基于ZigBee的艙內(nèi)人員巡檢系統(tǒng)的應用研究

李言勝++孫琳++王亞坤

摘要：大型船舶船艙內(nèi)部結構復雜，艙內(nèi)操作人員定位問題亟待解決。艙內(nèi)人員巡檢系統(tǒng)以ZigBee技術為核心，采用模塊化設計，整個系統(tǒng)分為：ZigBee終端設備、ZigBee路由器設備和ZigBee協(xié)調(diào)器設備。通過組建無線網(wǎng)格網(wǎng)絡（mesh網(wǎng)絡）進行數(shù)據(jù)傳輸，在上位機界面顯示人員位置信息。通過模擬實驗，此系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)艙內(nèi)人員的實時定位、災害報警、上位機顯示等功能，實現(xiàn)了ZigBee技術在艙內(nèi)人員定位系統(tǒng)中的應用。

關鍵詞： ZigBee技術； 人員定位； 無線通信； mesh網(wǎng)絡； 模塊化

中圖分類號：TP277 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）26-0238-02

Application of Operator Patrol System Based on ZigBee in the Cabin

LI Yan-sheng，SUN Lin，WANG Ya-kun

（College of Communication and Electronic Engineering， Qingdao University of Technological， Qingdao 266033， China）

Abstract：The cabin internal structure of large ship is complex， and the positioning problem of cabin operator should be solved urgently. The operator patrol system in the cabin takes the ZigBee technology as the core， uses the modular design. The whole system is divided into： ZigBee terminal equipment， ZigBee router equipment and ZigBee coordinator equipment. This system transmitted data by the mesh network， and displayed personnel location information in the host computer. By the simulation experiment， this system could realize the function of real-time positioning， disaster warning， and host computer display， and realize the application of operator patrol system based on ZigBee in the cabin.

Key words： ZigBee； personnel positioning； wireless communication； mesh； modularization

1 概述

大型艦船體型、規(guī)模、承載量巨大，其船艙內(nèi)部結構更是復雜多變，這給艦船指揮員對船上人員的掌控和艙內(nèi)緊急事故的處理增加了很大的難度。因此，在船艙控制中心實時觀測船艙內(nèi)部操作人員的位置和狀態(tài)，實現(xiàn)對艙內(nèi)人員的考勤和精確定位，并能夠及時收發(fā)報警信息，對于大型的、結構復雜的艦船內(nèi)部的操作人員的安全及工作效率的提高有著重要的意義。

目前，常見的人員定位技術中，全球定位技術（Global Positioning System，簡稱GPS）應用于室外定位，在室內(nèi)由于建筑物遮擋無法完成精確定位[1]；紅外線定位技術在傳輸過程中很容易受障礙物的影響且僅能進行視距內(nèi)的定位[2]；射頻識別系統(tǒng)（Radio Frequency Identification，簡稱RFID）應用于區(qū)域識別，無法在區(qū)域內(nèi)部實現(xiàn)人員的實時定位，且RFID讀卡器造價偏高[3]。

ZigBee技術是一種新興的低功耗、低復雜度、近距離的無線通信技術，適用于短距離無線通信[4]。它制定了新的通信標準，在無線傳感器網(wǎng)絡中隨機放置數(shù)個微型傳感器節(jié)點，構成一個無線傳感器網(wǎng)絡，節(jié)點之間相互通信交換數(shù)據(jù)來完成定位，每個節(jié)點之間通過路由的方式把數(shù)據(jù)信息從一個節(jié)點傳遞給另外一個節(jié)點[5][6]。 ZigBee 技術最重要的特征是低能耗和低成本[7]。因此，本研究選用ZigBee技術來完成船艙內(nèi)部操作人員安全巡檢系統(tǒng)的方案設計。

