GPS-GSM车辆监控系统的分析与实现

　【摘　要】　介绍了SMPP协议，描述了GPS－GSM车辆监控系统的原理和组成，并对实现该系统的若干策略进行了研究。
    关键词：SMPP协议，GPS┐GSM车辆监控系统，SMSC，ESME

1　系统概述

　　GPS车辆监控系统是融GPS定位技术、地理信息技术（GIS）和现代通讯技术于一体的高科技系统。该系统基于GPS卫星定位技术，将移动目标的动态位置（经度、纬度）、时间、状态等信息通过无线通信链路实时传送至监控中心，监控中心可以在电子地图查找移动终端运动的轨迹，并对终端的位置、速度、运动方向、报警信息等用户感兴趣的参数进行监控和查询，同时，监控中心也可以向终端发送相应的控制指令（如自动切断电路，关油门等），以确保车辆的安全，方便调度管理。
　　GPS车辆监控系统根据其采用无线通信链路的不同可以分为两种，一种为采用已建成的GSM（GlobalSystem for Mobile）移动网，另一种为采用集群通信系统。但目前多采用前者。这主要基于以下三点原因：（1）GSM网已经遍及我国大部分地区。与现有集群通信系统相比，采用GSM网无需专门建设通信基站，减少了安装和维护费用。（2）采用GSM网，可以使用GSM短消息业务，使用SS7信令信道来传输数据分组，无需建立端对端通道的连接，非常适于把相关数据随时发送到监控中心。短消息服务费用低，因此，在GPS－GSM车辆监控系统得到了广泛的应用。（3）采用GSM网可以大大降低系统的通信误码率，并使传输速率比集群式通信高6～8倍，从而使系统可靠性大大提高。
    目前，基于GSM网的GPS车辆监控系统已经在公安、银行、机场等社会各个部门得到了广泛的研究和应用，这也是GPS应用发展的必然趋势。

2　SMPP协议介绍

　　SMPP协议（Short Message Peer to PeerProtocol）负责短消息服务中心（SMSC）和外部短消息实体（ESME）之间的数据传递，在GPS－GSM车辆监控定位系统中有着很重要的作用。
　　SMPP协议本身是一种应用层协议，它运行在TCP／IP协议族的TCP协议上，通过Socket连接于中心通讯，进行数据交换。SMSC和ESME底层的传输是依靠TCP／IP和X．25网络连接所提供的。TCP／IP和X．25连接提供可靠的点到点的数据传输，包括数据报文的编解码、流量控制以及错误处理。如果需要，网络层的发送实体将处理SMPPPDU的分段，同样，网络层上的接收实体将重组SMPPPDU的分段。通常，将SMSC称为SMPP的服务器实体，而EMSE称为客户实体。图1是
SMSC和ESME之间的传输接口。

　　在SMSC和ESME之间的SMPP对话中，总是ESME首先发起并与SMSC建立网络连接（TCP／IP），然后，ESME发出一个SMPP绑定请求来打开一个SMPP任务。在一次SMPP操作期间，ESME可以向SMSC发出一系列请求，同时，从SMSC接收相应的请求响应；同样地，SMSC也可以向ESME发出SMPP请求并得到正确的响应。每次SMPP操作必须包含请求PDU以及相关的PDU响应，接收实体必须返回一个相关的SMPP响应。SMPP任务可以定义为以下几种可能状态：
　　OPEN：此时ESME已经与SMSC建立网络连接，但还没有发出绑定请求。
    BOUND-TX：ESME 被绑定为一个ESME发送器。（ESME向SMSC提交一个绑定包bind　transmitter PDU，而后从SMSC接收绑定响应包bind　transmitter　resp PDU。）此时，ESME只能向SMSC发送短消息。
　　BOUND　RX：ESME被绑定为一个ESME接收器。（ESME向SMSC提交一个绑定包bind　receiver PDU，而后从SMSC接收绑定响应包bind-receiver-resp PDU)。此时，ESME只能从SMSC接收短消息。
    BOUND-TRX：EXME 被绑定为一个ESME收发器。（ESME向SMSC提交一个绑定包bind　transceiver PDU，而后从SMSC接收绑定响应包bind　transceiver　resp PDU。）此时，ESME可以从SMSC接收短消息，也可以向SMSC发送短消息。
　　CLOSED：ESME关闭绑定并取消和SMSC的连接，SMSC也可以取消来自于ESME的绑定。
　　目前，多数短信中心支持SMPP协议接口，如华为、中兴、WINS，但其具体细节有所不同，如华为的SMPP协议就有一些扩充，增加了一些功能。

