人员定位系统在航海船舶中的应用

顾霄罗

摘要：对于海上航行的船舶而言，能够准确对船上的人员进行定位，可以较好地管理船舶工作，甚至能够决定海上作战的成败。本文基于利用ZigBee人员定位系统，介绍了该软件在人员定位中的工作方式，介绍了ZigBee技术的特点和工作方式，选取定位芯片的硬件和软件进行分析，实现了航海事业人员定位系统的转变。

关键词：人员定位;ZigBee技术;航海

0  引 言

随着航运市场规模的不断扩大，船舶的发展趋于大型化和复杂化，其职能化水平也在不断地提升。大型船舶舱室较多，在基本舱室中一般会配有指挥舱、动力舱、居住舱等，同时也可能配有武备舱和辅机舱等。船舶内部的连接也比较复杂，电路较多，管道多且封闭，在航海中环境闭塞，危险系数较高。而各个舱室内部的气压、温度、人员数量也不同，气体管道等也分布在舱室中，在航海中这些因素对人员的安全带来了一定的威胁。另外，海上的气候变化较大，条件恶劣，船舶本身的监控系统也不可能全方位、多角度地进行实时监控，因此，及时准确地掌握船舶人员定位信息和舱室内的环境，在发生事故时可以第一时间进行指挥和准确定位人员的位置，方便指挥人员进行有效的指挥，同时也保障船上人员的安全。

传统的人员定位方式是以船上调度广播的形式来定位，但是这种方式只能确定人员位置，对于人员的其他信息不得而知，指挥员如果想准确了解人员的具体信息需要花费更长的时间。人员定位系统的智能化系统应运而生，RFID（Radio Frequency Identification）射频识别技术就是其中之一，且广泛地应用于经济、文化、教育、国防等领域，但是这种方式采用的是有线传输，在运用时候需要设置系统的构架，并且需要对设备进行维护，带来了许多不便。而ZigBee虽然运行速率、成本和消耗也低，该技术主要采用的是无线技术，在航海中可以极大缩短人员定位系统构架的时间，减少了支出，遇上海上突发情况，可以准确掌握人员的信息，给指挥员的指挥带来了变量，提高了人员管理效率和船队作战效率。

1ZigBee人员定位系统的总体设计

1.1  ZigBee的由来

蜜蜂在采蜜的时候，往往通过自身特殊的肢体语言向同伴们传递信息，告诉同伴花丛的位置，这种肢体语言传递的效率高，信息的传递也可以看成是ZigZag的舞蹈。因此，借鉴这种方式将ZigBee看成是一种高效可靠的无限传递信息的方式进行命名。

1.2  ZigZag定位原理

基本原理是利用一些已知的节点作为参考位置，作为已知的参考节点，利用这些节点定位进行信息的采集，根据时间或者是信号的强弱收集数据信息，然后根据定位算法可以得到定节点的信息。随着技术的不断发展和应用，坐标定位的方法也在不断改进，其中主要的有最大最小测量法、多变测量法等。

最大最小测量法：这种方法在实际的运用中，计算量比较简单，计算速度较快，但是测算的结果精确度较低，只是一个比较模糊的区域，具体的位置仍然不确定。如图1中的阴影部分就是该方法的测算的结果。在运用中，根据一个参考的节点的位置以及测算的距离，就可以确定一个区域。根据多个区域重叠的部分就可以确定参考节点所在的位置。图1中R1所在的矩形区域可以表示为：

在測量时候，需要先设定节点的坐标，如图2所示，可以设点的坐标分别为R1（x1，y1），R2（x2，y2），.....Rn（xn，yn），同时设移动的点的坐标为P（x，y），该点与其他参考点的距离分别为d1，d2，.....dn 可以得到的方程组为：

运用标准最小方程的方法可以得到参考点的P的估计坐标为：

2人员定位系统的总体设计

船舶在行驶中会容易颠簸，船上的电子设备比较多，有的地方温度较高，所以在使用时候对可靠性提出了要求。系统在设计时候需要满足耐高温、良好的抗震性、与其他设备不能相互干扰、简单轻小等条件。主要是定位船内人员的位置并进行实时跟踪定位，如果有人员发生紧急事件也可以及时向其他人求救。

该系统在使用的时候，首先需要在人员身上安置可以移动的节点，这个节点同时包含了本人的信息，在另一端布置好移动节点信息的接收装置。在确认使用时候，移动节点可以连续不断地向接收装置发送ZigBee无限信号，接收装置可以实时对人员定位，确定人员所在位置，并且也可以使本节点附近的参考节点接收本设备的无限信号，参考节点在将人员的移动位置信息发送到监控中心的服务器上，服务器接收到信息之后通过计算机屏幕便可以显示人员的位置。

