◆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(shí)間長(zhǎng)、效率低，影響人員高效管理與指揮決策效能。針對(duì)該問(wèn)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(shí)別卡作為艦船人員信號(hào)識(shí)別和跟蹤的信號(hào)源，岸上分系統(tǒng)在岸上完成身份識(shí)別卡的發(fā)放，艦上分系統(tǒng)在艦上完成人員的實(shí)時(shí)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(guó)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(guó)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(duì)人員高效管理帶來(lái)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(shí)間長(zhǎng)、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(wú)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(duì)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(wú)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(shí)性強(qiáng)、成本低等特點(diǎn)[3]，是大型艦船無(wú)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(shí)掌握艦船人員動(dòng)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(shí)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(gè)身份識(shí)別卡，都有自己的唯一身份識(shí)別號(hào)?？赏ㄟ^(guò)岸上配置終端配置身份識(shí)別卡的姓名、年齡、性別、部門(mén)等相關(guān)基本信息。身份識(shí)別卡主動(dòng)式地周期性向外發(fā)射身份識(shí)別號(hào)信息，作為艦船人員信號(hào)識(shí)別和跟蹤的信號(hào)源。岸上配置終端通過(guò)可插拔電纜載體將身份識(shí)別卡數(shù)據(jù)庫(kù)信息實(shí)時(shí)同步至艦上人員定位服務(wù)器。

艦船各艙室按需安裝多個(gè)數(shù)據(jù)采集單元，使監(jiān)控區(qū)域無(wú)信號(hào)盲區(qū)。身份識(shí)別卡進(jìn)入數(shù)據(jù)采集單元信號(hào)覆蓋范圍內(nèi)，實(shí)時(shí)采集各個(gè)身份識(shí)別卡發(fā)射的身份識(shí)別卡信號(hào)，每個(gè)艙室的數(shù)據(jù)采集單元通過(guò)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(shí)別卡及充電器

每名艦員均攜帶一塊身份識(shí)別卡，作為艦船人員信號(hào)識(shí)別和跟蹤的信號(hào)源。身份識(shí)別卡內(nèi)部嵌入了充電電池、微處理器和無(wú)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(wú)線射頻模塊提供電源，連續(xù)工作時(shí)間不短于2個(gè)月。微處理器控制無(wú)線射頻模塊定時(shí)發(fā)送射頻信號(hào)，射頻信號(hào)工作在2.4GHz頻段。充電器可檢測(cè)身份識(shí)別卡電池電量并為身份識(shí)別卡充電。

圖2 身份識(shí)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(pán)、身份證讀取器、身份識(shí)別卡讀寫(xiě)器等組成，如圖3所示。計(jì)算機(jī)為商用計(jì)算機(jī)，通過(guò)HDMI接口將圖像信號(hào)傳輸至顯示器顯示。身份證讀取器通過(guò)USB接口與計(jì)算機(jī)連接，讀取臨時(shí)上艦人員的身份證信息。身份識(shí)別卡讀寫(xiě)器通過(guò)USB接口與計(jì)算機(jī)連接，配置、修改、刪除、重置身份識(shí)別卡。岸上配置管理終端存儲(chǔ)所有身份識(shí)別卡內(nèi)所配置的信息，并周期性地將數(shù)據(jù)庫(kù)同步至艦上服務(wù)器。艦船靠岸后及時(shí)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(kāi)。

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(wú)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(wú)線射頻接口模塊供電。微處理模塊負(fù)責(zé)射頻信號(hào)接收、射頻信號(hào)信號(hào)強(qiáng)度解算以及以太網(wǎng)通信任務(wù)。無(wú)線射頻接收模塊接收身份識(shí)別卡發(fā)出的射頻信號(hào)的信號(hào)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(chǔ)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(duì)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(guò)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(chǔ)模塊通過(guò)CPCI總線存儲(chǔ)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(guò)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(guò)DVI接口顯示計(jì)算機(jī)模塊的圖像信號(hào)。

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(shí)別卡數(shù)據(jù)庫(kù)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(shí)別卡信號(hào)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(shí)定位人員所在位置并將所有數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。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(shí)別卡信息、修改身份識(shí)別卡信息、信息寫(xiě)入身份識(shí)別卡、身份識(shí)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(hào)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(kù)，基于Java語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，部署在艦上服務(wù)器上。主要包括數(shù)據(jù)庫(kù)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(cè)試

選擇在某艦船上進(jìn)行了人員定位與管理系統(tǒng)測(cè)試。在艦船各艙室按需安裝了多個(gè)數(shù)據(jù)采集單元，使監(jiān)控區(qū)域無(wú)信號(hào)盲區(qū)，且在艙室門(mén)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(mén)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(yǔ)

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。

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