基于ZigBee技术的远洋测量船舶信息化管理系统构建

晋荣 赵乾宏 刘明波 杨洋

【摘  要】

为了提升远洋测量船舶的信息化管理水平，以无线传感技术ZigBee为基础，设计了一套能够在远洋测量船舶实现设备状态监视、人员流动管理、数据资源共享以及局域网通信等功能的系统。实际环境中的测试结果表明，该系统具有良好的交互性、可扩展性，能够提供全船主要范围内的人员及设备的定位与管理、无线语音通信、环境参数采集、门禁以及一键报警的功能，可提升远洋大型船舶设备和人员的信息化管理水平。

【关键词】便携式设备;远洋测量船舶;ZigBee

[Abstract]

In order to improve the information management level of ocean-surveying ships， based on ZigBee wireless sensor technology， this paper designs a set of system in the ocean-surveying ship for equipment status monitoring， personnel flow management， data resource sharing， LAN communication and other functions. Through the test in the actual environment， the results show that the system has good interactivity and expansibility， and provide the functions of personnel， equipment positioning and management， wireless voice communication， environmental parameter collection， access control and one key alarm in the main scope of the whole ship. Hence it can improve the information management level of equipment and personnel in large ocean ships.

[Key words]portable equipment; ocean survey ship; ZigBee

0   引言

随着远洋测量船舶信息化技术的快速发展和深入推进，信息化应用系统在完善决策体系，提升工作效率，改进设备运维手段以及促進管理智能化等方面发挥的作用越来越大，进而产生出越来越多的网络移动接入需求。一是各级管理需要随时接入信息网络，实现人员和设备的动态管理，掌握船舶总体运行态势;二是需要将船上信息采集设备和测试仪器获取的船内环境参数等信息实时发送给岗位人员;三是出航期间，各级管理人员需要实时掌握人员活动动态，并在必要时进行视频、话音和数据等应急通信。综合考虑以上需求，有必要在远洋测量船舶上建设无线接入局域网，为各级管理人员和岗位人员的人员管理、设备维护、实时通信、综合服务等提供移动网络接入支持，拓展各类信息系统的使用范围，进一步提升系统应用效能。

在通信网络技术不断发展的背景下，结合计算机技术，可以有效实施大型船舶的精细化管理，这也成为顺应时代发展的必然趋势。ZigBee作为一种较为成熟的通信技术，其低功耗、低成本、大容量、支持多种拓扑、低复杂度、快速、可靠、安全等突出优点，非常适用于船舶多区域、多节点、可靠性要求高等实际需求。

1   总体设计

1.1  ZigBee技术特点

ZigBee是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信，这些传感器只需要很少的能量以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，因此ZigBee的通信效率非常高。概括来说，ZigBee技术主要有以下特点：

（1）低功耗。由于ZigBee的传输速率低，发射功率仅为1 mW，而且采用了休眠模式，因此ZigBee设备非常省电。据估算，ZigBee设备仅靠两节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间，这是其它无线设备望尘莫及的。

（2）低时延。通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，典型的搜索设备时延30 ms，休眠激活的时延是15 ms，活动设备信道接入的时延为15 ms。因此ZigBee技术适用于对时延要求苛刻的无线控制（如工业控制场合等）应用。

（3）大容量。一个星型结构的ZigBee网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备，一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络， 而且网络组成灵活。

（4）高可靠。采取了碰撞避免策略，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避开了发送数据的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输模式，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。如果传输过程中出现问题可以进行重发。

（5）高安全。ZigBee提供了基于循环冗余校验（CRC）的数据包完整性检查功能，支持鉴权和认证，采用了AES-128的加密算法，各个应用可以灵活确定其安全属性。

（6）拓扑灵活。ZigBee是一个由多个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，在整个网络范围内，每一个模块之间可以相互组网通信。

