顧霄羅

摘要：對于海上航行的船舶而言，能夠準(zhǔn)確對船上的人員進(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)的特點和工作方式，選取定位芯片的硬件和軟件進(jìn)行分析，實現(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

隨著航運市場規(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配有指揮艙、動力艙、居住艙等，同時也可能配有武備艙和輔機艙等。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，危險系數(shù)較高。而各個艙室內(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)行實時監(jiān)控，因此，及時準(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)生事故時可以第一時間進(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更長的時間。人員定位系統(tǒng)的智能化系統(tǒng)應(yīng)運而生，RFID（Radio Frequency Identification）射頻識別技術(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，在運用時候需要設(shè)置系統(tǒng)的構(gòu)架，并且需要對設(shè)備進(jìn)行維護(hù)，帶來了許多不便。而ZigBee雖然運行速率、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作戰(zhàn)效率。

1ZigBee人員定位系統(tǒng)的總體設(shè)計

1.1? ZigBee的由來

蜜蜂在采蜜的時候，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)點作為參考位置，作為已知的參考節(jié)點，利用這些節(jié)點定位進(jìn)行信息的采集，根據(jù)時間或者是信號的強弱收集數(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量法、多變測量法等。

最大最小測量法：這種方法在實際的運用中，計算量比較簡單，計算速度較快，但是測算的結(jié)果精確度較低，只是一個比較模糊的區(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算的結(jié)果。在運用中，根據(jù)一個參考的節(jié)點的位置以及測算的距離，就可以確定一個區(qū)域。根據(jù)多個區(qū)域重疊的部分就可以確定參考節(jié)點所在的位置。圖1中R1所在的矩形區(qū)域可以表示為：

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

運用標(biāo)準(zhǔn)最小方程的方法可以得到參考點的P的估計坐標(biāo)為：

2人員定位系統(tǒng)的總體設(shè)計

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

該系統(tǒng)在使用的時候，首先需要在人員身上安置可以移動的節(jié)點，這個節(jié)點同時包含了本人的信息，在另一端布置好移動節(jié)點信息的接收裝置。在確認(rèn)使用時候，移動節(jié)點可以連續(xù)不斷地向接收裝置發(fā)送ZigBee無限信號，接收裝置可以實時對人員定位，確定人員所在位置，并且也可以使本節(jié)點附近的參考節(jié)點接收本設(shè)備的無限信號，參考節(jié)點在將人員的移動位置信息發(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算機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、人員識別功能、人員定位功能、人員報警功能、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，分別為移動節(jié)點、參考節(jié)點和通訊設(shè)備。其中移動節(jié)點是用于人員身上的可以隨時根據(jù)人員的位置發(fā)送信息的設(shè)備;參考節(jié)點可以安裝在船艙內(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。該模塊是人員移動點信息和參考節(jié)點間重要的通信工具，也是設(shè)計中的重點。在硬件的選用時候，通過對比各種ZigBee芯片，最終選用了CC2430芯片。有以下特點：

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

第二，在使用中的能源消耗低，持續(xù)工作的時間比較長。

第三，成本低，系統(tǒng)組裝中話費的費用少。

第四，覆蓋區(qū)域廣，節(jié)點多，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。

3.2 移動節(jié)點的組成

在船上，需要對人員進(jìn)行全天候的實時監(jiān)控，所以CC2430芯片中將32MHz的石英諧振器（XTAL）和2個27pF的電容組成系統(tǒng)晶振，作為系統(tǒng)的時間使用。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，避免電流值波動對芯片的損壞，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)點的組成

由于參考節(jié)點作為信心的接收裝置，所以可以將參考節(jié)點安裝在某些固定位置的避免改裝置的波動對信息接收的影響，故采用桿狀天線。這種裝置的天線可以使得參考節(jié)點在最大的范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)移動節(jié)點的目標(biāo)，同時也可以減少參考節(jié)點得設(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)的順利實現(xiàn)，不僅需要較好的硬件設(shè)施，同時也離不開軟件設(shè)施的設(shè)計。良好的硬件是軟件設(shè)計的基礎(chǔ)，但是軟件設(shè)計的好壞卻可以直接影響到整個系統(tǒng)。

4.1 軟件的開發(fā)環(huán)境

ZigBee軟件的設(shè)計采用了瑞典公司的CC2430軟件開發(fā)平臺。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。對于開發(fā)新項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的免費版本，便于設(shè)計和方便使用。它是建立在操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對事件進(jìn)行處理，只有每層都處理完，該系統(tǒng)才會進(jìn)入低耗能，一旦有事情發(fā)生，該系統(tǒng)就會喚醒進(jìn)行事件處理。當(dāng)說個事件同時發(fā)生的時候，該系統(tǒng)會根據(jù)事件的重要性做好優(yōu)先處理。運行分為以下：

第一是系統(tǒng)的啟動。主要是關(guān)閉了所用的中斷，對系統(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)的初始化主要是對系統(tǒng)的硬件進(jìn)行設(shè)置，喚醒系統(tǒng)中的各個驅(qū)動層，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)會按照事件的優(yōu)先級進(jìn)行處理，如果此時沒有任務(wù)該系統(tǒng)就會進(jìn)入低耗能的休眠。

4.3? ZigBee軟件設(shè)計

移動節(jié)點的數(shù)據(jù)通信：在設(shè)備啟動之后，首先需要設(shè)置ZigBee模塊，之后將中斷打開，中斷循環(huán)等待。在沒有中斷請求的時候，移動節(jié)點的數(shù)據(jù)通信會自動搜索自身附近的參考節(jié)點，并向參考節(jié)點傳遞自身的信息和位置，是否正常以及報警燈信息;如果有呼叫信息，則中斷命令就會喚醒，然后接受信息，之后對接受的信息進(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，會啟動呼叫裝置：燈光閃爍，鈴聲響起。如果不是，繼續(xù)中斷。移動節(jié)點工作函數(shù)見表1。

SPI工作方式：FM25C160支持SPI方式0和方式3。使用時，在茂信號的下降沿，時鐘線和數(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ZigBee軟件的特點進(jìn)行了介紹，同時在海中對船舶這種特殊的工作環(huán)境中的應(yīng)用了簡單的應(yīng)用說明。該軟件選用了比較先進(jìn)的CC2430芯片進(jìn)行移動節(jié)點和參考節(jié)點的通訊，同時在軟件中選擇Z-Stack協(xié)議棧實現(xiàn)了移動節(jié)點和參考節(jié)點的順利工作。為人員定位打好了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1] 張顯庫，任光，劉軍，趙衛(wèi)軍，賈欣樂.綜合船舶監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].中國造船，2002（02）：73-82.

[2] 劉志強.ZigBee技術(shù)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)研究[J].電腦知識與技術(shù)，2019，15（36）：222-223.

[3] 張靚.無線電子通信技術(shù)的應(yīng)用及安全分析[J].無線互聯(lián)科技，2018，15（23）：10-12.

[4] 劉瓊，周志光，朱志偉.基于CC2430的低功耗Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計[J].湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2009，9（05）：15-16.

[5] 丁明玲，李林江.基于ZigBee的無線傳感網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)[J].廣東通信技術(shù)，2017，37（12）：69-72.

[6] 關(guān)學(xué)忠，張新城，孟伸伸.基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由算法的性能分析[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用，2017，36（03）：36-39.

[7] 楊怡婷，歐陽名三.基于ZigBee技術(shù)和CC2530模塊的無線溫度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].湖南工程學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2019，29（02）：40-43.