基于Zigbee的大型艦船人員定位與管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

◆吳根平 程舟濟(jì) 王浩 劉志宏 華鍇瑋

基于Zigbee的大型艦船人員定位與管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

◆吳根平 程舟濟(jì) 王浩通訊作者劉志宏 華鍇瑋

（武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所 湖北 430064）

大型艦船艙室眾多、編制復(fù)雜、任務(wù)多樣，傳統(tǒng)的依靠艦員人工獲悉大型艦船各艙室人員位置并進(jìn)行人員管理的方式工作量大、時間長、效率低，影響人員高效管理與指揮決策效能。針對該問題，本文以信息化為手段，設(shè)計(jì)了一種基于Zigbee技術(shù)的艦船人員定位與管理系統(tǒng)。身份識別卡作為艦船人員信號識別和跟蹤的信號源，岸上分系統(tǒng)在岸上完成身份識別卡的發(fā)放，艦上分系統(tǒng)在艦上完成人員的實(shí)時定位和人員管理，并在某艦船上完成了試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)人員定位準(zhǔn)確度高、人員管理功能全面，有效提升了大型艦船的人員管理與指揮決策水平。

Zigbee；大型艦船；人員定位；人員管理

隨著我國海軍戰(zhàn)略由“近海防御”到“遠(yuǎn)海防衛(wèi)”轉(zhuǎn)型的不斷深入，我國艦船向著大型化、復(fù)雜化、智能化的方向不斷發(fā)展[1]。大型艦船艙室復(fù)雜，規(guī)模龐大，艦員眾多，編制組成復(fù)雜，任務(wù)復(fù)雜多樣，對人員高效管理帶來極大挑戰(zhàn)[2]。傳統(tǒng)依靠艦員人工完成人員管理的方式工作量大、時間長、效率低，已影響人員高效管理與指揮決策效能的進(jìn)一步提高，有必要設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)基于無線定位技術(shù)的人員定位與管理方法。

艦船艙室內(nèi)環(huán)境復(fù)雜，對可靠性、功耗、成本等要求較高。相較于藍(lán)牙定位技術(shù)、紅外線定位技術(shù)、Wi-Fi定位技術(shù)、RFID定位技術(shù)、UWB定位技術(shù)等無線定位技術(shù)，Zigbee定位技術(shù)因定位精度高、可靠性較好、功耗低、實(shí)時性強(qiáng)、成本低等特點(diǎn)[3]，是大型艦船無線定位技術(shù)的首選。

鑒于艦船復(fù)雜特殊的工作環(huán)境，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于ZigBee技術(shù)都大型艦船人員定位與管理系統(tǒng)，以實(shí)時掌握艦船人員動態(tài)，提升艦船的人員管理與指揮決策水平。

1 系統(tǒng)總體方案

基于ZigBee的大型艦船人員定位與管理系統(tǒng)的總體技術(shù)方案如圖1所示，主要包括由身份識別卡及充電器、岸上分系統(tǒng)與艦上分系統(tǒng)組成。

圖1 艦船人員定位與管理系統(tǒng)總體方案

每個身份識別卡，都有自己的唯一身份識別號?？赏ㄟ^岸上配置終端配置身份識別卡的姓名、年齡、性別、部門等相關(guān)基本信息。身份識別卡主動式地周期性向外發(fā)射身份識別號信息，作為艦船人員信號識別和跟蹤的信號源。岸上配置終端通過可插拔電纜載體將身份識別卡數(shù)據(jù)庫信息實(shí)時同步至艦上人員定位服務(wù)器。

艦船各艙室按需安裝多個數(shù)據(jù)采集單元，使監(jiān)控區(qū)域無信號盲區(qū)。身份識別卡進(jìn)入數(shù)據(jù)采集單元信號覆蓋范圍內(nèi)，實(shí)時采集各個身份識別卡發(fā)射的身份識別卡信號，每個艙室的數(shù)據(jù)采集單元通過以太網(wǎng)將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)脚炆戏?wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，完成人員定位與管理工作。顯控終端調(diào)用艦上服務(wù)器的服務(wù)，完成人機(jī)交互。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 身份識別卡及充電器

每名艦員均攜帶一塊身份識別卡，作為艦船人員信號識別和跟蹤的信號源。身份識別卡內(nèi)部嵌入了充電電池、微處理器和無線射頻模塊，如圖2所示。充電電池為有源充電式，為微處理器和無線射頻模塊提供電源，連續(xù)工作時間不短于2個月。微處理器控制無線射頻模塊定時發(fā)送射頻信號，射頻信號工作在2.4GHz頻段。充電器可檢測身份識別卡電池電量并為身份識別卡充電。

