服務熱線
400 180 8892
摘 要由于網際網絡的盛行，很多應用程序于設計時，大都已采用分布式的理念來增進執行效能。然而由于分布式架構中計算機分散于各處，使用計算機愈多，則計算機間所需之傳輸線路也要愈多且復雜。但因GSM系統已被普遍使用于每天之遠程傳輸，這提供分布式計算機系統一個無線傳輸的環境。本論文提出一以GSM系統為骨干的分布式遠程監控系統以汽車系統為一個測試范例，此系統可分為三大部分：第一部分為傳感器所收集到的資料，以簡訊方式透過GSM系統送到簡訊中心，第二部分為簡訊中心將所收到的資料經處理后送到監控中心，第三部分為監控中心由簡訊中心所送來的資料知道汽車狀態，并可對該汽車駕駛的一些行為提出建議。藉由此提出之架構來驗證GSM系統之遠程監控之可行性，并可結合GIS系統來將汽車位置顯示于電子地圖上，以達監控之目的。 Distributed Wireless Remote Monitoring System Jui-Fa Chen+, Wei-Chuan Lin*, Chi-Ming Chung+, Kun-Hsiao Tsai+ +Department of Information Engineering, TamKang University +E-mail: alpha@mail.tku.edu.tw *Department of International Business, Tak-Ming College, *E-mail: wayne@mail.takming.edu.tw ABSTRACT With the popularity of the network, many applications have been designed to be a distributed system. The more distance for communication, the more lines for communication are needed. As the GSM has been widely used in our daily life for tele-communication, it can also be applied to the distributed system for wireless communication. This paper proposes a distributed wireless remote monitoring system based on the GSM system and takes the car system as a test case. This proposed system is divided into three parts. The first is that the data collected from the sensor such as GPS is sent by the short message of GSM to the GSM provider. The second is that the GSM provider processes the data sent by the short message of GSM and sends the process result to the monitoring center. The third is that the monitoring center can know the car status through the data sending from the GSM provider and give advises to the car driver. With the help of this proposed architecture, a distributed remote monitoring environment on GSM system is verified. In addition, the monitoring center can combine with the GIS to display the car location in a electronic map. Key words: GSM, GPS, GIS, monitoring center, short message 1. 緒論進行分布式監控系統的研究，往往會聯想到利用擁有高速數據傳輸率的固接式網絡來完成，但固接式網絡其缺乏機動性的缺點，對于動態的對象而言，實無法勝任。因此，使用無線通信的技術，也就顯得勢在必行。GSM領導著全球數字式無線通訊系統的標準，至今全世界已有超過1.7億的GSM使用者，其數據傳輸率雖不及固接式網絡來的快速，但良好的機動性與克服長距離使用困難的缺點，無疑對于動態的分布式遠程監控系統，提供了一良好的選擇。