李言勝++孫琳++王亞坤

摘要：大型船舶船艙內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)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(shù)為核心，采用模塊化設(shè)計(jì)，整個系統(tǒng)分為：ZigBee終端設(shè)備、ZigBee路由器設(shè)備和ZigBee協(xié)調(diào)器設(shè)備。通過組建無線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)（mesh網(wǎng)絡(luò)）進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，在上位機(jī)界面顯示人員位置信息。通過模擬實(shí)驗(yàn)，此系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)艙內(nèi)人員的實(shí)時定位、災(zāi)害報警、上位機(jī)顯示等功能，實(shí)現(xiàn)了ZigBee技術(shù)在艙內(nèi)人員定位系統(tǒng)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞： ZigBee技術(shù)； 人員定位； 無線通信； mesh網(wǎng)絡(luò)； 模塊化

中圖分類號：TP277 文獻(xiàn)標(biāo)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(jié)構(gòu)更是復(fù)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(shí)時觀測船艙內(nèi)部操作人員的位置和狀態(tài)，實(shí)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(jié)構(gòu)復(fù)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(shù)中，全球定位技術(shù)（Global Positioning System，簡稱GPS）應(yīng)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(shù)在傳輸過程中很容易受障礙物的影響且僅能進(jìn)行視距內(nèi)的定位[2]；射頻識別系統(tǒng)（Radio Frequency Identification，簡稱RFID）應(yīng)用于區(qū)域識別，無法在區(qū)域內(nèi)部實(shí)現(xiàn)人員的實(shí)時定位，且RFID讀卡器造價偏高[3]。

ZigBee技術(shù)是一種新興的低功耗、低復(fù)雜度、近距離的無線通信技術(shù)，適用于短距離無線通信[4]。它制定了新的通信標(biāo)準(zhǔn)，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中隨機(jī)放置數(shù)個微型傳感器節(jié)點(diǎn)，構(gòu)成一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)之間相互通信交換數(shù)據(jù)來完成定位，每個節(jié)點(diǎn)之間通過路由的方式把數(shù)據(jù)信息從一個節(jié)點(diǎn)傳遞給另外一個節(jié)點(diǎn)[5][6]。 ZigBee 技術(shù)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(shù)來完成船艙內(nèi)部操作人員安全巡檢系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)。

2 船艙內(nèi)部操作人員安全巡檢系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本論文設(shè)計(jì)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(gòu)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(wù)，分別進(jìn)行了硬件電路設(shè)計(jì)。

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(shè)備，同時，每個船艙內(nèi)有數(shù)量不等的攜帶ZigBee終端設(shè)備的人員，ZigBee協(xié)調(diào)器接收ZigBee路由器設(shè)備發(fā)送的信號，并上傳至上位機(jī)進(jìn)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(luò)（Mesh網(wǎng)絡(luò)）進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，可移動的ZigBee終端設(shè)備與ZigBee路由器組成星型網(wǎng)絡(luò)。本系統(tǒng)的核心問題是判斷人員進(jìn)入哪一個ZigBee路由器的識別范圍。

當(dāng)攜帶ZigBee終端設(shè)備的人員進(jìn)入某一船艙后，ZigBee終端設(shè)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(jìn)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(jìn)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(shè)備的信息一起打包發(fā)送給ZigBee協(xié)調(diào)器，經(jīng)過上位機(jī)的數(shù)據(jù)處理和傳輸顯示，判斷并確認(rèn)終端設(shè)備所在的位置。當(dāng)然可以在較大的船艙內(nèi)部放置多個路由器，進(jìn)行精確定位。

由于ZigBee路由器的信號向四周輻射，因此當(dāng)人員從一個船艙到了另一個船艙時，其終端設(shè)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(jìn)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(shè)備需要檢測ZigBee路由器信號的強(qiáng)度，通過接收到的ZigBee路由器信號的強(qiáng)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(dāng)?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(shè)計(jì)

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(shè)計(jì)提出了要求：能夠?qū)崟r發(fā)送攜帶有ZigBee終端設(shè)備人員的個人信息和位置信息以實(shí)現(xiàn)定位功能；支持報警功能，當(dāng)艙內(nèi)安全操作人員發(fā)現(xiàn)險情（漏水、火災(zāi)等）時，可通過ZigBee終端設(shè)備上的報警按鈕及時向主機(jī)發(fā)出報警信息；當(dāng)攜帶有ZigBee終端設(shè)備的工作人員由一個船艙進(jìn)入另一個船艙時，ZigBee終端設(shè)可根據(jù)ZigBee路由器發(fā)出的信號強(qiáng)弱判斷是否切換連接，并自動完成切換。