ZigBee的技术特点非常适合在远洋船舶中部署。船舶环境下，各区域电磁屏蔽效应明显，无线信号很难穿透多层钢板，可以通过ZigBee多节点中继完成远距离传输。船员活动不规则，节点动态接入网络需求强，可以通过ZigBee技术的多节点自动切换完成动态接入。船舶远洋航行过程中远离陆地，设备出现问题时无法及时补充备件，对可靠性、安全性要求高。同时，也对温湿度以及水浸、着火等环境监视信息的准确性和实时性均比陆地设备要求高。ZigBee技术的高可靠、高安全、低时延等特点能够很好地满足船舶应用需求。

1.2  系统设计

根据功能需求和模块化设计思想，基于ZigBee技术构建的船舶信息化管理系统在功能上可以划分为信息采集模块、网络通信模块、数据分析处理模块以及服务模块，其功能构架如图1所示：

信息采集模块是整个系统架构的基础，负责完成各类信号的实时采集。模块由人员定位终端、设备定位终端、传感器等无线信息采集设备和微基站设备组成。其中，信息采集设备完成系统所需要的各种信息的采集，远洋测量船舶可以使用两种信息采集终端：一种是用于人员、设备定位使用的定位终端，定位终端周期性发送无线信号;一种是用于测量温湿度、振动以及静电信息的传感器，传感器周期性的测量数据，并通过无线接口将测量的数据发送到交换网络。微基站设备一方面完成人员、设备终端发送的无线信号的预处理，提取出有效的时间信息、RSSI信息、LQI信息等有效数据报文;另一方面对数据报文进行IP包封装，使这些信息能够方便地在网络上传送，通过网络转发到数据分析处理模块进行处理。

网络通信模块是提供系统中信息采集模块、数据分析处理模块和服务模块之间互联互通的通道，该部分可以借助于船舶中已建成的船内局域网络。同时，由于船舶各区域间电磁屏蔽效应明显，无线信号几乎无法有效传输，因此，需要在船舶中各个舱室、走廊、机舱、甲板等多个部位部署ZigBee微基站设备，并就近接入船内局域网络，实现全船ZigBee网络全联通。

数据分析处理模块是系统设计的核心，包括定位运算子模块以及数据处理子模块两个部分。其中，定位运算子模块通过对信息采集设备采集的定位终端发送的相关信息（时间信息、RSSI信息、LQI信息等）进行分析运算，计算出定位终端的相对坐标值，由于船舶内部区域划分比较复杂，在系统进行运算时需要制定一系列的基本规则，如不穿墙规则、楼层上下规则，通过这些规则对实际运算的坐标值进行修正，修正后的坐标值送到数据处理子模块，通过数据处理子模块中构建的三维位置坐标系统进行分析处理，可以实现定位终端的定位管理功能，同时由于位置信息采集模块发送的信息具有唯一的标识信息，所以同样能够实现定位终端的身份识别功能。数据处理模块结合定位运算模块的相关数据，可以提供入侵报警判别、进入人员身份识别等智能化功能，同时还可以对通过无线传感系统采集的温湿度信息进行处理，实现被管理区域环境监测报警功能。

服务模块提供系统服务输出接口，通过这些接口实现系统的一系列服务功能。主要功能包括定位、考勤、访客管理、环境监视、查询管理、告警管理、身份识别、人员设备上下船管理、日志管理、视频追踪等功能。

2   系統实现

系统主要由高性能服务器组成的数据处理中心、由微基站和船内局域网组成的数据交换平台以及无线传感终端三个部分组成，系统实际应用结构分布如图2所示：

2.1  服务器组

服务器组是系统运行的核心模块，主要包括三个功能组件：信息综合服务器、通信服务器以及管理服务器。信息综合服务器主要完成定位信息的收集、处理和位置计算，完成位置信息的存储管理和三维图像信息的处理，完成船内环境信息数据的搜集、汇总和分析、显示、预警信息发布等功能。管理服务器完成分系统内各设备的状态监控和管理，完成系统配置信息（如拓扑图、定位终端ID等）存储、查询和处理。通信服务器完成语音通信相关信令信息和状态信息的控制管理，完成跨接入控制区域间的语音交换通信以及短消息交换所需的呼叫控制、业务信令策略管理，终端号码管理及短信息存贮、转发等功能。

