基于WCDMA與GPS公交監控系統研究

張連俊， 劉世杰

（①山東理工大學 計算機學院，山東 淄博 255049；②山東省淄博聯通公司，山東 淄博 255000）

0 引言

近年來，隨著公交事業的飛快發展，公交車輛運營的安全和管理也越來越被重視。但由于公交車上缺少相應的監控設備，傳統的監控錄像無法及時調取信息，因此起不到很好的監控作用，對公交車輛的安全性造成了嚴峻的考驗。

WCDMA系統是寬帶移動通信系統[1]，可實現公交監控系統對公交車輛行駛運營過程進行實時錄像傳輸，從而達到對公交車輛內、外部情況及乘客動態進行監控保護的目的?；?WCDMA與 GPS技術的公交視頻監控系統設計，以WCDMA網絡為支撐網絡，GPS技術進行車輛定位，結合虛擬撥號局域網技術（VPDN，Virtual Private Dial－up Networks）組網，監控錄像通過視頻服務器處理，將監控圖像隨時傳送到公交監控中心以及交通管理部門，實現多角度的實時記錄車輛運營過程中的視頻資料，進行監控、管理，有效預防和處置突發事件、緊急事件、保障工作人員及乘客的安全，能夠起到車輛動態安防管理，幫助車輛管理單位達到對車輛更為高效的管理，提升政府及公交營運行業管理部門的管理能力及服務能力。

1 基于WCDMA與GPS公交監控系統原理

傳統的公交視頻監控系統只能把監控錄像保存在公交車上的存儲設備上，無法通過無線網絡實時將錄像發送到公交監控中心，原因是沒有采用無線傳輸或利用通用分組無線服務（GPRS，General Packet Radio Service）網絡傳輸速度達不到傳輸實時視頻所要求的速度[2]。2009年1月7日，中國三家運營商開始運營無線傳輸速度更快的 3G網絡，分別是聯通的WCDMA網絡，電信的CDMA2000網絡，移動的TD-SCDMA網絡。中國聯通WCDMA網絡支持下行14.4 Mb/s及上行 5.76 Mb/s，中國電信 CDMA2000網絡支持下行 3.1 Mb/s及上行1.8 Mb/s，中國移動 TD-SCDMA網絡支持下行2.8 Mb/s及上行384 kb/s的速度。對于公交監控系統來說，要求每輛車要有多路監控攝像頭，因此對上傳速率有較高要求[3]，所以選擇上行速率較高技術比較成熟的WCDMA 技術。

選擇WCDMA技術可解決無線視頻實時監控的問題，但由于公交監控系統的上傳流量會占用運營商無線帶寬，影響其他用戶的上網，同時數據流量資費也比較貴。以聯通公司現有省內 3G流量包資費為例，80元可以包省內流量3 GB，超出之后0.1元/MB。如果一直開放視頻監控，一輛車一天就至少10 GB的流量，會產生幾百元的流量費用，如此高額的流量資費對于公交公司來說肯定難以接受。同時公交監控中心顯示屏也有限，不可能對每一輛車進行監控，因此應對視頻監控系統數據傳世需要重新優化設計。

1）通過WCDMA制式的3G無線傳輸模塊實現視頻數據的實時回傳，并采用 VPDN組網技術。VPDN技術是指利用撥號客戶端接入ISP的VPN解決方案，是一種“按需連接”的VPN。即在有必要時上傳圖像，在平時存儲即可，可以節省用戶的專線租用費用。同時移動VPDN的安全技術包括隧道技術，加解密技術，密鑰管理技術和身份認證技術，為網絡提供基本的安全服務。

2）傳輸視頻是采用網絡視頻服務器（DVS，Digital Video Server)技術，DVS也叫數字視頻編碼器是一種壓縮、處理音視頻數據的專業網絡傳輸設備[4]，由音視頻壓縮編解碼器芯片、輸入輸出通道、網絡接口、音視頻接口、RS485串行接口控制、協議接口控制、系統軟件管理等構成，主要是提供視頻壓縮或解壓功能，完成圖象數據的采集或復原等。

2 公交無線視頻監控系統設計

基于WCDMA網絡的公交視頻監控系統設計，以WCDMA網絡為支撐網絡，結合VPDN虛擬撥號局域網技術進行組網，將公交監控圖像實時傳送到公交監控中心以及交通管理部門。整個監控系統是架構由4部分組成：車載終端、傳輸網絡、監控中心和系統外聯（見圖1）。

