人員定位系統(tǒng)在航海船舶中的應(yīng)用

顧霄羅

摘要：對(duì)于海上航行的船舶而言，能夠準(zhǔn)確對(duì)船上的人員進(jìn)行定位，可以較好地管理船舶工作，甚至能夠決定海上作戰(zhàn)的成敗。本文基于利用ZigBee人員定位系統(tǒng)，介紹了該軟件在人員定位中的工作方式，介紹了ZigBee技術(shù)的特點(diǎn)和工作方式，選取定位芯片的硬件和軟件進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)了航海事業(yè)人員定位系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變。

關(guān)鍵詞：人員定位;ZigBee技術(shù);航海

0? 引 言

隨著航運(yùn)市場(chǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，船舶的發(fā)展趨于大型化和復(fù)雜化，其職能化水平也在不斷地提升。大型船舶艙室較多，在基本艙室中一般會(huì)配有指揮艙、動(dòng)力艙、居住艙等，同時(shí)也可能配有武備艙和輔機(jī)艙等。船舶內(nèi)部的連接也比較復(fù)雜，電路較多，管道多且封閉，在航海中環(huán)境閉塞，危險(xiǎn)系數(shù)較高。而各個(gè)艙室內(nèi)部的氣壓、溫度、人員數(shù)量也不同，氣體管道等也分布在艙室中，在航海中這些因素對(duì)人員的安全帶來了一定的威脅。另外，海上的氣候變化較大，條件惡劣，船舶本身的監(jiān)控系統(tǒng)也不可能全方位、多角度地進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，因此，及時(shí)準(zhǔn)確地掌握船舶人員定位信息和艙室內(nèi)的環(huán)境，在發(fā)生事故時(shí)可以第一時(shí)間進(jìn)行指揮和準(zhǔn)確定位人員的位置，方便指揮人員進(jìn)行有效的指揮，同時(shí)也保障船上人員的安全。

傳統(tǒng)的人員定位方式是以船上調(diào)度廣播的形式來定位，但是這種方式只能確定人員位置，對(duì)于人員的其他信息不得而知，指揮員如果想準(zhǔn)確了解人員的具體信息需要花費(fèi)更長(zhǎng)的時(shí)間。人員定位系統(tǒng)的智能化系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，RFID（Radio Frequency Identification）射頻識(shí)別技術(shù)就是其中之一，且廣泛地應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)、文化、教育、國防等領(lǐng)域，但是這種方式采用的是有線傳輸，在運(yùn)用時(shí)候需要設(shè)置系統(tǒng)的構(gòu)架，并且需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)，帶來了許多不便。而ZigBee雖然運(yùn)行速率、成本和消耗也低，該技術(shù)主要采用的是無線技術(shù)，在航海中可以極大縮短人員定位系統(tǒng)構(gòu)架的時(shí)間，減少了支出，遇上海上突發(fā)情況，可以準(zhǔn)確掌握人員的信息，給指揮員的指揮帶來了變量，提高了人員管理效率和船隊(duì)作戰(zhàn)效率。

1ZigBee人員定位系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

1.1? ZigBee的由來

蜜蜂在采蜜的時(shí)候，往往通過自身特殊的肢體語言向同伴們傳遞信息，告訴同伴花叢的位置，這種肢體語言傳遞的效率高，信息的傳遞也可以看成是ZigZag的舞蹈。因此，借鑒這種方式將ZigBee看成是一種高效可靠的無限傳遞信息的方式進(jìn)行命名。

1.2? ZigZag定位原理

基本原理是利用一些已知的節(jié)點(diǎn)作為參考位置，作為已知的參考節(jié)點(diǎn)，利用這些節(jié)點(diǎn)定位進(jìn)行信息的采集，根據(jù)時(shí)間或者是信號(hào)的強(qiáng)弱收集數(shù)據(jù)信息，然后根據(jù)定位算法可以得到定節(jié)點(diǎn)的信息。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，坐標(biāo)定位的方法也在不斷改進(jìn)，其中主要的有最大最小測(cè)量法、多變測(cè)量法等。

最大最小測(cè)量法：這種方法在實(shí)際的運(yùn)用中，計(jì)算量比較簡(jiǎn)單，計(jì)算速度較快，但是測(cè)算的結(jié)果精確度較低，只是一個(gè)比較模糊的區(qū)域，具體的位置仍然不確定。如圖1中的陰影部分就是該方法的測(cè)算的結(jié)果。在運(yùn)用中，根據(jù)一個(gè)參考的節(jié)點(diǎn)的位置以及測(cè)算的距離，就可以確定一個(gè)區(qū)域。根據(jù)多個(gè)區(qū)域重疊的部分就可以確定參考節(jié)點(diǎn)所在的位置。圖1中R1所在的矩形區(qū)域可以表示為：