此研究的目的在于監控遠程動態對象的實時狀況，透過「傳感器」將細微的行為模式，利用GSM傳回到控制中心做監控。一方面處理資料遺漏的問題，將最立即而正確的資料送出。另一方面，在資料的傳送上，我們藉由有必要才傳的不定時傳輸方式，節省成本并降低網絡擁塞的問題。本系統主要由三個部份所組成，分別為『動態對象系統』、『簡訊系統』及『監控中心系統』。「動態對象」泛指具有移動性的物體而言。整個系統首先由『動態對象系統』端之「傳感器系統」取得偵測的資料，經「數據處理系統」計算、處理，判斷是否將資料送出，若是，則將資料經由GSM簡訊的方式，傳送至電信公司的「簡訊中心」存放。『監控中心系統』則是透過TCP/IP通訊協議取回資料，與「顯示系統」結合，供使用者觀看；若是緊急事件，則透過「警告系統」，與系統管理者聯絡。在本論文中，第二節將回顧相關文獻，第三節將介紹整個系統的架構；第四節為系統實作，藉車子為實例說明整個架構的流程；第五節為結論與建議。 2. 文獻回顧本章中，茲就以往相關的研究作一摘述，并分析本研究與其相同與相異之處做一比較。「新竹市公車動態信息系統功能更新及調度管理系統之開發」為交通部運輸研究所與國立交通大學運輸研究中心合作，于1998年8月發表之專題研究報告(Wu 98)。系統架構主要由四個部份組成，分別是安裝于新竹客運市區公車的GPS訊號接收定位子系統、控制中心與基地及各車輛間的通訊子系統、位于新竹客運總公司的控制子系統、以及傳送至民眾家中與位于路旁站牌的信息顯示子系統。衛星定位信息由公車接之后，經由公車上的無線電傳至基地臺(交大)，而基地臺所收到的定位信息分接成三路訊號，一路傳到監視器上，一路經由數據專線傳至新竹客運，這些定位信息在竹客加入排班信息(將公車車號轉或公車路號)后再經由數據專線傳至振道有線電視公司，然后再將訊號送至有線電視之客戶端，而有關語音部分，無線電采雙頻方式，也就是聲音與定位訊號分開傳送，讓控制中心人員可以與公車駕駛立即溝通而不影響定位信息的傳送，而完整的系統架構圖可由圖2-1所示。 圖2-1 新竹公車信息系統流程圖 (圖片來源「新竹市公車動態信息系統功能更新及調度管理系統之開發」，交通部運輸研究所，1998年8月) 其它如交通部運輸研究所于1998年10月所發表的「臺北市示范性公車動態信息顯示系統使用狀況調查」等文獻(Lin 98)，系統架構大致上沒有太大的差異，與本研究(圖1-1)比較后，其系統架構圖如圖2-2所示： 圖2-2 文獻系統架構圖 無線電系統適合用于短距離(如市區內)的傳輸上，但對于長距離的傳輸則無法配合，其無法雙工的傳輸方式，對于多臺的監控對象，無法同時傳輸資料，勢必造成一定的困擾。另一方面，頻道的申請有限且不易，亦有被香腸族蓋臺的風險，到至傳出的資料錯誤或遺失。再者，文獻中僅采用GPS傳回的資料，因此僅能就位置、速度作控制，對于對象內較細微的行為模式則無從得知。 3. 系統架構系統主要由三個部份所組成，分別為『動態對象系統』、『簡訊系統』及『監控中心系統』(Silberschatz 95)。圖3-1 完整系統架構圖 在圖3-1中，系統由『動態對象系統』端之「Sensor System」取得偵測的資料，經「Data Processing System」處理并儲存至「Database」中，同時，將資料送至「Dead Reckoning System」及「Critical Event System」中，判斷是否將需資料送出，若是，則將資料經由GSM簡訊的方式，傳送至電信公司的「簡訊系統中心」存放。此時，『監控中心系統』端的「Receiver」透過TCP/IP至「簡訊系統中心」取回資料，儲存并交付「Dead Reckoning System」與「Critical Event System」判斷，然后與「Display System」結合(Devine 86)，供使用者觀看；若是緊急事件，則透過「Alert」，與系統管理者聯絡，茲就各部份做細部的介紹。 3.1 動態對象系統(Moveable System) 『動態對象系統』(MobileWorld 99)可分成「Sensor System」、「Data Processing System」、「Dead Reckoning System」、「Critical Event System」及「Transmission System」五個部份。 3.1.1 Sensor System 「Sensor System」的目的在于收集sensors所偵測到的資料，然后送到「Data Processing System」處理。其中，sensors包括「全球衛星定位系統(Global Position System, GPS)」(Huang 99, Williamson 99, Dunstan 95)及對象本身的種種變化值。舉車子當對象為例，sensors會偵測GPS位置、車輛方向、車輛速度、踩油門(引擎轉速)、煞車，甚至于打開車門、引擎溫度、下雨否及安全氣囊是否彈開等數據，然后送到「Data Processing System」處理。 