由于ZigBee信息传输速率较低，数据量不大，对服务器的性能要求不高，因此，根据建设经费和船舶空间要求，三个功能组件可以分别部署在各自服务器上，也可以集成部署在一台服务器上。

2.2  微基站设备

微基站设备完成以下几个主要功能：

◆无线信号的处理和无线数据转发;

◆以太网信号的光电转换;

◆以太网数据的内部交换;

◆提供以太网用户接口;

◆无线语音接入。

根据船舶内部结构和微基站的安装位置，需要设计选用三种形态的微基站设备：

◆嵌入式微基站模块，安装于舱室内用户接口盒内部;

◆室内型微基站设备，安装于船内走廊以及部分工作舱室的天花板上;

◆室外型微基站设备，安装于船外露天甲板、舷边走道、船艏以及船艉的帆缆工作区。

2.3  无线传感终端

无线传感终端主要包括三种类型：定位终端、传感器终端以及手机终端。其中，定位终端主要根据信号接入位置和强度，实时掌握人员位置信息，方便船内人员管理和寻呼找人;传感器终端将部署于船内各个位置的环境信息定期发送给服务器进行综合分析、显示和处理，并在出现异常情况时及时采用服务器声光预警以及向预设定位终端发送预警信息的方式进行报警，通知相关人员及时处理;手机终端在定位终端基础上，采用类似移动手机的设计模式，增加显示屏、摄像头、麦克/耳机等多媒体IO口，方便在紧急情况下进行音视频交互。

为方便人员佩戴使用，定位终端采用卡片式和腕带式两种类型，可以直接佩戴在手腕上，也可以将卡片直接放置在工作服口袋中。同时，为降低功耗，定位终端本身不主动发送信号，保持休眠状态，在需要发送信息或服务器端寻呼找人时被动唤醒，发射信号后及时休眠，最大限度降低耗能，理论上来说，一个3V纽扣电池可以使用6个月以上。

根据使用环境，传感器终端分为有线接入和无线接入两种。在有网络接入条件的情况下，传感器可以直接接入船内局域网络，通过有线网络进行数据传输;在室外、无网络接入点舱室等环境下，采用ZigBee无线模块方式接入，根据实际使用需求，可以设置每隔1～3 600 s发布一次环境信息，其他时间保持休眠状态，最大限度降低功耗。

3   系统应用和功能测试

将本系统部署于某型远洋测量船舶各舱室和重点设备运行机房，图3为系统应用连接关系，为了较全面地检查系统功能、性能以及与其他系统之间互连接口和信息交换关系的正确性，验证其是否满足实际使用要求，对本系统进行现场测试。

根据远洋船舶实际使用需求，主要开展系统功能性测试，包括定位精度、无线授时、定位和告警、语音通信、环境参数采集以及人员查找、门禁管理等。

3.1  定位精度测试

（1）技术要求：远洋船舶实际使用要求中，船內主要区域精确定位到舱室，一般区域粗略定位到舱段。

（2）测试方法和步骤

1）安排3名测试人员携带船员定位终端及访客定位终端在搭船内部署勤务系统区域进行活动，其中3人分开3层甲板进行，安排人员分别位于舱室、舱段区域;

2）通过管理软件查看测试人员对应在管理平台三维界面上显示的定位监测位置;

3）通过手机终端联系测试人员，确定其实际位置，并与管理平台显示位置进行对比。

（3）测试结果如表1所示。

3.2  无线授时功能测试

（1）技术要求：系统能够自动完成手机终端的同步授时功能。

（2）测试方法和步骤

1）在管理服务器平台完成手机终端和微基站的信息注册;