此外，人员定位系统也具有信息录入功能、人员识别功能、人员定位功能、人员报警功能、用户使用呼叫功能等。该系统的框架如图3所示：

3  硬件总体设计及说明

人员定位系统的硬件设备中主要有3种，分别为移动节点、参考节点和通讯设备。其中移动节点是用于人员身上的可以随时根据人员的位置发送信息的设备;参考节点可以安装在船舱内或者舱室内的用于接收人员信息并根据人员信息反馈给终端设备，该设备是一个中间桥梁，是信息的中转站，如图4所示。

3.1 CC2430模块

该模块主要是由8051微控制器、无线收发器以及天线组成。该模块是人员移动点信息和参考节点间重要的通信工具，也是设计中的重点。在硬件的选用时候，通过对比各种ZigBee芯片，最终选用了CC2430芯片。有以下特点：

第一， 该芯片的内核中选用8051控制器，开发和设计比较方便。

第二，在使用中的能源消耗低，持续工作的时间比较长。

第三，成本低，系统组装中话费的费用少。

第四，覆盖区域广，节点多，信息传送的距离比较远。

第五，安全度高，信息在传送中安全系数高。

第六，通用性强。

3.2 移动节点的组成

在船上，需要对人员进行全天候的实时监控，所以CC2430芯片中将32MHz的石英谐振器（XTAL）和2个27pF的电容组成系统晶振，作为系统的时间使用。CC2430的使用的电压为2种，分别是3.3 V和1.8 V。其中3.3V的电源来源于外部电源，可以给芯片内外进行供电;而1.8V是有芯片内部产生的，供给内核使用并且将信息给使用108 V的管脚。为了防止电源收到辐射和耦合作用的影响，系统中的电源在使用中进行了去耦处理。另外，为了保证电路电流值的稳定，避免电流值波动对芯片的损坏，所以在电路中也安装了偏置电阻器。声光呼叫模块电路釆用蜂鸣器和发光二极管组成。

3.3 参考节点的组成

由于参考节点作为信心的接收装置，所以可以将参考节点安装在某些固定位置的避免改装置的波动对信息接收的影响，故采用杆状天线。这种装置的天线可以使得参考节点在最大的范围内发现移动节点的目标，同时也可以减少参考节点得设置数量，减少成本。无线通信模块在數据传输的时候选用CC2430的3管脚P1.5和4管脚P1.4分别与LPC2378的P2.2和P2.1连接，方便传送。

4软件设计和应用

人员定位系统中，最重要的是无线通信这一环节，而改环节的顺利实现，不仅需要较好的硬件设施，同时也离不开软件设施的设计。良好的硬件是软件设计的基础，但是软件设计的好坏却可以直接影响到整个系统。

4.1 软件的开发环境

ZigBee软件的设计采用了瑞典公司的CC2430软件开发平台。开发环境较好，有C/C++编译器，工程管理器、AVR IAR汇编器，这种环境中可以开发使用范围较广的微处理器和微控制器，不仅可以有8位、16位，也可以兼顾32位的。对于开发新项目的用户也能够比较熟悉的掌握，使用起来比较方便，节省论文用户的时间。

4.2 Z-Stack工作流程

在ZigBee2006协议中，为了使用便捷和通用，采用Z-Stack的免费版本，便于设计和方便使用。它是建立在操作系统的基础上，对事件进行处理，只有每层都处理完，该系统才会进入低耗能，一旦有事情发生，该系统就会唤醒进行事件处理。当说个事件同时发生的时候，该系统会根据事件的重要性做好优先处理。运行分为以下：

第一是系统的启动。主要是关闭了所用的中断，对系统进行上电，做好系统的初始化。

第二是初始化。该阶段中系统的初始化主要是对系统的硬件进行设置，唤醒系统中的各个驱动层，将他们分配物理地址。而OSAL初始化是为了系统进入OSAL轮询主循环做准备。

第三是进入OSAL主循环。如果就绪的任务比较多那么该系统会按照事件的优先级进行处理，如果此时没有任务该系统就会进入低耗能的休眠。

4.3  ZigBee软件设计

移动节点的数据通信：在设备启动之后，首先需要设置ZigBee模块，之后将中断打开，中断循环等待。在没有中断请求的时候，移动节点的数据通信会自动搜索自身附近的参考节点，并向参考节点传递自身的信息和位置，是否正常以及报警灯信息;如果有呼叫信息，则中断命令就会唤醒，然后接受信息，之后对接受的信息进行判断，根据判断的信息选择是否唤醒自己，如果选择唤醒自己，会启动呼叫装置：灯光闪烁，铃声响起。如果不是，继续中断。移动节点工作函数见表1。

SPI工作方式：FM25C160支持SPI方式0和方式3。使用时，在茂信号的下降沿，时钟线和数据线的状态即可确定FM25C160工作方式。采用SPI方式0（CPOL=0，CPHA=0）。

6  结 论

本文主要对ZigBee软件的特点进行了介绍，同时在海中对船舶这种特殊的工作环境中的应用了简单的应用说明。该软件选用了比较先进的CC2430芯片进行移动节点和参考节点的通讯，同时在软件中选择Z-Stack协议栈实现了移动节点和参考节点的顺利工作。为人员定位打好了基础。

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