坐标间距离大于安全区半径，如500米）

{//HomeGPS为预设的安全区域中心坐标

if（非自动汇报模式）{激活自动汇报模式，并设定汇报周期.}

发送当前位置坐标数据到主控端；

}

}

//定时器

if（自动汇报模式 && GPS记录非空） {通过SMS发送GPS数据到主控端}

//主动发送求助信息

If（GPS记录非空）{通过SMS发送GPS数据到主控端}

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

图2（从A到B）：测试效果展示

Fig.2（A to B）： Screenshot

（说明：依照相关法律，本文所有坐标均为处理后的数据）

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.

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%.

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.

//GSM数据到达

If （接收到GSM数据） {按照预定数据编码规则解释数据}

If（参数设置指令） {进行各类参数设置操作，实现参数的远程设定}

Else If （位置查询指令） {获取GPS坐标，通过SMS发送GPS数据到主控端}

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.

//GPS数据到达

If（GPS数据）

{处理GPS数据：提取GPS，更新GPS；

if（当前GPS坐标与HomeGPS坐标间距离大于安全区半径，如500米）

{//HomeGPS为预设的安全区域中心坐标

if（非自动汇报模式）{激活自动汇报模式，并设定汇报周期.}

发送当前位置坐标数据到主控端；

}

}

//定时器

if（自动汇报模式 && GPS记录非空） {通过SMS发送GPS数据到主控端}

//主动发送求助信息

If（GPS记录非空）{通过SMS发送GPS数据到主控端}

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

图2（从A到B）：测试效果展示

Fig.2（A to B）： Screenshot

（说明：依照相关法律，本文所有坐标均为处理后的数据）

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.

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%.

功能费月功能费，有使用次数限制。无

通信费短消息费用短消息费用（通过技术控制费用）

定位结果短信形式的位置描述信息。既不准确也不直观。即便是定制终端产生的高精度坐标，经转换后也可能存在此类描述误差。地图标注，准确直观

注：促销、降价、区域差异等因素均可能导致成本数据变动.

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[1415].

参考文献：

[1]LAI D， FANG Z. Realtime remote monitoring of outofhospital patients especially with high risk heart diseases[C]. //IEEE ICME， International Conference on Complex Medical Engineering， Beijing， May 2327， 2007：332335.

[2]WELCH J， GUILAK F， BAKER S. A wireless ECG smart sensor for broad application in life threatening event detection[C]. //IEEE/IEMBS， San Francisco， Sept.15， 2004：34473449.

[3]LIN J C. Applying telecommunication technology to healthcare delivery [J]. IEEE/EMB Mag， 1999，18（4）：2831.

[4]XIAO Y， GAGLIANO D， LAMONTE M， et al. Design and evaluation of a realtime mobile telemedicine system for ambulance transport [J]. J High Speed Networks， 2000，9（1）：4756.

[5]ROSS P. Managing care through the air： remote health monitoring [J]. IEEE Spectrum， 2004，41（12）：2631.

[6]李康，常力军.手机定位技术的AGPS解决方案[J].电信网技术， 2005（9）：3235.

[7]陈向东，朱亮.基于位置服务——移动数据业务新的增值点[J]. 移动通信， 2004（4）：5154.

[8]丁海玲.位置服务业务发展介绍[J].电信网技术， 2005（8）：3941.

[9]何燕，胡捍英.无线定位服务的发展现状[J].通信技术， 2006（S1）：179181.

[10]付晓，雷建设.3G系统中的定位技术[J].电信技术， 2005（8）：7678.

[11]唐毅，杨博雄.移动定位的基本原理及技术研究[J].电信工程技术与标准化， 2003（12）：5862.

[12]李蕾，于华楠，姜元清.浅析蜂窝定位技术及位置服务[J].东北电力学院学报， 2003（4）：2528.

[13]GOOGLE INC. Google Maps API[EB/OL].（20090403）[20110501].https：//developers.google.com/maps/documentation/.

[14]BAHL P， PADMANABHAN V N. RADAR： an inbuilding RFbased used location and tracking system[C]. INFOCOM 2000. Nineteenth Annual Joint Conference of the IEEE Computer and Communications Societies. Proceedings IEEE， 2000，2：775784.

[15]YOUSSEF M， AGRAWALA A. The horus location determination system[J].Wireless Networks， 2008，14（3）：357374.

（编辑胡文杰）