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        基于射頻技術(shù)的船舶艙室人員定位系統(tǒng)研究

        2021-10-28 06:41:52程真啟宋玉杰
        船電技術(shù) 2021年10期
        關(guān)鍵詞:讀卡器艙室上位

        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(jìn)行非接觸識別,實(shí)現(xiàn)對人員進(jìn)行實(shí)時(shí)定位,希望通過本系統(tǒng)的研究能實(shí)現(xiàn)對人員位置的自動(dòng)識別和自動(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)簽用來存儲被識別人員的信息,射頻讀卡器通過射頻的形式對標(biāo)簽信息進(jìn)行讀寫操作,自動(dòng)識別被識別人員的身份,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(jī),并由管理軟件自動(dòng)存儲,這樣就實(shí)現(xiàn)了對人員在時(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供給射頻標(biāo)簽電源;射頻讀卡器通過無線信號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)庫對照,進(jìn)行身份識別。

        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,接著通過收發(fā)單元接收標(biāo)簽的應(yīng)答信號,并由控制單元對標(biāo)簽發(fā)送回來的標(biāo)識信息進(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。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)采用一臺上位計(jì)算機(jī)對所采集的人員信息進(jìn)行存儲與管理,上位機(jī)以MCGS組態(tài)軟件為平臺,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

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