根據(jù)上述設(shè)計(jì)需求，ZigBee終端模塊主要由四部分構(gòu)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(shè)計(jì)如圖2所示。

考慮到電源模塊供電的可靠性、經(jīng)濟(jì)性，ZigBee終端設(shè)備選用鋰電池作為電源。同時，為了更直觀地顯示ZigBee終端設(shè)備的工作狀態(tài)，終端設(shè)備設(shè)計(jì)有LED指示燈，當(dāng)設(shè)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(shè)計(jì)要求：ZigBee路由器需接收周圍若干ZigBee終端設(shè)備信號；ZigBee路由器能夠?qū)⒔邮盏降亩鄠€終端設(shè)備的信號強(qiáng)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(shè)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(shè)計(jì)要求，ZigBee路由器采用芯片CC2530+CC2591模塊控制，CC2591芯片進(jìn)行功率放大。同時，采用了STM8系列單片機(jī)，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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)，通過CC2591芯片將信號功率放大，擴(kuò)大信號傳輸范圍。

ZigBee協(xié)調(diào)器模塊設(shè)計(jì)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(jī)，由上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并顯示；另外，當(dāng)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(shè)備發(fā)出報警信號，使路由器設(shè)備進(jìn)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(shè)計(jì)有接口轉(zhuǎn)換電路、復(fù)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(jìn)行定位測試，并選用了MyComPort V 4.1.1串口調(diào)試軟件進(jìn)行串口調(diào)試。ZigBee路由器地址配置直接由撥碼開關(guān)控制，不使用單片機(jī)進(jìn)行配置，更加方便、簡單。

為使同一信道不同網(wǎng)絡(luò)能同時工作，應(yīng)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(luò)，每個網(wǎng)絡(luò)都應(yīng)該是1主機(jī)N路由的方式。

經(jīng)各模塊組網(wǎng)運(yùn)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(shí)現(xiàn)ZigBee終端設(shè)備發(fā)送報警信號，上位機(jī)控制附近ZigBee路由器設(shè)備進(jìn)行聲光報警等功能。

5 結(jié)論

ZigBee技術(shù)作為無線通訊領(lǐng)域的后起之秀，在短距離無線控制、數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景。本文基于ZigBee技術(shù)構(gòu)建船艙內(nèi)部覆蓋的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，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(shè)計(jì)，并利用AD 09軟件進(jìn)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(yàn)證了本系統(tǒng)的可行性和實(shí)用性。通過測試，本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對ZigBee終端設(shè)備攜帶人員的艙內(nèi)實(shí)時定位，災(zāi)害報警，上位機(jī)顯示等功能，實(shí)現(xiàn)了ZigBee技術(shù)在船艙內(nèi)部空間的定位應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 秦曉靜. 基于ZigBee技術(shù)的井下人員定位系統(tǒng)的研究[D]. 長春：長春理工大學(xué)，2012.

[2] 呂文婷. 基于ZigBee技術(shù)的無線定位系統(tǒng)的研究[D]. 哈爾濱：黑龍江大學(xué)，2009.

[3] 陳峰. 基于ZigBee的井下人員定位系統(tǒng)的研究[D]. 焦作：河南理工大學(xué)，2012.

[4] 胡柯，郭壯輝，汪鐳. 無線通信技術(shù)ZigBee研究[J]. 電腦知識與技術(shù)，2008（6）：1049-1051.

[5] 張朋. 基于ZigBee的室內(nèi)人員定位監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 信息技術(shù)，2010（10）：34-37.

[6] 劉洋，楊潔明. 基于CC2431的井下人員定位方法研究[J]. 煤礦機(jī)械，2010，31（6）：49-51.

[7] 王權(quán)平，王莉. ZigBee技術(shù)及其應(yīng)用[J]. 現(xiàn)代電信科技，2004（1）：7-10.

[8] 李永龍，楊明楓，曹瑩瑩. 基于ZigBee的無線溫度監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 電腦知識與技術(shù)，2013（15）.