程真啟，宋玉杰

基于射頻技術(shù)的船舶艙室人員定位系統(tǒng)研究

程真啟，宋玉杰

（江蘇航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院輪機(jī)工程學(xué)院，江蘇南通 226010）

針對(duì)船舶發(fā)生事故時(shí)無法確認(rèn)艙室人員分布情況的問題，論文提出了基于射頻技術(shù)的船舶艙室人員定位系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法,并進(jìn)行了硬件和軟件的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)能夠滿足船舶日常人員管理及事故救援時(shí)的定位使用要求。

船舶 射頻技術(shù) 人員定位

0 引言

近年來，船舶艙室困人事故時(shí)有發(fā)生[1]，事故中的傷亡人數(shù)也有上升。在艙室發(fā)生困人事件時(shí)，存在救援人員與被困人員的信息溝通不及時(shí)以及救援人員難以及時(shí)動(dòng)態(tài)掌握被困人員的分布及作業(yè)情況等問題[2]，一旦發(fā)生事故，救援效率低。為了減少船舶艙室困人事故的發(fā)生、保障船員的人身安全，本文研究設(shè)計(jì)一套基于射頻技術(shù)的船舶人員定位系統(tǒng)。

射頻技術(shù)已在很多領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用[3]，比如在身份識(shí)別、智能交通、智能樓宇、智能物流等方面都取得了廣泛的應(yīng)用。但是射頻技術(shù)在船舶艙室人員定位方面的研究還比較少，本系統(tǒng)采用射頻識(shí)別技術(shù)對(duì)人員進(jìn)行非接觸識(shí)別，實(shí)現(xiàn)對(duì)人員進(jìn)行實(shí)時(shí)定位，希望通過本系統(tǒng)的研究能實(shí)現(xiàn)對(duì)人員位置的自動(dòng)識(shí)別和自動(dòng)管理，并實(shí)現(xiàn)無事故時(shí)的人員統(tǒng)計(jì)、管理和在發(fā)生事故時(shí)的艙室人員的數(shù)量、身份、位置的確認(rèn)。

1 基于射頻技術(shù)的船舶艙室人員定位系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

1）出入艙室記錄功能。系統(tǒng)能夠通過分散安裝在各艙室的射頻讀卡器自動(dòng)采集進(jìn)出艙室的帶射頻標(biāo)簽人員的信息，當(dāng)有人員在讀卡器的讀卡范圍內(nèi)出現(xiàn)時(shí)，該讀卡器就會(huì)采集到標(biāo)簽信息，并連同自身所處的觀測點(diǎn)位置信息一起上傳給安裝于駕駛臺(tái)的上位機(jī)，上位機(jī)管理軟件以艙室平面圖的形式顯示人員的位置分布。

2）實(shí)時(shí)監(jiān)控功能。系統(tǒng)能夠動(dòng)態(tài)顯示進(jìn)入艙室人員的位置變動(dòng)，在人員移動(dòng)的情況下可以通過上位機(jī)管理軟件的圖形化界面進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，從而可以實(shí)時(shí)確定進(jìn)入艙室人員的實(shí)際位置。這樣就可以使駕駛臺(tái)值班人員能夠直觀地把握人員的移動(dòng)和分布情況。

3）歷史活動(dòng)軌跡記錄功能。將進(jìn)入艙室人員的移動(dòng)情況儲(chǔ)存在上位機(jī)數(shù)據(jù)庫內(nèi)，可以生成艙室人員的歷史活動(dòng)軌跡，并能通過上位機(jī)的管理軟件實(shí)現(xiàn)查詢指定日期的任一人員的當(dāng)日活動(dòng)軌跡。

4）報(bào)表生成功能。上位機(jī)管理界面除了能以圖形化形式實(shí)時(shí)顯示進(jìn)入艙室人員的分布情況外，還能夠根據(jù)要求生成各類報(bào)表，用于日常的考勤、信息分類和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等。

1.2 總體框架設(shè)計(jì)

船舶艙室人員定位系統(tǒng)集計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、信息處理、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)等技術(shù)為一體，主要包括三部分設(shè)備：安裝于駕駛臺(tái)的上位機(jī)、安裝于各艙室的讀卡器、安裝于安全帽上的標(biāo)簽。系統(tǒng)示意圖如圖1所示。上位機(jī)通過計(jì)算機(jī)以及管理軟件來實(shí)現(xiàn)信息的匯總、存儲(chǔ)與管理；射頻讀卡器主要包括控制單元、通訊單元、射頻收發(fā)單元以及天線，用來讀寫進(jìn)入到射頻范圍內(nèi)的標(biāo)簽信息，實(shí)現(xiàn)信息采集；射頻標(biāo)簽用來存儲(chǔ)被識(shí)別人員的信息，射頻讀卡器通過射頻的形式對(duì)標(biāo)簽信息進(jìn)行讀寫操作，自動(dòng)識(shí)別被識(shí)別人員的身份，本系統(tǒng)的射頻標(biāo)簽采用無源標(biāo)簽，裝在安全帽上。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)通訊采用了多種模式，讀卡器與標(biāo)簽之間通過射頻模式通訊，讀卡器之間通過CAN總線通訊，與上位機(jī)的通訊采用的是RS232模式，讀卡器內(nèi)部控制單元與發(fā)送單元之間采用的是UART。

圖1 基于射頻技術(shù)的船舶艙室人員定位系統(tǒng)圖

1.3 系統(tǒng)工作流程

各艙室安裝的射頻讀卡器與進(jìn)入艙室人員安全帽上的射頻標(biāo)簽進(jìn)行無線通訊，實(shí)現(xiàn)對(duì)人員位置信息的采集。該信息通過現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)上傳給安裝在駕駛臺(tái)內(nèi)的上位機(jī)，并由管理軟件自動(dòng)存儲(chǔ)，這樣就實(shí)現(xiàn)了對(duì)人員在時(shí)間和空間上的定位，也能直觀顯示艙室人員的分布情況與移動(dòng)軌跡。