2 船艙內(nèi)部操作人員安全巡檢系統(tǒng)設計方案

本論文設計的船艙內(nèi)部操作人員安全巡檢系統(tǒng)方案如圖1所示。船艙安全巡檢系統(tǒng)根據(jù)每個模塊的功能和位置不同，由三個主要部分構成：ZigBee終端模塊，ZigBee路由器模塊和ZigBee協(xié)調(diào)器模塊[8]。根據(jù)各模塊的要求和具體任務，分別進行了硬件電路設計。

圖示說明：上圖九宮格中，每個格子代表一個船艙；每個船艙內(nèi)放置固定位置的ZigBee路由器設備，同時，每個船艙內(nèi)有數(shù)量不等的攜帶ZigBee終端設備的人員，ZigBee協(xié)調(diào)器接收ZigBee路由器設備發(fā)送的信號，并上傳至上位機進行數(shù)據(jù)處理和顯示。

該船艙巡檢系統(tǒng)中，在每一個船艙放置一個或多個固定位置的ZigBee路由器，這些路由器組成無線網(wǎng)格網(wǎng)絡（Mesh網(wǎng)絡）進行數(shù)據(jù)傳輸，可移動的ZigBee終端設備與ZigBee路由器組成星型網(wǎng)絡。本系統(tǒng)的核心問題是判斷人員進入哪一個ZigBee路由器的識別范圍。

當攜帶ZigBee終端設備的人員進入某一船艙后，ZigBee終端設備會每隔5s將自身的靜態(tài)、動態(tài)信息主動發(fā)送給附近的ZigBee路由器，發(fā)送完成后進入低功耗模式。船艙內(nèi)的ZigBee路由器檢測到該定位終端，并進行數(shù)據(jù)傳輸。然后，ZigBee路由器將自身的地址信息和接收到的若干ZigBee終端設備的信息一起打包發(fā)送給ZigBee協(xié)調(diào)器，經(jīng)過上位機的數(shù)據(jù)處理和傳輸顯示，判斷并確認終端設備所在的位置。當然可以在較大的船艙內(nèi)部放置多個路由器，進行精確定位。

由于ZigBee路由器的信號向四周輻射，因此當人員從一個船艙到了另一個船艙時，其終端設備可能仍然和上一個船艙內(nèi)的ZigBee路由器相連，這樣就不能和剛進入的船艙內(nèi)的路由器相連。為了解決該問題采用以下方法：

1）終端設備需要檢測ZigBee路由器信號的強度，通過接收到的ZigBee路由器信號的強度來判斷是否切換路由。

2）控制ZigBee路由器的發(fā)射信號，適當?shù)臏p小路由器的發(fā)射功率，避免出現(xiàn)上述情況。

3 各模塊硬件電路設計

3.1 ZigBee終端模塊

ZigBee終端模塊需要每位船艙內(nèi)操作人員隨身攜帶，這就要求其體積小，功耗低，成本低，靈敏度高，可充電。這為終端模塊的設計提出了要求：能夠?qū)崟r發(fā)送攜帶有ZigBee終端設備人員的個人信息和位置信息以實現(xiàn)定位功能；支持報警功能，當艙內(nèi)安全操作人員發(fā)現(xiàn)險情（漏水、火災等）時，可通過ZigBee終端設備上的報警按鈕及時向主機發(fā)出報警信息；當攜帶有ZigBee終端設備的工作人員由一個船艙進入另一個船艙時，ZigBee終端設可根據(jù)ZigBee路由器發(fā)出的信號強弱判斷是否切換連接，并自動完成切換。

根據(jù)上述設計需求，ZigBee終端模塊主要由四部分構成：CC2530主控芯片、電源管理模塊、終端按鍵、無線通信模塊。其系統(tǒng)設計如圖2所示。

考慮到電源模塊供電的可靠性、經(jīng)濟性，ZigBee終端設備選用鋰電池作為電源。同時，為了更直觀地顯示ZigBee終端設備的工作狀態(tài)，終端設備設計有LED指示燈，當設備開啟并且存有電量時，LED指示燈閃爍；否則，無任何指示。

