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1、口?!#%&!?&%(%?)+?!,%.%/01 1%?)+?!,%.基于移动终端的应急现场信息采集和定位模块设计与实现2李建林谢东亮摘要随着突发事件的日益 复杂以及信 息通 信 新技术的快速 发展,传 统应急通信 系统已较难满足对 突发事件的准确预防和快速反应,尤其 难以满足 对应急现场信 息 实时采集的 需求。为此,本文提出了一种新型 的对应急现场信 息进行 实时采集和 对救援人 员进行跟 踪定位的设计方案,并重 点对其中的 无线传感器网络和移动&(设计方案进 行阐述。最后,设 计并实现了基于移动终端的现场信息采集和定位模块,验证了该方案的应用可行 性。关键词应急通信无线传感器网络移动&(
2、1引言传 统的应急通信在 完成战 备通信保 障、抢 险救灾等许多 重大事件 中,都发挥了不可替 代的作用,其 中大多是以固定通信网3 4?(%5、卫星通信以及集群通信为主。但 是,我国传统的应 急通信 指挥 系统大多仍是以解决各 部 门之间 的统一指 挥调度 为主,尚未 充分考虑对 应 急现场信 息的实时采 集以及对救援人员 的跟踪定位。宽带通信技 术、无线移动技术、无线传感器 网络技 术的发展,尤其是便携 移动终端的 出现,为应急通信指挥调度技 术带来了新的机遇,如多媒体视频通信、精确目标定位与智能环境感 知、监控 等。本文提 出的一个新 的应 急现 场信息 采集和定 位的设计 方 案是以无
3、线传 感器 网络为应急 现场 信 息采的位置相关信息并获得在步骤36 5中存储的?信息。377 5 盯向应急 中心爪(4返回初 始 位置信息或不断更新的位置信息,8可以在 步骤39 5中的定位请求 前或请求后向应急 中心或4(4发送 初始位置信息。31:5紧急呼 叫被释放。31;5&#(核心 网通知 盯紧急会话结束,盯删除存储的相关位置信息记录。广泛,涉及问题较 多,基于&#(技术的紧急通信还有许多问题需要解 决,&#(技术紧急通信研究任重道远。参考文献;44?(:;01=0?,;/4 4 4/?7(4 /4(4&4#7 37=5(3&#(5 结束语当前,&#(技术越来越成熟,&#(标准工作也
4、逐步完善,基于&#(技 术的紧急通信已经成为当前的一个研究热点。由于基于&#(技术的紧急通信包含的内容:;44?:;0=070,;/4 77 4 4/?7(4/4(4 4/73&45&4#7 (3&#(5 /37 =5收稿日期:=一1一16李建林北京 邮电大学网络与交换技术国家重点实验室硕士谢东亮北京邮电大学网络与交换技术国家重点实验室副教授,博士0发 改委!%&项目基于!%&的应急联动系统和应用试验网络技术电信网技术:=年1 1月第1 1期口集 的基础,负责 检测感知 对象的详 细信息,以具有4(爪几%通信功能 的移 动终端 为载体,通过移 动终 端 的有目的地 移 动解决静态传感 器 网络
5、存在的 固有问题,通过其通信功 能完成网络节点与 远程 服务器的通信,以移 动7 为支撑,搭 建 应急 现 场信息 采集和定位 系统。时,移动性对于网络拓 扑结构也有 积极 的影 响。具有移动 的网络体系具有 时延 小、传输可靠、覆盖广泛、自组织、传输透 明、负载均 衡和能量 节省等许多优点。在二维空间下,随机分 布的个传感器节点的传感器网络 中存在个(7 节点,可以使能 量节省的 7气:基于)(%的应急现场信息采集系统无 线传感器网络 3)(%,)7(/%/5是 由部署 在检 测区域 内大冗余、低 成本、简单 的传感器节 点,通过无 线通信方 式形 成 的一个 多跳的自组织的网络系 统,其目
