基于GPS/GPRS/GIS的菌毒种运输监控系统

引言

近年来，由于SARS病毒、H5N1、H1N1以及乙肝病毒等给人们生产生活带来的极大危害，我国加大了对医疗、疾病预防控制事业等投资力度。在国家的相关政策法规的指引下,卫生部以及各个省市陆续成立了菌毒种保藏中心、疾病预防控制中心，并制定了菌毒种管理办法。管理办法规定，凡从事病原微生物实验活动、研究的单位在进行实验和研究时，必须将菌毒种从保藏中心运输到本研究单位。这样,运输环节就成为整个菌毒种研究中的关键环节之一。

由于菌毒种的高危险性，其不同于一般的物资保存和运输，运输过程中的任何疏忽，都可能会带来极大的危害。因此,需要在运输过程中进行实时定位、跟踪监控。同时，管理方法中还规定，运输高致病性病原微生物菌（毒）种或样本，应当有专人护送，护送人员不得少于两人西。对于这些要求，传统的物流方式显然是不适用的。

针对菌毒种运输中的高危险等要求，本文提出综合利用GPS、GPRS以及GIS等技术来构建菌毒种运输监控系统。该系统利用菌毒种车载终端以及人员定位手表跟踪器来采集人员、菌毒种的位置信息以及运输环境的温湿度、气压等环境参数，并将这些信息通过GPRS技术发送到监控系统服务器「可，这样，监控人员就可实时掌握这些目标的位置信息,保证整个菌毒种运输的高安全性。

同时，系统采用GIS技术,可将菌毒种运输所经过的路径信息加载到电子地图中，向系统用户直观地展示菌毒种的详细运输信息。

1  系统整体架构及模块组成

本系统由车载运输终端以及人员定位部分，监控服务中心以及监控终端等几部分构成。图1所示是其整体结构图。

首先车载运输终端采集菌毒种的位置信息以及运输环境的温湿度、气压等参数;人员定位终端则采集护送者的位置信息，并将这些信息通过GPRS通道发送到监控服务中心的主服务器，主服务器对上传数据进行分析、处理，并存入后台数据库服务器中，同时备份到备份数据库中。监控终端可以通过网络访问监控中心的数据库服务器，这样，监控人员就可以登录监控终端去查询在自己权限范围内的运输车辆的轨迹信息。同时，监控人员还可以设置运输车辆的安全区域以及运输路径等信息,并将其存入监控服务中心数据库服务器中。

图1  系统整体结构图

2  车载终端及人员定位功能设计

车载终端主要用于采集菌毒种的位置、车辆速度、菌毒种箱内的温湿度、压力、箱体开关状态等数据「句。终端由CC2530、GPS、GPRS、温湿度传感器等和电子锁组成，图2所示是其终端结构图。其中，CC2530负责对各类采集数据进行处理,GPS模块用来采集车辆的位置、速度等信息,RFID读写模块采集菌毒种标签数据，传感器采集菌毒种运输环节参数，电子锁模块采集箱体开关状态，GPRS模块负责与监控服务中心进行通信。

  图2  智能终端结构图

人员定位功能主要通过釆用第三方厂商提供的GPS手表定位跟踪器，并通过配置服务器IP地址信息，以及信息发送时间周期，来定期向服务器发送护送人员的位置信息。

3  监控服务中心功能设计

监控服务中心的功能包括接收车载终端以及人员定位设备的上传信息，解析上传信息、异常报警以及数据备份管理等。该部分主要包括数据通信、数据分析和处理、报警以及系统信息管理等四个模块。

3.1  数据通信模块

数据通信模块的主要功能是由接收终端发送各类信息,并根据通信协议解析信息以及向终端发送指令等。主要使用socket.线程池技术。

首先,主服务器的主线程在TCP的一个公开端口上监听终端的连接请求，一旦有请求到达,就建立连接，同时由主线程创建一个服务子线程为该连接服务，这样，主线程就可以返回继续监听其它车载(人员定位)终端的请求，提高终端并发请求量。但是，在大量的终端发起请求时，主线程需要不断创建新服务线程，而新服务线程的创建又需要一定的时间，这势必会影响系统的性能。

釆用线程池技术可以解决上述问题。可在系统启动后，由服务器主线程提前创建一定数量的服务线程放入线程池中，这样，当请求到来后，主线程只需要到线程池中获取一个空闲的服务线程为请求服务，从而避免了临时创建线程带来的延时问题。在服务线程完成终端的服务请求后，又被回收到线程池中，以备服务于下一个请求。

