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

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

（江蘇航運職業(yè)技術(shù)學院輪機工程學院，江蘇南通 226010）

針對船舶發(fā)生事故時無法確認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)的實現(xiàn)方法,并進行了硬件和軟件的設(shè)計。該系統(tǒng)能夠滿足船舶日常人員管理及事故救援時的定位使用要求。

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，存在救援人員與被困人員的信息溝通不及時以及救援人員難以及時動態(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)采用射頻識別技術(shù)對人員進行非接觸識別，實現(xiàn)對人員進行實時定位，希望通過本系統(tǒng)的研究能實現(xiàn)對人員位置的自動識別和自動管理，并實現(xiàn)無事故時的人員統(tǒng)計、管理和在發(fā)生事故時的艙室人員的數(shù)量、身份、位置的確認。

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

1.1 系統(tǒng)功能設(shè)計

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采集進出艙室的帶射頻標簽人員的信息，當有人員在讀卡器的讀卡范圍內(nèi)出現(xiàn)時，該讀卡器就會采集到標簽信息，并連同自身所處的觀測點位置信息一起上傳給安裝于駕駛臺的上位機，上位機管理軟件以艙室平面圖的形式顯示人員的位置分布。

2）實時監(jiān)控功能。系統(tǒng)能夠動態(tài)顯示進入艙室人員的位置變動，在人員移動的情況下可以通過上位機管理軟件的圖形化界面進行實時顯示，從而可以實時確定進入艙室人員的實際位置。這樣就可以使駕駛臺值班人員能夠直觀地把握人員的移動和分布情況。

3）歷史活動軌跡記錄功能。將進入艙室人員的移動情況儲存在上位機數(shù)據(jù)庫內(nèi)，可以生成艙室人員的歷史活動軌跡，并能通過上位機的管理軟件實現(xiàn)查詢指定日期的任一人員的當日活動軌跡。

4）報表生成功能。上位機管理界面除了能以圖形化形式實時顯示進入艙室人員的分布情況外，還能夠根據(jù)要求生成各類報表，用于日常的考勤、信息分類和數(shù)據(jù)統(tǒng)計等。

1.2 總體框架設(shè)計

船舶艙室人員定位系統(tǒng)集計算機系統(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：安裝于駕駛臺的上位機、安裝于各艙室的讀卡器、安裝于安全帽上的標簽。系統(tǒng)示意圖如圖1所示。上位機通過計算機以及管理軟件來實現(xiàn)信息的匯總、存儲與管理；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，用來讀寫進入到射頻范圍內(nèi)的標簽信息，實現(xiàn)信息采集；射頻標簽用來存儲被識別人員的信息，射頻讀卡器通過射頻的形式對標簽信息進行讀寫操作，自動識別被識別人員的身份，本系統(tǒng)的射頻標簽采用無源標簽，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入艙室人員安全帽上的射頻標簽進行無線通訊，實現(xiàn)對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內(nèi)的上位機，并由管理軟件自動存儲，這樣就實現(xiàn)了對人員在時間和空間上的定位，也能直觀顯示艙室人員的分布情況與移動軌跡。

人員定位系統(tǒng)的工作過程為：上位機向射頻讀卡器傳送指令；射頻讀卡器檢測標簽是否進入到檢測范圍內(nèi)；射頻讀卡器通過無線信號供給射頻標簽電源；射頻讀卡器通過無線信號將指令傳送到射頻標簽；標簽解釋和執(zhí)行指令，根據(jù)指令的要求用無線信號傳送自己所保存的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；上位機將ID數(shù)據(jù)和上位機數(shù)據(jù)庫對照，進行身份識別。

2 系統(tǒng)硬件、軟件設(shè)計

2.1 射頻讀卡器硬件設(shè)計

射頻讀卡器是射頻識別系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，本系統(tǒng)所設(shè)計的讀卡器主要包括：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簽發(fā)送讀取信息信號，接著通過收發(fā)單元接收標簽的應(yīng)答信號，并由控制單元對標簽發(fā)送回來的標識信息進行解碼，然后通過通訊單元將接收的標簽信息傳輸?shù)缴衔粰C作進一步處理。

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)來自標簽的射頻信號。本系統(tǒng)的收發(fā)單元和天線單元采用OEM設(shè)計理念，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完成識別射頻標簽，并通過標準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簽信息；處理標簽信息；將標簽信息上傳給上位機，同時也接收上位機對讀卡器的控制指令。

控制單元和通訊單元則是典型的以單片機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

圖4 主程序流程圖

由于本系統(tǒng)讀卡器采用OEM設(shè)計理念，選用了M8模塊，使得整個讀卡器的設(shè)計大為簡化，需要詳細設(shè)計的只有控制模塊，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 上位機監(jiān)控軟件功能設(shè)計

系統(tǒng)采用一臺上位計算機對所采集的人員信息進行存儲與管理，上位機以MCGS組態(tài)軟件為平臺，設(shè)計了管理界面，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)通過對船舶艙室中的移動目標進行非接觸式信息采集，既能實現(xiàn)日常工作時的人員考勤、統(tǒng)計和管理工作，也能在發(fā)生事故時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, 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年江蘇省大學生創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新訓練計劃項目“基于射頻技術(shù)的船舶艙室人員定位系統(tǒng)”

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