3　系统组成

　　以我们设计的一种GPS－GSM车辆监控系统为例，该系统可以分成三个部分：车载单元、GSM系统和监控系统。这与目前大多数厂家推出的相应产品的结构是一致的。
　　车载单元安置在监控车辆内，包括一个GPS接收机，无线发射装置，主控单元和附件。GPS接收机负责接收GPS卫星定位信号，解算出其定位信息，其无差分定位精度可达15米。然后由无线发射装置把车辆的信息、速度、方向等信息编码后以短消息的方式发往GSM基站。另外，车载单元还处理中心发来的命令和司机给中心的请求，因此还具有报警、防盗、通话、查询等功能，这些功能由主控单元和附件完成。
　　GSM系统是目前国内覆盖最广、系统可靠性最高、用户拥有量最大的数字移动通讯系统。它提供话音业务、数据业务、短消息（SMS）业务等多项功能。在GPS－GSM车辆监控系统中，就是采用了SMS功能实现车载单元GPS接收终端与监控中心之间的数据传输的。具体实现时，车载单元将短消息发送给GSM系统中的基站，基站再转发给短消息服务中心（SMSC）进行处理。SMSC根据SMPP协议将短消息中的信息以PDU的方式转发给监控系统的外部短消息实体（ESME）。
　　监控系统是GPS－GSM车辆监控系统的主要组成部分，它包括外部短消息实体（ESME），本地／远程监控中心，本地／远程数据库等。下面对这些部分的功能作简要介绍。
　　ESME（External Short Message Entity）相当于GSM系统和监控中心之间的中转站，它位于GSM系统外部，因此我们将其划为监控中心的一部分。ESME一方面负责接收SMSC发送过来的SMPPPDU，这些PDU包含定位、报警、费用查询等信息，然后解码出相应的信息发送给本地或远程监控中心。另一方面，ESME也将监控中心发送来的各项指令编码成SMPPPDU后发送到SMSC。
　　监控中心根据从ESME收到的对车辆的定位、状态、报警等信息进行显示，并对系统和车载单元进行参数设置或控制。监控中心功能包括：系统参数设置、车载单元参数设置、单目标监控、多目标监控、区域监控、车辆调度、车辆巡视分析等。设置远程监控功能是为了解决无法在调度现场工作的调度员的困难。
　　中心数据库和远程数据库存放有关车辆信息的各项数据，这些信息包括车载单元初始化设置、车载单元信息管理、入网单位信息管理、入网监控终端管理、车辆轨迹管理、计费管理等部分。在系统实际运行时，ESME和监控中心将频繁地对中心／远程数据库进行读写操作。
　　整个系统的结构框图如图2所示。

4　一些实现策略

　　GPS－GSM车辆监控系统对实时性有着很高的要求，我们在开发实践中，认为制约系统效率的瓶颈之一在于ESME、监控中心对消息的处理速度和数据库的访问速度太慢。

　　ESME系统采用SunOs为操作系统平台，由于ESME同时要处理与多个SMSC和监控中心的消息的收发，所以，在ESME软件的设计中，我们采用了两个进程（SMSC和CTLC）分别对SMSC和监控中心的数据收发进行处理，进程之间通信采用消息队列。适当分配消息队列的长度和提高通信效率，可以保证不丢失效率同时又尽量少占用系统的存储资源。同时，由于监控中心对消息的处理通常滞后于ESME的发送速度，所以，为了不影响CTLC进程的发送速度，在CTLC进程中设置多线程来处理对不同监控中心的发送。线程在CTLC进程中动态创建，每个线程负责一个监控中心。
　　在对数据库的写入操作中，采用独立进程的方式能最大限度降低其影响，而且还可以采用多次数据一次写入的方法提高其效率。
　　最后，我们完成的产品分为单机型和网络型两种型号，这是考虑到各类用户的需求规模有所不同而设计的。单机型系统适用于对小容量车辆监控管理的用户，其中心／远程数据库采用SQLServer，可支持5～10万辆车入网，可同时支持4～30个用户并发监控接入；网络型系统适用于对大容量车辆监控管理的用户，采用企业级数据库Oracle进行数据管理，可支持50～100万辆车入网，每秒可同时支持400～1000个用户并发监控接入。与国内其它厂家的同类产品相比，这些性能是相当优良的。

参考文献

1　ESTITelecom Standards．Short Message Peer to Peer　V3．04，1998
2　陈霞，苏彦兵，谈振辉．GSM短消息业务：协议和实现．移动通信，2000，3
3　倪建军，范跃祖．利用GSM短消息业务实现GPS车辆监控．电子技术应用，2000，7