6、的是协作地感知、采 集和处 理网络覆盖区域 中感 知对象的信息,并 发送给观察 者。)(%是应 急联 动 系统密 不可分的基础信息 采集环境。)(%中,分布在整个网络区域 中大量的网络节点能 够互 相协 助地 自组织 组网,并完 成实 时检测、感知和采 集 分布区域 内的各种环境或 检 测对 象信息 的各项 功能。同时,每个节 点可以通过传感器的通信单元,以“多跳”的路 由方 式 发送 自身获 取 的信息,也可以对 自身信息 进行 简 单 的处 理以及 转 发来 自其他 节点 的信息,从而使目标 对象详尽而准确地通 告(7 将信息传送 给需要这些信息的用户。同样,用户也可以通过(实现任务 管理
7、 节点3即用户5与网络 节点 之间 的通信,以同样 的方式将命令 等信 息以逐 跳转 发 的方式发送 到各个网络节点。传统的)(%一般基于静止 。研究表明,在这种结构 下,经过大范围随机 部属的传感 器节 点形成 的静态传感 器网络,存 在 着 一 些特有并 难以解 决的缺陷节点 能量 损耗不 平均,容 易产生路 由空洞、覆盖空洞和瓶颈 节点等问题,数 据传输效率低,静 态 节点位置不佳,传感 器网络 部署不灵 活,无法 处理坏节点,电量 不足等 问题3见图7 5。如图 7 所示,随着 的移动,原覆盖空洞问题、原 瓶 颈节 点问题 都得 到彻 底解 决或缓 解,整个网络的负载随之均衡,网络 的
8、生命周期得 到延长。在传统)(%中,加人 移动(而形 成 的)(%3#/7一 7)7(/%/5,为 静态网络提供一 种通过 控制(移动来解决缺陷的方法。移动性延长了 网络的生命期,增加了可靠性,实现了一定 条件下的低时延,将会带来安全和定位方面的便利。同覆孟瓶预!(&%+气犷点数据于图1动态 示愈圈通过%对复杂环境和突发事 件的高效精确信息感 知能力,建设基于)(%的新一代应急现场信息 采集结 构,一 方面 可以实现对突发 灾难性环境 事件的精 确监 测。另一 方面,可以快速地将现场 动态信息与应急联 动综合数据库和模型库的各类信息融合,形成较 为完 备 的事件态 势 图,对 突发性 事件的发
9、展趋 势进 行动态 预测,进而为 辅 助决 策 提供 科 学依据,提 高现有应急的能力,最 大程度 地预 防和减少突 发公共 事件及其 造成的损害。基于)(%的应 急现 场采 集 系统3见 图:5 将主要 由异构多模 的)(%节点 自组织构成。应用于应 急通信 系统下传感 器网,利用协 同工作的传感 器节点 收集突发事件的相 关信 息,如温 度、压力、湿度、化 学品气体、声音、振动等,能 够快速、灵 活、精 确地 感知某一复杂环境 或事件信 息。同时,本系统通过移 动终端 将无线传感 器网络 采集的现场信息传输回后台服务器,其优 势不仅 在于异构链 路可以提 高网络数 据传 输 效率、传输可靠
10、性,其 能量异构 性也将 提 高网络的生命周 期以及网络的健 壮 性,具 备了4(定 位和4(用几%通 信能力 的多模 移 动信息采集 终端也可以提供全网的节点定 位和救援 人员 的实时定 位跟踪。;基于移动7 的救 援人员定位系统地 理信息系统37,/叩 7&/5是利用地理 信息 技术,将地 理环境组 成要素 与其口?!#%&!?&%(%?)+?!,%.%/01 1%?下四+?!,%.相互 关 系映射到信息空间,为政 府和 企业 的管 理、决策及市民社会生活提供空间信 息 服务。电子地图是7 的基础资源,数据按不同属性分成若干图层,如道路 层、水 域层,图层又分成 若干 图元,如某某道 路,
11、图元 为地图数据 的基本 实体,由空间数据和属性组成,空间数据即为经纬 度信息,属性 为其标 注 内容,如名字、类型等。址,并据此 分别从空 间数据和属性 文件 中读取 电子 地图数据。3:5 地图引擎模块可以根据用 户的操作,进行 逻辑处理,并 对空间数 据进行 投影转换、等比例缩放、坐标 转换等操作。3;5人机交互模块可以监测用户操作,通知地图引擎模块进行进一步处理,并将处理结果呈现给用户。3?5通信 模块主 要完 成 系 统 与服 务器、4(接收器的通信功能。?基于移动终端的应 急现场信息采集和定位系统实现图:)(%现场信息采集系统示愈图7 是应急通信 系统 的主要基础资源,借助于电子地