3.1.2 Data Processing System 「Data Processing System」處理、計算并儲存「Sensor System」所傳送過來的資料，分別送交「Dead Reckoning System」與「Critical System」處理，判斷是否需要傳送資料，以通知「監控中心系統」的系統進行更新。 3.1.3 Dead Reckoning System 3.1.3.1 基本理論如果實際移動位置，符合前一次的Dead Reckoning Algorithm計算所預測的資料，為了降低通訊的頻寬，因此將不傳送此筆資料，否則將傳送此資料，并通知『監控中心系統』移動對象已經更改行為模式。換句話說，這必須由『動態對象系統』端及『監控中心系統』端雙方面去仿真對象下一個單位時間的變化，如果下一單位時間內「對象的實際變化」與「仿真的結果」相符，則不用送出資料。舉汽車移動如下圖3-2，汽車直線前進由時速0 公里加速，第30 秒時速到達80 公里，第6分鐘時減速，6分10秒時速為60 公里，6分50秒開始煞車，第7分鐘時完全停止。此時我們并不用使用定時傳送資料的方法，而僅需采取【加速度】有變化的時候，送出「時間」、「速度」及「加速度」等資料。在車子激活時，送出車子的加速度資料，并交由『動態對象系統』端及『監控中心系統』端雙方面去仿真，等到第30秒時車子開始定速(加速度為0)，則再次送出資料，從第30 秒到第6 分鐘間，車子維持在時速80 公里(加速度為0)，則都不用送出資料。因此，我們所必須送出資料的時間為0 min, 30 sec, 6 min, 6 min 10 sec及6 min 50 sec。(依第6分50秒所送出的資料可仿真第7 分鐘時車輛將停止，因此第七分鐘時不用再送出資料) 圖3-2 汽車移動范例（一）為了避免長時間沒有傳送資料，因此可以訂定一固定周期，不論是否有更改Read Reckoning Algorithm，皆將資料傳送，通知『監控中心系統』，對象尚且存活著。如上例中制訂此「固定周期為5 分鐘」為例，其結果如圖3-3，我們所必須送出資料的時間為0 min, 30 sec,5 min 30 sec, 6 min, 6 min 10 sec及6 min 50 sec。第5 min 30 sec時，必須送出資料，即使速度并未變化。圖3-3 汽車移動范例（二）若我們由「Sensor System」及GPS中，能預測對象將進入某種特殊的環境(如汽車進入隧道)，則我們可要求對象在特殊的情況下傳回資料(如汽車進入隧道前)；而特殊的環境可能造成在規定的時間內無法傳回資料(如一汽車進入隧道要10 分鐘后才會出來，而規定固定周期為5 分鐘內傳回一筆資料)，也能加入特殊的條件(如仿真到這地方時，將周期視情況做延長)來避免錯誤的發生。 3.1.3.2 何時送資料(Ⅰ) 如果Dead Reckoning計算的結果，不符合前一次的Dead Reckoning Algorithm，我們將選擇一條新的Read Reckoning Algorithm，通知『監控中心系統』對象已經更改行為模式。那何時需要傳送呢？當實際位置與預測位置相差超過Ｋ公尺時，我們將數據送出，亦即｜實際位置 － 預測位置│＞ Ｋ(m) 此處的Ｋ值，我們可視實際的狀況作調整，若我們想正確的掌握行車的狀況，且硬件方面能夠配合(如GPS所抓回的值是否夠準確)，可將此Ｋ值降到幾百公尺，甚至于幾十公尺；若我們只是想了解車輛大約的位置，并降低傳輸的頻率，則此Ｋ值為幾公里，甚至于幾十公里。 Procedure Exceed_Range() Comment: Car_Real_Longitude_Situation ： 車子真實的水平(經度)位置 Car_Real_Latitude_Situation ： 車子真實的垂直(緯度)位置 Car_Simulated_Longitude_Situation ： 車子仿真的水平(經度)位置 Car_Simulated_Latitude_Situation ： 車子仿真的垂直(緯度)位置 Allowable_Range ： 車子可容許的誤差范圍，即上面的Ｋ值 Meter2Grid ： 將公尺數轉成經緯度坐標(常數) Send_Data() ： 將資料送出 BEGIN IF [(Car_Real_Longitude_Situation-Car_Simulated_Longitude_Situation)2 + (Car_Real_Latitude_Situation-Car_Simulated_Latitude_Situation)2]1/2 > Allowable_Range * Meter2Grid THEN Send_Data() ENDIF END. 3.1.3.3 計算下一位置首先，在「動態對象系統」與「監控中心系統」端分別有一張一模一樣的窗體，我們稱它「GPS&Location Table」，如表3-1所示，里面有經度、緯度、限速、位置等數據。 