車載終端是系統的信息采集發送節點，車內安裝攝像機、拾音器、緊急報警按鈕、車載GPS終端分別作為視頻圖像、音頻數據、緊急報警信息和車輛定位信息的采集設備，它們與車內車載無線DVS相連，經過車載無線DVS的處理之后，由車載無線DVS自帶的3G通信模塊發送經WCDMA網絡到監控中心。

圖1 系統設計方案

為節省傳輸成本，傳輸網絡包含 3G移動通信傳輸鏈路和無線網專用傳輸鏈路兩部分，有 WIFI網絡的地方通過 WIFI無線網送入監控中心實時監控，無WIFI網絡的地方通過WCDMA基站接收到來自前端公交車的數據信息之后，經 3G網關送入固網專線，供監控中心使用。

監控中心主要是執行日常監控、公交調度、應急指揮的場所。內部署視頻監控綜合管理平臺，包括數據庫服務模塊、管理服務模塊、接入服務模塊、報警服務模塊、流媒體服務模塊、存儲管理服務模塊、Web服務模塊等等，它們共同形成數據運算處理中心，完成各種數據信息的交互，集管理、交換、處理、存儲和轉發于一體，是視頻監控系統能穩定、可靠、安全運行的先決條件。

系統外聯是通過IP技術手段、開放式平臺架構實現數據信息的資源共享，能將本系統的監控資源供市應急指揮中心、公安局等其它政府部門調度使用，進而將公交視頻監控系統納入到城市整體防控體系中，為未來實現城市綜合應急預案體系提供技術資源儲備。

2.1 WCDMA傳輸系統

WCDMA傳輸系統實現視頻監控、位置信息、遠程監控信息及報警信息的傳輸；傳輸系統選擇以VPDN方式為接入方式，有效的保證了系統的安全性，并且控制了流量成本。

移動VPDN的安全技術包括隧道技術，加解密技術，密鑰管理技術和身份認證技術，為網絡提供基本的安全服務。相對原來GSM的撥號方式的電路交換數據傳送方式，基于WCDMA的VPDN是分組交換技術，具有“終端實時在線”、“按流量計費”、“便捷登錄”、“高速率傳輸”等優點。

對傳輸系統的硬件進行了設計，采用 SIM5320 3G模塊。SIM5320支持1.8 V和3 V的USIM卡。圖2為SIM5320 3G模塊電路。電路中33 pf和 100 nf 可以分別濾除干擾和穩定SIM卡電壓；22 R?電阻可以改善波形質量，增強EMC性能；由于經常觸摸到 SIM 卡座，ESD保護就顯得格外重要，增加TVS保護SIM卡接口。

圖2 SIM卡電路

2.2 車載終端系統

車載終端由車載主機（主板，3G無線模塊，音視頻處理芯片，存儲設備、GPS定位系統等）、嵌入式攝像機、駕駛員報警按鈕和液晶顯示屏組成。實現每臺公交車4路監控、音頻信號的實時錄像，通過3G網絡，將實時圖像按需傳輸到監控中心。同時，接受司機人工觸發的緊急報警信號，在指定監控中心的屏幕或GIS電子地圖上彈出圖像，同時，彈出報警處理預案、照片抓拍及合成的過程處理記錄表格，可直接打印輸出。設計構架如圖3所示。

圖3 車載終端系統示意

車載視頻監控及存儲系統：在公交車上安裝2～4個攝像頭，分別是車前、前門、車廂內、后門，分別關注車輛行駛情況、乘客上車情況和車廂內乘客情況、后門乘客情況，在車載硬盤錄像機具有采集、壓縮和本地存儲能力?？紤]到車上監控場景的特殊性，比如上、下車門位置距離攝像機很近 ，用小尺幅的畫面即可清晰記錄；而車廂內相對場景較大，需要大尺幅畫面記錄更多信息，達到預期畫面效果，可以有效解決存儲時間、存儲空間與事后查看的矛盾，使系統更具高效性、實用性。

車載視頻服務器(DVS，Digital Video Server)網絡視頻服務器，是一種壓縮、處理音視頻數據的專業網絡傳輸設備，由音視頻壓縮編解碼器芯片、輸入輸出通道、網絡接口、音視頻接口、RS485串行接口控制、協議接口控制、系統軟件管理等構成，主要是提供視頻壓縮或解壓功能，完成圖像數據的采集或復原等，目前比較流行的基于 MPEG-4或H.264的圖像數據壓縮網絡傳輸數據以及音頻數據的處理。