3.2 ZigBee路由器模塊

ZigBee路由器模塊設計要求：ZigBee路由器需接收周圍若干ZigBee終端設備信號；ZigBee路由器能夠?qū)⒔邮盏降亩鄠€終端設備的信號強度信息和自身的地址信息匯總后發(fā)送到ZigBee協(xié)調(diào)器；ZigBee路由器能能夠確定終端設備是否報警，并采集自身電池電壓，上傳至ZigBee協(xié)調(diào)器。

根據(jù)以上設計要求，ZigBee路由器采用芯片CC2530+CC2591模塊控制，CC2591芯片進行功率放大。同時，采用了STM8系列單片機，以采集路由器電池電壓及發(fā)送報警信號。另外，還包括LED顯示模塊，無線通信模塊等，其系統(tǒng)設計如圖3所示。

3.3 ZigBee協(xié)調(diào)器模塊

ZigBee協(xié)調(diào)器模塊與ZigBee路由器模塊采用相同的模塊設計，通過CC2591芯片將信號功率放大，擴大信號傳輸范圍。

ZigBee協(xié)調(diào)器模塊設計需求：ZigBee協(xié)調(diào)器模塊需接收各艙內(nèi)ZigBee路由器發(fā)送來的數(shù)據(jù)信息，并上傳至上位機，由上位機進行數(shù)據(jù)處理并顯示；另外，當ZigBee終端模塊發(fā)出報警信號時，ZigBee協(xié)調(diào)器模塊能夠識別報警信號，并向ZigBee路由器設備發(fā)出報警信號，使路由器設備進行聲光報警，提醒周邊船艙內(nèi)部操作人員抓緊時間撤離危險區(qū)域。

ZigBee協(xié)調(diào)器模塊主要由CC2530芯片及CC2591芯片控制，同時設計有接口轉換電路、復位電路、穩(wěn)壓電路等。

4 船艙內(nèi)部操作人員安全巡檢系統(tǒng)測試

為了更好的檢測船艙內(nèi)部操作人員安全巡檢系統(tǒng)的功能和完整性，本文組建了一個簡易的無線定位仿真系統(tǒng)，進行定位測試，并選用了MyComPort V 4.1.1串口調(diào)試軟件進行串口調(diào)試。ZigBee路由器地址配置直接由撥碼開關控制，不使用單片機進行配置，更加方便、簡單。

為使同一信道不同網(wǎng)絡能同時工作，應更改ZigBee各模塊的PANID值，只有ZigBee各模塊的PANID和CHANNEL值均相同的模塊才能組成一個網(wǎng)絡，每個網(wǎng)絡都應該是1主機N路由的方式。

經(jīng)各模塊組網(wǎng)運行，系統(tǒng)測試效果如圖4所示。經(jīng)測試，船艙內(nèi)部操作人員安全巡檢系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)在相對封閉空間內(nèi)對人員的定位功能，并能實現(xiàn)ZigBee終端設備發(fā)送報警信號，上位機控制附近ZigBee路由器設備進行聲光報警等功能。

5 結論

ZigBee技術作為無線通訊領域的后起之秀，在短距離無線控制、數(shù)據(jù)傳輸領域都具有廣闊的應用前景。本文基于ZigBee技術構建船艙內(nèi)部覆蓋的無線傳感器網(wǎng)絡，使系統(tǒng)在成本、功耗以及綜合使用效果上有了很大的突破。本系統(tǒng)采用模塊化設計，并利用AD 09軟件進行了PCB制版制作。通過對該系統(tǒng)在模擬環(huán)境中的測試，驗證了本系統(tǒng)的可行性和實用性。通過測試，本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對ZigBee終端設備攜帶人員的艙內(nèi)實時定位，災害報警，上位機顯示等功能，實現(xiàn)了ZigBee技術在船艙內(nèi)部空間的定位應用。

參考文獻：

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