圖2 身份識別卡硬件結(jié)構(gòu)圖

2.2 岸上分系統(tǒng)

岸上分系統(tǒng)為配置管理終端。配置管理終端主要由計(jì)算機(jī)、顯示器、鼠標(biāo)、鍵盤、身份證讀取器、身份識別卡讀寫器等組成，如圖3所示。計(jì)算機(jī)為商用計(jì)算機(jī)，通過HDMI接口將圖像信號傳輸至顯示器顯示。身份證讀取器通過USB接口與計(jì)算機(jī)連接，讀取臨時上艦人員的身份證信息。身份識別卡讀寫器通過USB接口與計(jì)算機(jī)連接，配置、修改、刪除、重置身份識別卡。岸上配置管理終端存儲所有身份識別卡內(nèi)所配置的信息，并周期性地將數(shù)據(jù)庫同步至艦上服務(wù)器。艦船靠岸后及時將岸上配置管理終端與艦上分系統(tǒng)的以太網(wǎng)接口接通，艦船離岸前將岸上分系統(tǒng)與艦上分系統(tǒng)的以太網(wǎng)接口斷開。

圖3 岸上配置管理終端硬件結(jié)構(gòu)圖

2.3 艦上分系統(tǒng)

艦上分系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集單元、艦上服務(wù)器、顯控終端。

數(shù)據(jù)采集單元主要由微處理模塊、無線射頻接收模塊、CAN通信模塊和電源模塊等組成，如圖4所示。電源模塊將直流24V電源轉(zhuǎn)換為直流5V電源，為微處理模塊、以太網(wǎng)通信模塊、無線射頻接口模塊供電。微處理模塊負(fù)責(zé)射頻信號接收、射頻信號信號強(qiáng)度解算以及以太網(wǎng)通信任務(wù)。無線射頻接收模塊接收身份識別卡發(fā)出的射頻信號的信號強(qiáng)度。以太網(wǎng)通信模塊與外部設(shè)備進(jìn)行以太網(wǎng)通信。

圖4 數(shù)據(jù)采集單元硬件結(jié)構(gòu)圖

艦上服務(wù)器主要由計(jì)算機(jī)模塊、電源模塊、網(wǎng)絡(luò)交換模塊和數(shù)據(jù)存儲模塊等組成，如圖5所示。電源模塊將交流220V電源轉(zhuǎn)換為多路直流電源，為人員定位與管理所有內(nèi)部模塊供電。計(jì)算機(jī)模塊對數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理，實(shí)現(xiàn)人員定位與管理。網(wǎng)絡(luò)交換模塊提供24路以太網(wǎng)接口，通過CPCI總線與計(jì)算機(jī)模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。數(shù)據(jù)存儲模塊通過CPCI總線存儲數(shù)據(jù)。

圖5 艦上服務(wù)器硬件結(jié)構(gòu)圖

顯控終端主要由計(jì)算機(jī)模塊、電源模塊、操控模塊和顯示器等組成，如圖6所示。電源模塊將交流220V電源轉(zhuǎn)換為多路直流電源，為人員定位與管理所有內(nèi)部模塊供電。計(jì)算機(jī)模塊進(jìn)行操控顯示管理。操控模塊通過USB接口與計(jì)算機(jī)模塊連接，采集操作人員的操作。顯示器通過DVI接口顯示計(jì)算機(jī)模塊的圖像信號。

圖6 顯控終端硬件結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要包括配置管理軟件、數(shù)據(jù)采集軟件、人員定位與管理服務(wù)軟件、顯控軟件，如圖7所示。配置管理軟件將身份識別卡數(shù)據(jù)庫信息同步至人員定位與管理服務(wù)軟件。數(shù)據(jù)采集軟件將采集到的身份識別卡信號強(qiáng)度數(shù)據(jù)發(fā)送至人員定位與管理服務(wù)軟件。人員定位與管理服務(wù)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，實(shí)時定位人員所在位置并將所有數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲。顯控軟件與人員定位與管理服務(wù)軟件進(jìn)行信息交互，進(jìn)行數(shù)據(jù)信息顯示與管理。

圖7 人員定位與管理系統(tǒng)軟件組成結(jié)構(gòu)框圖

3.1 配置管理軟件

配置管理軟件為運(yùn)行于Windows XP操作系統(tǒng)的應(yīng)用軟件，部署于岸上管理設(shè)備，主要包括讀取身份證信息、讀取身份識別卡信息、修改身份識別卡信息、信息寫入身份識別卡、身份識別卡信息同步等部分，主要流程如圖8所示。