無線傳輸系統：通過WCDMA制式3G無線傳輸模塊實現視頻數據的實時回傳，同時采用VPDN組網技術。VPDN技術是指利用撥號客戶端接入ISP的VPN解決方案，是一種“按需連接”的VPN，可以節省用戶的專線租用費用。同時可以通過Web方式訪問監控系統，支持遠程登錄3G監控，進行視頻監控、安防設備狀態查詢和設置等操作。在車站附近可通過專用的WIFI傳輸信息節省傳輸成本。

2.3 公交無線視頻監控系統功能

車載視頻監控可以對車載終端的工作狀態進行自動監測[5]，當車載終端出現故障或異常時，監控中心將立即產生報警提示。GPS定位系統設計實現車輛進行定位[6]，用戶GPS接收機3部分組成，集成在車載終端中。車載智能監控主機和GPS終端[7]可通過RS232/RS485等接口進行數據交互，通過這些數據交換可節約硬件產品投資，構建一個覆蓋GPS定位、行車記錄和視頻監控的完整監控體系。

基于WCDMA公交車輛監控系統車載視頻服務器，把攝像機采集到的圖像，再通過H.264視頻壓縮算法、流媒體視頻處理技術壓縮為IP數據包。無線視頻采集傳輸部分的設備加電后，視頻服務器內的 3G模塊撥號上網，通過無線 WCDMA網絡和Internet，建立與監控中心計算機視頻管理服務器的鏈接。監控中心或用戶計算機通過客戶端軟件登錄監控中心計算機視頻管理服務器，點擊某一路視頻時，通過監控中心計算機視頻管理服務器向前端視頻服務器或硬盤錄像機發送視頻請求，視頻服務器或硬盤錄像機接收到該請求后向監控中心計算機視頻管理服務器發送視頻流并轉發給發出請求的計算機，通過客戶端軟件用戶就可以監控前端現場的實時視頻、進行雙向語音通信。

目前WCDMA單基站最大支持30臺車同時接入，超過這個數量會導致網絡堵塞，其他車輛無法正常接入WCDMA網絡，勢必造成需要的視頻無法傳輸回中心；為了避免這個問題這里的主機采用短信激活、GPS終端激活、報警激活等多種3G模塊上下線工作模式，主機平時可不占用無線網絡資源，需要傳輸視頻圖像時再去激活模塊進行無線撥號，長時間不瀏覽視頻圖像，模塊自動下線；這樣的工作模式可保持WCDMA網絡暢通，同時也節約了運營商流量費用開支。由于系統終端平時不占用運營商的網絡資源可以和運營商協商最經濟的計費方式。

系統還可與公交 IC卡系統互聯，以及與現有GPS系統的替換、自動報站系統整合、車載廣告發布系統等。監控指揮調度中心可通過WCDMA向智能車載終端發布公眾信息、廣告信息；車載終端接收到監控指揮調度中心發布的信息后，將信息發布到車載LED屏或多媒體電視上；同時開放平臺提供對外接口，可與市應急指揮中心對接，實現資源共享。

3 結語

利用GPS系統與WCDMA系統設計了公交車輛監控系統并予以實現。利用WCDMA網絡進行視頻數據傳輸，當公交車出現緊急情況時監控中心可以隨時調取公交車視頻，并通過GPS定位系統對公交車進行實時定位，可以在第一時間給出應急措施。由于 WCDMA實時傳輸的費用高昂，設計中采用VPDN技術接入方式，當發生緊急情況和需要了解時才進行監控視頻傳輸，正常狀態下不進行傳輸，有效的解決了無線傳輸成本壓力。

[1] 王禹峰.3G標準的分析與發展[J].信息安全與通信保密,2007(09):102-103.

[2] 王晴婉,宋家友.基于GPS-GPRS車輛監控系統設計與實現[J].通信技術,2009,42(09):121-123.

[3] 胡逸凡.基于WCDMA多路視頻監控系統的設計與實現[J].數字通信世界,2011(11):66-68.

[4] 張菁.基于AT2042的網絡視頻服務器的設計與實現[J].安防科技,2007(02):32-45.

[5] 陳財浩.基于Windows CE的汽車行駛記錄儀的設計[J].電腦知識與技術,2010,06(24):89-94.

[6] 張兆宇,張秀峰.GPS車輛監控系統的安全控制[J].信息安全與通信保密,2008(09):66-68.

[7] 陸文昌,畢世高.車輛監控系統中車載GPS定位終端的設計[J].通信技術,2010,43(07):201-203.