在測(cè)量時(shí)候，需要先設(shè)定節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，如圖2所示，可以設(shè)點(diǎn)的坐標(biāo)分別為R1（x1，y1），R2（x2，y2），.....Rn（xn，yn），同時(shí)設(shè)移動(dòng)的點(diǎn)的坐標(biāo)為P（x，y），該點(diǎn)與其他參考點(diǎn)的距離分別為d1，d2，.....dn 可以得到的方程組為：

運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)最小方程的方法可以得到參考點(diǎn)的P的估計(jì)坐標(biāo)為：

2人員定位系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

船舶在行駛中會(huì)容易顛簸，船上的電子設(shè)備比較多，有的地方溫度較高，所以在使用時(shí)候?qū)煽啃蕴岢隽艘?。系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)候需要滿足耐高溫、良好的抗震性、與其他設(shè)備不能相互干擾、簡(jiǎn)單輕小等條件。主要是定位船內(nèi)人員的位置并進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤定位，如果有人員發(fā)生緊急事件也可以及時(shí)向其他人求救。

該系統(tǒng)在使用的時(shí)候，首先需要在人員身上安置可以移動(dòng)的節(jié)點(diǎn)，這個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)包含了本人的信息，在另一端布置好移動(dòng)節(jié)點(diǎn)信息的接收裝置。在確認(rèn)使用時(shí)候，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)可以連續(xù)不斷地向接收裝置發(fā)送ZigBee無限信號(hào)，接收裝置可以實(shí)時(shí)對(duì)人員定位，確定人員所在位置，并且也可以使本節(jié)點(diǎn)附近的參考節(jié)點(diǎn)接收本設(shè)備的無限信號(hào)，參考節(jié)點(diǎn)在將人員的移動(dòng)位置信息發(fā)送到監(jiān)控中心的服務(wù)器上，服務(wù)器接收到信息之后通過計(jì)算機(jī)屏幕便可以顯示人員的位置。

此外，人員定位系統(tǒng)也具有信息錄入功能、人員識(shí)別功能、人員定位功能、人員報(bào)警功能、用戶使用呼叫功能等。該系統(tǒng)的框架如圖3所示：

3? 硬件總體設(shè)計(jì)及說明

人員定位系統(tǒng)的硬件設(shè)備中主要有3種，分別為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)、參考節(jié)點(diǎn)和通訊設(shè)備。其中移動(dòng)節(jié)點(diǎn)是用于人員身上的可以隨時(shí)根據(jù)人員的位置發(fā)送信息的設(shè)備;參考節(jié)點(diǎn)可以安裝在船艙內(nèi)或者艙室內(nèi)的用于接收人員信息并根據(jù)人員信息反饋給終端設(shè)備，該設(shè)備是一個(gè)中間橋梁，是信息的中轉(zhuǎn)站，如圖4所示。

3.1 CC2430模塊

該模塊主要是由8051微控制器、無線收發(fā)器以及天線組成。該模塊是人員移動(dòng)點(diǎn)信息和參考節(jié)點(diǎn)間重要的通信工具，也是設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)。在硬件的選用時(shí)候，通過對(duì)比各種ZigBee芯片，最終選用了CC2430芯片。有以下特點(diǎn)：

第一， 該芯片的內(nèi)核中選用8051控制器，開發(fā)和設(shè)計(jì)比較方便。

第二，在使用中的能源消耗低，持續(xù)工作的時(shí)間比較長(zhǎng)。

第三，成本低，系統(tǒng)組裝中話費(fèi)的費(fèi)用少。

第四，覆蓋區(qū)域廣，節(jié)點(diǎn)多，信息傳送的距離比較遠(yuǎn)。

第五，安全度高，信息在傳送中安全系數(shù)高。

第六，通用性強(qiáng)。

3.2 移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的組成

在船上，需要對(duì)人員進(jìn)行全天候的實(shí)時(shí)監(jiān)控，所以CC2430芯片中將32MHz的石英諧振器（XTAL）和2個(gè)27pF的電容組成系統(tǒng)晶振，作為系統(tǒng)的時(shí)間使用。CC2430的使用的電壓為2種，分別是3.3 V和1.8 V。其中3.3V的電源來源于外部電源，可以給芯片內(nèi)外進(jìn)行供電;而1.8V是有芯片內(nèi)部產(chǎn)生的，供給內(nèi)核使用并且將信息給使用108 V的管腳。為了防止電源收到輻射和耦合作用的影響，系統(tǒng)中的電源在使用中進(jìn)行了去耦處理。另外，為了保證電路電流值的穩(wěn)定，避免電流值波動(dòng)對(duì)芯片的損壞，所以在電路中也安裝了偏置電阻器。聲光呼叫模塊電路釆用蜂鳴器和發(fā)光二極管組成。