12、图,可以实现 人员、事 件的准确 定位和对 突 发 事件的快速应急处 置。7 具有地理信息 数据分层显 示、地图缩 放和漫游、信息查询 等功能。由于直接 依托 电子地 图,非 常直观,作 为重大应 急事件的指挥、决策 提供了重要 的工具,达到了电子沙盘的效果。某 些突发事件 现场的紧急、恶劣等 特性,使得 基于4!的传统7 系统无法胜 任对应急现场信息的实时采集和对救援 人员跟踪定位的要求。随着便携 移动终 端 的出现,运算能 力 的提高,使 基于移动 终端 的移动7 成为可能。移动7 不仅可以完成传统7 的缩 放、平 移等操 作,而且可以为终端 提供直 观、及时的位置服务。为此,本文参考传统
13、7 架构,结 合移动终端的特性,设计了如图;所示的移 动7 系统结 构。该系统主要分为?大部分3&5 数据读 取模块可以根据地图引擎模块中逻辑处理的结 果,从 索引 文件 中读取相应图元的偏 移地本项目采用安 装有目前 占据 绝大 多数 市场的(6的智 能终端%/13:#,主频,(#内存,&存储卡5作为移动终端,进行实际验证。验证使用的异构 无线 传感器 网络 节点 为!/产品#&!节点,各 节 点 间通 过:1罗进行通信,而%/1暂时不具备 传输功能,故而采用(数据线 直接 连接到!/的另一款产品(进行数据 转发的 方 案。(支 持 基于?(的无线传感 器网络,采用嵌人式 系统,支持4!#!
14、认插槽,配置(接口。在(上进 行简单编程,即可实现(接口和#7#/插 槽之间的数据转发。选用 (+:0:作为开发工具。圈;移动7 系统方案网络技术电信网技术5:=年1 1月第1 1期口对图;的系统 方 案 进 行修改 后得 到 图?所示方案3加重颜色部 分为新 添加功能 实体5。3:5无线传感 器网络监测数据的存取功能#(虽 然并不适合海 量空间数 据的读 取,但其4&却为少量数据的临 时存储提 供了便 利,所以本系统 采用(6提供的#(完成 无线 传感 器监测数据的存取 操作。数据 表格 采用记录&和记录内容两种格式。该格式 充分考虑了移动终端!4处理速度、内存等限制,同时满足了数据完整性要
15、求。针对查询内 容和查询结果,分别 设计 实 现两个 表格,其 结 构关 系如图6所示。%图?支持 通信移动7 结构示愈图?0,数据读取模 块设计 与实现该模 块主要完成空间 数据 读 取 功能和无线 传 感器网络检测数据存取功能。37 5空间数据的读取功 能数据读 取模块是该系统的关 键部分,其 执行速度直接影响着 定位的效果。据测试,数据 读取 所花费的时 间占整个系统运行时 间的一 半以上。由于(7 手 机 端 的#(3#(5无 法支持海 量空间数据的快速 读取要求,所以本 系统以为空间数 据文件和属性文件 创建 二级文件 索 引 的方法来 满足移 动7 对数据 读取速度的要求。该 模块
16、 按照二 阶段法读取电子地图数据首先,按照地图引 擎的要求,从索 引文件 中读取 与3图层&,图元&5序 偶相对应 的图元 偏移地址,并 据此从空间数 据文件和属性文件 中读取电子地图数 据。其伪代码如下?/7 3?7&,?/&5_如果7 3 1,/&,/#,/5成功护 如果读 取空间数 据偏移地址成功,则读取空间数据和属性数据。#4 3/#叩 5 刀读 取空间数 据 3/5 读 取属性 数据图6#(中的表格存 取 无线 传 感器网络 数据的操 作,完全封 装在!)(%类 中,该类 提 供有 数 据 库 打开、关闭,表格 的创 建、修改以及记录 的增、删、读 方法。?0:数据处理模块 的设计