3.2  数据分析和处理模块

本模块主要对数据通信模块解析后的数据进行分析和处理。主要包括以下内容：

（1）数据过滤

GPS以及传感器等模块在受到天气以及其它因素后，可能会计算出错误的值,这就需要系统根据多次上传的数据进行比较，以识别并剔除错误的数据，提高监测精度；

（2）数据分析

菌毒种运输中，管理人员会为每次运输指定路线以及安全区域等,数据分析模块可对终端上传的数据进行分析,检测车辆是否按照指定的路线运输，车辆是否在指定的安全区域内，以及菌毒种护送人员的位置信息与其护送的菌毒种位置信息是否一致等。一旦出现异常事件,则进行报警；

（3）数据缓存

由于大量的终端存在，上传数据量会很大，且监控终端有可能实时查询车辆位置等信息，对数据库的频繁插入和査询，必然会降低系统性能。因此，服务器对数据进行分析后，可以不直接存入数据库中，而是存入设计的数据缓存区中，这样，监控终端查询实时数据时，只需要到缓存去中查找即可。在缓存满后,再一次性存入到数据库中。

3.3  报警模块

数据分析过程中，可能会发现各种异常情况，如护送人与其护送的菌毒种位置不一致、车辆未在设定的安全区域内等等。这时就需要向相关管理人员报警。本模块根据异常的严重性，分别可采用短信、邮件以及声光等多种方式进行报警。

3.4  系统信息管理模块

本模块主要用来对车辆、工作人员、菌毒种等信息进行管理。主要包括：

（1）基本信息管理

包括对监控人员信息以及权限的管理、车辆信息的维护管理，护送人员信息管理等等。

（2）运输参数管理

运输参数管理主要是车辆运输路径以及安全区域设定与管理、以及菌毒种适宜温湿度以及气压等参数的管理。

（3）电子地图数据管理

电子地图一般由水系、交通、地形、地貌等多个图层构成，各个图层都有各自的属性，系统需要对这些数据进行维护和管理。

4  监控终端功能设计

监控终端是监控人员与系统的接口。通过监控终端，监控人员可以査询车辆运输轨迹、设定菌毒种运输车辆的路径以及安全区域，向车载终端发送指令，以及报表统计管理等。

4.1  车辆历史运输轨迹查询

通过监控终端，监控人员可以査询其权限内的菌毒种运输轨迹。监控人员只要提交菌毒种编号或运输车辆编号，监控终端就会从监控服务中心的数据库中査询目标的历史运输轨迹等情况，并将该轨迹显示在GIS平台上「气

4.2  统计报表管理

监控人员可以对车辆运输进行统计，如CarOOl在一段时间的运输记录、某类菌毒种在某段时间内的运输记录以及护送人员的护送记录等。同时监控人员可以自定义报表,并向监控服务中心提交报表，这样,监控服务中心定期向用户发送相应报表。

4.3  参数设置

监控人员可以对菌毒种的运输事先设定路径、相关护送人员信息以及运输安全区域，这样，一旦运输车辆离开设定的路径或安全区域后，系统就会报警。同时也可以设定运输过程中应保持的温湿度、气压等环境参数。

4.4  实时运输参数查询

监控人员可以通过监控终端只査询菌毒种运输的实时信息(如位置、车速等)。在査询实时信息时，监控终端只需要査询监控服务中心的缓冲,其实时位置以及车内环境参数就可以实时显示在GIS页面中。

4.5  发送指令

在特殊情况发生时,监控人员可以通过监控终端向车载终端发送指令。如发现某条路交通堵塞，监控人员可以实时向运输车辆发送新的运输路径信息。发送指令时，监控终端首先向监控服务中心提交指令,并制定指令的优先级，监控中心接收到指令后，先作备份，然后再发送到车载终端。

5  系统实现

本系统采用J2EE技术来构建整个监控服务中心及监控终端子系统。考虑到大量车载终端数据要上传，监控中心可釆用多线程模式来接收上传数据。同时为提高系统综合性能,设计还采用了线程池、数据缓存等关键技术。系统报警模块中则采用了北京振鸿伟业公司的短信发送模块。

在GIS展现方面，监控终端通过集成第三方电子地图来实现运输车辆轨迹的展现。图3所示为监控人员所査看的CarOOl编号的轨迹图。

图3  运输车辆轨迹图

6  结论

本菌毒种运输监控系统融合了计算机技术、通信技术、数据釆集与分析技术，并将GPS、GPRS、GIS、传感器技术相结合，从而实现菌毒种运输中的全过程监控。系统由车载终端、监控服务中心以及监控终端三大部分组成。首先由车载终端、人员定位设备进行信息釆集,并通过GPRS通信链路完成终端与监控服务器间的信息交互，监控服务中心负责数据的接收、分析、存储等管理工作，监控终端可为用户对车辆运输的监控提供接口。

运行结果表明，本系统能够准确监控菌毒种运输车辆以及护送人员的状态，在运输过程中出现异常情况时能够及时向相关责任人报警。另外，本系统具有传输速率高、误码率低、延时小、实时性强等特点，能够确保菌毒种运输过程中的高安全性。

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