表3-1 GPS&Location Table 其中，Longitude與Latitude用于「Dead Reckoning System」、Limit Speed用于「Critical Event System」中判斷超速的部分、Location則用于『監控中心系統』端的「Display System」。一開始我們由車上的GPS，就能知道我們位于那個位置，例#Longitude=121’0.4419E、#Latitude=24’52.1545N就可知道車子位于#No.1與#No.2間，此處利用「差分法」便可知車子位置與兩點間位置的關系，再由下一次GPS所傳回的值，便可知車子正向那個方向移動。例如我們已知車子向#No.2方向移動，那我們仿真的方式便是向#No.2做修正，當我們超過了#No.2，可知現在的位置已不在#No.1與#No.2間，此時我們便可以改向#No.3前進。 Procedure Computed_Next_Situation() Comment: Car_Pre_Longitude_Situation : 判斷GPS&Location Table中的上一個水平位置(經度)。 Car_Pre_Latitude_Situation : 判斷GPS&Location Table中的上一個垂直位置(緯度) 。 Car_Post_Longitude_Situation : 判斷GPS&Location Table中的下一個水平位置(經度)。 Car_Post_Latitude_Situation : 判斷GPS&Location Table中的下一個垂直位置(緯度) 。 Car_Simulated_Longitude_Situation : 用來記錄車子現在的水平位置(經度) 。 Car_Simulated_Latitude_Situation : 用來記錄車子現在的垂直位置(緯度) 。 C1: Car_Post_Longitude_Situation > Car_Simulated_Longitude_Situation AND Car_Pre_Longitude_Situation > Car_Simulated_Longitude_Situation C2: Car_Post_Longitude_Situation < Car_Simulated_Longitude_Situation AND Car_Pre_Longitude_Situation < Car_Simulated_Longitude_Situation C3: Car_Post_Latitude_Situation > Car_Simulated_Latitude_Situation AND Car_Pre_Latitude_Situation > Car_Simulated_Latitude_Situation C4: Car_Post_Latitude_Situation < Car_Simulated_Latitude_Situation AND Car_Pre_Latitude_Situation < Car_Simulated_Latitude_Situation X : 計算現在位置與下一點位置的經度差。 Y : 計算現在位置與下一點位置的緯度差。 Meter2Grid : 將公尺數轉成經緯度坐標(常數)。 Car_Speed : 車輛速度。 Car_Acceleration : 車輛加速度。 PreUpdateTime : 上一個位置(現在)之時間。 NextTime : 下一個位置的時間。 Distance : 現在至下一個時間內所走的距離。因為使用經緯度坐標記錄車輛的位置，因此我們必須將距離轉換成經緯度的距離差，并分解成經度(水平分量)與緯度(重直分量)坐標。 BEGIN IF C1 OR C2 OR C3 OR C4 THEN {Comment: 此IF敘述在判斷Car Simulated Situation是否已超過Car Post Situation ，若已超過則將Car Post Situation} Car_Pre_Longitude_Situation = Car_Post_Longitude_Situation Car_Pre_Latitude_Situation = Car_Post_Latitude_Situation Car_Post_Longitude_Situation = Car_Post_Longitude_Situation的下一點 Car_Post_Latitude_Situation = Car_Post_Latitude_Situation的下一點 ENDIF X = Car_Post_Longitude_Situation