17、与实现该模块 为本 系统的核心模 块,分 为地图引擎模块3逻辑处 理、空间投影转换5和数据解析模块。37 5地图引擎模块地图主要是响应 用户缩放、漫 游、定 位、导 航等操作,确定待显示的图元&,并调用数据读取 模块读 取电子 地图数 据,进而进 行空间投影转换运算,并 通 知人机交互 模块进行显示。0逻辑处理主要在 内存 中完成 数据的边界值的比较,并据此确定 待显示区域所需 读取的图元&的最 小集合,用减小读取图元数量的办法提高系统性能。0空间投 影转 换主要完成空间数 据和4(定 位数 据从空间坐标系到平面 坐标 系再到 屏幕坐标系的投影转 换及其 逆过程。分 析 当前 常用的投 影 算
18、法优劣,结 合项目应用,本 系统 采用 墨卡 托3#/5投影算法。该算 法利用“等 角正切圆柱 投影”思想,其优 点是在地图上保持 方 向和角 度的正确,缺点 是在地图长度和面积上有比较明显 的变形,但是其算法 简单、时口?!#%&!?&%(%?)+?!,%.%/01 1%?&、咐 +?!,%.间和 空间复杂 度小等优势,以及小面积地 图显 示等实际情况,使其缺点完全可以忽略不计。3:5数据 解析数据解 析主要是 完成对下发给#/的指令 串以及从#/接收到 的数据进 行编 解码,使 无线传感器网络与移 动终端之 间可以自由通信。根据!/公司#&!节 点 的说明可知,节点间的基本通信单位 为?(
19、#(。它还支持节 点与(的信息交互,因此本 系统以?(#(的格式对用户指令进 行 编码,通过(连接 线将其传递到(,(负责转 发指令 到#&!节点。节点收集 到 的数据 也以?(#(的格式 发送 到(,再经由(连 接线提交 到移 动终端 的解析模块,解析模 块将收 到的数 据解 析成 记录格 式存 放到#(文件 中。?0;通信和人机交互模块的设计 与实现通信模 块主要是对 获 取终 端位置和感知对 象信息、下载电子地图更新 数 据、上传感 知对象 信 息 等功能进行封 装。数据处理 模块 直接调用通信模 块,而不必考虑其 内部 实现机制。人 机交互 模块主要 负 责监测用户 操作,显示运算的结
20、果。在实 现过程 中,本 系统 采用了双缓存技术,成功地解决了地图显示过程 中出现的闪烁现象。系统显示结果如图所示。传感器网络 的覆盖空 洞、瓶颈节 点等固有问题而引人部署有移 动7 的多模移 动终 端作为移 动(节点,通过 控制移 动(在应急现场 按照一定策 略 的移 动充分 获取 由无 线传感器网络感知的精确信息,并通过多模移 动终端将感知 数据传回服务器,与其 它数据进行信 息融 合,为辅 助决 策提 供科 学依 据,进一步 提高了准确预防和快速反映 的能力。其 中的移动7,除去可以完成 对救 助人员的跟 踪定 位外,还可以为 移动 的有目的的移动提供了最佳路线。今后将在继续完 善移动终
21、端 功能 的基 础上,重点在无线传感器 网络信息采集能力、移 动终端之间互相通信、视频监控 等方面进行进一步优化。参考文献圈 7?/7/!/,:?0?!:?一8 7 70:?&?气3=56:?一6:9:(/4 0/此0?0#/0./!/0(一,+,!/们 /(/#/7 )7(/%。那/&,!/?/7/,?&/7!/,1:一1?8 0:=,375?6一?6 6;0 0 0/#747一 /%/,?0 40(!一!(0?刁?一 1;,(!,7:?0?,/0+,)0,00%0?4/,)0几 /7 /&(/(4 /(3(501?一1=%/0:,(0?0 /湘7 /7 47/7 /0 7/7?7/们。/!/,:;0?!#;0&?6#叨/,80乙口 7 ,#7 7/04(/(/?7%/!/”/,(4?/7/,:3 5&1 7!/0:一;(40:3 50;为了满足应急 现场信 息实时采集和定位的要求,本文提出了基于移 动终 端的应急 现场信 息采 集和定位模块 的设计方案。该方案为解决传 统静态 无线收稿日期:=一1一:5