3.3 參考節(jié)點(diǎn)的組成

由于參考節(jié)點(diǎn)作為信心的接收裝置，所以可以將參考節(jié)點(diǎn)安裝在某些固定位置的避免改裝置的波動(dòng)對(duì)信息接收的影響，故采用桿狀天線。這種裝置的天線可以使得參考節(jié)點(diǎn)在最大的范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的目標(biāo)，同時(shí)也可以減少參考節(jié)點(diǎn)得設(shè)置數(shù)量，減少成本。無線通信模塊在數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)候選用CC2430的3管腳P1.5和4管腳P1.4分別與LPC2378的P2.2和P2.1連接，方便傳送。

4軟件設(shè)計(jì)和應(yīng)用

人員定位系統(tǒng)中，最重要的是無線通信這一環(huán)節(jié)，而改環(huán)節(jié)的順利實(shí)現(xiàn)，不僅需要較好的硬件設(shè)施，同時(shí)也離不開軟件設(shè)施的設(shè)計(jì)。良好的硬件是軟件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，但是軟件設(shè)計(jì)的好壞卻可以直接影響到整個(gè)系統(tǒng)。

4.1 軟件的開發(fā)環(huán)境

ZigBee軟件的設(shè)計(jì)采用了瑞典公司的CC2430軟件開發(fā)平臺(tái)。開發(fā)環(huán)境較好，有C/C++編譯器，工程管理器、AVR IAR匯編器，這種環(huán)境中可以開發(fā)使用范圍較廣的微處理器和微控制器，不僅可以有8位、16位，也可以兼顧32位的。對(duì)于開發(fā)新項(xiàng)目的用戶也能夠比較熟悉的掌握，使用起來比較方便，節(jié)省論文用戶的時(shí)間。

4.2 Z-Stack工作流程

在ZigBee2006協(xié)議中，為了使用便捷和通用，采用Z-Stack的免費(fèi)版本，便于設(shè)計(jì)和方便使用。它是建立在操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對(duì)事件進(jìn)行處理，只有每層都處理完，該系統(tǒng)才會(huì)進(jìn)入低耗能，一旦有事情發(fā)生，該系統(tǒng)就會(huì)喚醒進(jìn)行事件處理。當(dāng)說個(gè)事件同時(shí)發(fā)生的時(shí)候，該系統(tǒng)會(huì)根據(jù)事件的重要性做好優(yōu)先處理。運(yùn)行分為以下：

第一是系統(tǒng)的啟動(dòng)。主要是關(guān)閉了所用的中斷，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行上電，做好系統(tǒng)的初始化。

第二是初始化。該階段中系統(tǒng)的初始化主要是對(duì)系統(tǒng)的硬件進(jìn)行設(shè)置，喚醒系統(tǒng)中的各個(gè)驅(qū)動(dòng)層，將他們分配物理地址。而OSAL初始化是為了系統(tǒng)進(jìn)入OSAL輪詢主循環(huán)做準(zhǔn)備。

第三是進(jìn)入OSAL主循環(huán)。如果就緒的任務(wù)比較多那么該系統(tǒng)會(huì)按照事件的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行處理，如果此時(shí)沒有任務(wù)該系統(tǒng)就會(huì)進(jìn)入低耗能的休眠。

4.3? ZigBee軟件設(shè)計(jì)

移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)通信：在設(shè)備啟動(dòng)之后，首先需要設(shè)置ZigBee模塊，之后將中斷打開，中斷循環(huán)等待。在沒有中斷請(qǐng)求的時(shí)候，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)通信會(huì)自動(dòng)搜索自身附近的參考節(jié)點(diǎn)，并向參考節(jié)點(diǎn)傳遞自身的信息和位置，是否正常以及報(bào)警燈信息;如果有呼叫信息，則中斷命令就會(huì)喚醒，然后接受信息，之后對(duì)接受的信息進(jìn)行判斷，根據(jù)判斷的信息選擇是否喚醒自己，如果選擇喚醒自己，會(huì)啟動(dòng)呼叫裝置：燈光閃爍，鈴聲響起。如果不是，繼續(xù)中斷。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)工作函數(shù)見表1。

SPI工作方式：FM25C160支持SPI方式0和方式3。使用時(shí)，在茂信號(hào)的下降沿，時(shí)鐘線和數(shù)據(jù)線的狀態(tài)即可確定FM25C160工作方式。采用SPI方式0（CPOL=0，CPHA=0）。

6? 結(jié) 論

本文主要對(duì)ZigBee軟件的特點(diǎn)進(jìn)行了介紹，同時(shí)在海中對(duì)船舶這種特殊的工作環(huán)境中的應(yīng)用了簡(jiǎn)單的應(yīng)用說明。該軟件選用了比較先進(jìn)的CC2430芯片進(jìn)行移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和參考節(jié)點(diǎn)的通訊，同時(shí)在軟件中選擇Z-Stack協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和參考節(jié)點(diǎn)的順利工作。為人員定位打好了基礎(chǔ)。

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