人員定位系統(tǒng)的工作過程為：上位機(jī)向射頻讀卡器傳送指令；射頻讀卡器檢測標(biāo)簽是否進(jìn)入到檢測范圍內(nèi)；射頻讀卡器通過無線信號(hào)供給射頻標(biāo)簽電源；射頻讀卡器通過無線信號(hào)將指令傳送到射頻標(biāo)簽；標(biāo)簽解釋和執(zhí)行指令，根據(jù)指令的要求用無線信號(hào)傳送自己所保存的ID等信息；射頻讀卡器收到信息，通過現(xiàn)場總線將采集的信息及位置信息傳送給上位機(jī)；上位機(jī)將ID數(shù)據(jù)和上位機(jī)數(shù)據(jù)庫對(duì)照，進(jìn)行身份識(shí)別。

2 系統(tǒng)硬件、軟件設(shè)計(jì)

2.1 射頻讀卡器硬件設(shè)計(jì)

射頻讀卡器是射頻識(shí)別系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的讀卡器主要包括：控制單元、通訊單元、射頻收發(fā)單元和天線單元四個(gè)部分。讀卡器各組成單元之間的關(guān)系如圖2所示。其任務(wù)是由控制單元控制收發(fā)單元通過天線單元向標(biāo)簽發(fā)送讀取信息信號(hào)，接著通過收發(fā)單元接收標(biāo)簽的應(yīng)答信號(hào)，并由控制單元對(duì)標(biāo)簽發(fā)送回來的標(biāo)識(shí)信息進(jìn)行解碼，然后通過通訊單元將接收的標(biāo)簽信息傳輸?shù)缴衔粰C(jī)作進(jìn)一步處理。

圖2 讀卡器各組成單元之間的關(guān)系圖

收發(fā)單元和天線單元是讀卡器產(chǎn)生高頻射頻發(fā)射能量、激活標(biāo)簽并為其提供電源的關(guān)鍵部分，它能夠接收并解調(diào)來自標(biāo)簽的射頻信號(hào)。本系統(tǒng)的收發(fā)單元和天線單元采用OEM設(shè)計(jì)理念，選用了美國Skyetek公司開發(fā)的SkyeModule M8模塊，該模塊與所選配的天線一起自動(dòng)完成識(shí)別射頻標(biāo)簽，并通過標(biāo)準(zhǔn)的總線接口傳輸信息。

控制單元的主要功能就是：與收發(fā)單元通信獲得射頻標(biāo)簽信息；處理標(biāo)簽信息；將標(biāo)簽信息上傳給上位機(jī)，同時(shí)也接收上位機(jī)對(duì)讀卡器的控制指令。

控制單元和通訊單元?jiǎng)t是典型的以單片機(jī)為核心的嵌入式系統(tǒng)，原理框圖如圖3所示。

圖3 控制單元和通訊單元的原理框圖

2.2 讀卡器軟件設(shè)計(jì)

圖4 主程序流程圖

由于本系統(tǒng)讀卡器采用OEM設(shè)計(jì)理念，選用了M8模塊，使得整個(gè)讀卡器的設(shè)計(jì)大為簡化，需要詳細(xì)設(shè)計(jì)的只有控制模塊，而控制模塊的程序又以通訊功能為主，分別由初始化子程序、主程序、與M8模塊的串口通訊子程序、CAN總線通訊子程序等部分組成。其中主程序如圖4所示。

2.3 上位機(jī)監(jiān)控軟件功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用一臺(tái)上位計(jì)算機(jī)對(duì)所采集的人員信息進(jìn)行存儲(chǔ)與管理，上位機(jī)以MCGS組態(tài)軟件為平臺(tái)，設(shè)計(jì)了管理界面，其功能框圖如圖5所示。

圖5 管理軟件的功能框圖

3 結(jié)束語

基于射頻技術(shù)的船舶艙室人員定位系統(tǒng)通過對(duì)船舶艙室中的移動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行非接觸式信息采集，既能實(shí)現(xiàn)日常工作時(shí)的人員考勤、統(tǒng)計(jì)和管理工作，也能在發(fā)生事故時(shí)確定艙室被困人員的身份、數(shù)量和位置，以便快速有效地進(jìn)行救援。

[1] 張晨. 船舶火災(zāi)煙氣蔓延與人員疏散模擬研究[D]. 大連: 大連海事大學(xué), 2020.

[2] 祝能等. 傳感器數(shù)據(jù)在船舶數(shù)字化中的應(yīng)用價(jià)值與挑戰(zhàn)[J]. 中國造船, 2019 (03): 209-223.

[3] 胡江虹. 射頻技術(shù)在智能物流管理系統(tǒng)的應(yīng)用研究[J]. 自動(dòng)化與儀器儀表, 2016 (01): 95-96.

Research on Personnel Positioning System of Ship Cabin based on RFID Technology

Cheng Zhenqi, Song Yujie

(Marine Engineering Department of Jiangsu Shipping College, Nantong, 226010, Jiangsu, China)

TP212.9

A

1003-4862(2021)-10-0052-03

2021-02-20

2020年江蘇省大學(xué)生創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目“基于射頻技術(shù)的船舶艙室人員定位系統(tǒng)”

程真啟（1976-），船舶電機(jī)員，研究方向：船舶電氣設(shè)備及自動(dòng)化和航海教育。E-mail: chengzq@jssc.edu.cn