2）开启手机终端和微基站设备，待设备正常启动后，管理服务器检测到手机终端和微基站的信息时会自动将时间信息与手机终端设备同步。

（3）测试结果如表2所示：

3.3  定位和告警信息实时更新测试

（1）技术要求：系统具有定位和告警信息实时更新功能。

（2）测试方法和步骤

1）测试人员携带定位工卡在定位管理区域内进行活动。

2）测试人员在移动过程中，查看系统平台管理终端显示人员位置定位亮点的状态是否在实时更新。

3）测试人员按下定位工卡的告警按钮并持续3 s左右，查看系统平台管理终端是否会上报显示相关报警更新信息。

4）测试人员携带定位工卡进入限制区域内，查看系统平台管理终端是否会上报显示相关报警更新信息。

（3）测试结果如表3所示：

3.4  语音通信测试

（1）技术要求：手机终端之间能够正常通话，且话音清晰可懂。

（2）测试方法和步骤

1）手机终端通过微基站接入，通信服务器端完成入网手机终端的信息注册，并能正确应答。

2）手机终端1摘机，拨打手机终端2对应的电话号码，手机终端2振铃，手机终端2摘机与手机终端1通话，测试通话质量，完成后挂机。

3）手机终端2摘机，拨打手机终端1对应的电话号码，手机终端1振铃，手机终端1摘机与手机终端2通话。测试通话质量，完成后挂机。

（3）测试结果如表4所示：

3.5  环境参数采集测试

（1）技术要求：系统能够实时获取温度、湿度、振动、静电传感终端的信息。

（2）测试框图如图4所示：

（3）测试方法和步骤

1）如图4连接设备，建立温度、湿度、振动度传感器终端与微基站设备的无线连接;

2）测试人员观察并记录终端管理平台软件有关传感参数。

（4）测试结果如表5所示：

3.6  人员查找功能测试

（1）技术要求：三维显示界面中可选择人员任意一项信息进行查找，系统能自动筛选出该人员所有信息。

（2）测试方法和步骤

1）进入客户端->三维显示界面;

2）在界面上查找栏输入人员名字、卡号、标识等任意一个信息，按回车键。

（3）测试结果如表6所示：

3.7  门禁管理功能测试

（1）技术要求：系统具备门禁管理功能。

（2）测试框图如图5所示：

（3）测试方法和步骤

1）按照图5连接设备，保持带有门禁装置房门关闭;

2）测试人员携带具有开门权限的定位工卡至房门处，按下门禁控制器;

3）测试人员不携带定位工卡至房门处，按下门禁控制器;

4）测试人员携带不具有开门权限的定位工卡至房门处，按下门禁控制器。

（4）测试结果如表7所示：

3.8  其他测试

为了进一步验证系统功能性能，进一步开展了点到点短消息、限制区域报警、系统容量、应急告警、实时发布通知、历史轨迹查询等项目测试工作，测试结果均满足实际使用需求。超过6个月的测试结果表明，系统工作稳定，上述各项功能满足实际使用需求。

4   结束语

本文介绍的远洋测量船舶信息化管理系统基于无线通信技术构建，利用ZigBee低功耗、低成本、支持大量节点、支持多种拓扑等突出特点完成了系统架构，增加了系统设计的灵活性，同时也大大降低了系统部署的复杂度，以信息化手段实现了对某型远洋测量船舶的精细化管理。实际应用测试结果表明：系统工作稳定，能够实现人员动态管理、设备监视报警、实时多媒体通信、综合信息服务等多种功能，性能指标满足使用需求。本方案所实现的信息化管理系统具有成本低、部署方便、使用灵活等特点，可以广泛应用在远洋大型船舶或大型封闭式园区等场所，有一定的工程实用价值。

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