圖8 配置管理軟件流程圖

3.2 數(shù)據(jù)采集軟件

數(shù)據(jù)采集軟件為嵌入式軟件，部署于數(shù)據(jù)采集單元，主要包括采集ZigBee信息、解算ZigBee信號強(qiáng)度、發(fā)送所采集的ZigBee信息等部分，主要流程如圖9所示。

圖9 數(shù)據(jù)采集軟件流程圖

3.3 人員定位與管理服務(wù)軟件

人員定位與管理服務(wù)軟件為運(yùn)行于Windows Server操作系統(tǒng)中Tomcat應(yīng)用服務(wù)器的應(yīng)用軟件，采用Oracle數(shù)據(jù)庫，基于Java語言開發(fā)，部署在艦上服務(wù)器上。主要包括數(shù)據(jù)庫信息更新任務(wù)、業(yè)務(wù)信息交互任務(wù)等部分，主要流程如圖10所示。

3.4 顯控軟件

顯控軟件為運(yùn)行于Windows XP操作系統(tǒng)的應(yīng)用軟件，部署于顯控設(shè)備，主要包括艙室人員概況信息顯示、人員歷史軌跡顯示、系統(tǒng)設(shè)置等部分，主要流程如圖11所示。

4 系統(tǒng)定位測試

選擇在某艦船上進(jìn)行了人員定位與管理系統(tǒng)測試。在艦船各艙室按需安裝了多個數(shù)據(jù)采集單元，使監(jiān)控區(qū)域無信號盲區(qū)，且在艙室門兩側(cè)均安裝了數(shù)據(jù)采集單元。結(jié)果表明，所有定位節(jié)點(diǎn)定位誤差統(tǒng)計(jì)值在0.8米左右，且在艙室門附近的節(jié)點(diǎn)定位艙室準(zhǔn)確，各艙室定位人數(shù)誤差為0，滿足人員定位精度要求。

圖10 人員定位與管理服務(wù)軟件流程圖

圖11 顯控軟件流程圖

5 結(jié)語

本文分析了室內(nèi)定位技術(shù)及定位算法，以信息化為手段設(shè)計(jì)了一種基于Zigbee的大型艦船人員定位與管理系統(tǒng)。目前，該設(shè)計(jì)方案已在某大型艦船上成功應(yīng)用，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)定位艙室準(zhǔn)確、人員管理功能全面有效，有效提升了大型船舶的安全管理與指揮決策水平。

[1]伍賽特.核動力艦船技術(shù)發(fā)展趨勢研究及展望[J].能源與環(huán)境，2020（03）：12-14.

[2]任偉，鄭華，張曉再，等.大型艦艇人員定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].廣東造船，2018，37（03）：47-48.

[3]李濤，劉旭，鄧帥，等.井下無線定位系統(tǒng)綜述[J].有色金屬（礦山部分），2018，70（05）：91-94.

[4]楊超超，陳建輝，劉德亮，等.室內(nèi)無線定位原理與技術(shù)研究綜述[J].戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈技術(shù)，2019（06）：99-107.

[5]雷凱. 基于Zigbee的船舶人員定位系統(tǒng)的研究[J].信息技術(shù)與信息化，2018（7）：143-144.

[6]王曉瑩. 嵌入式船舶人員落水搜救控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2016，38（1A）：106-108.

[7]許智勛，高尚. 基于WLAN的大型船舶艙體內(nèi)部指紋定位算法[J]. 艦船科學(xué)技術(shù)，2018，40（8）：114-118.

[8]王洪，王聰. 基于Zigbee網(wǎng)絡(luò)的船舶環(huán)境信息采集系統(tǒng)[J]. 艦船科學(xué)技術(shù)，2018，40（1A）：141-143.

[9]王智超，吳學(xué)智. 基于TD-LTE的大型船舶人員綜合定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 信息通信，2014（11）：64-66.

[10]周錦標(biāo)，趙乾宏，余坤，等. 室內(nèi)定位技術(shù)在船舶上的應(yīng)用研究及方案設(shè)計(jì)[J]. 艦船科學(xué)技術(shù)，2017，39（8）：176-180.

[11]Qing G，Wang H，Zhang T. Radio frequency fingerprinting identification for Zigbee via lightweight CNN[J]. Physical Communication，2021（44）：101250.

[12]鄒自明，李福敏，喬新新. 基于CQPSO-GRNN的ZigBee節(jié)點(diǎn)定位算法研究[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù)，2020，555（04）：70-74+80.