基于Zigbee的大型舰船人员定位与管理系统设计与实现

◆吴根平 程舟济 王浩 刘志宏 华锴玮

基于Zigbee的大型舰船人员定位与管理系统设计与实现

◆吴根平 程舟济 王浩通讯作者刘志宏 华锴玮

（武汉第二船舶设计研究所 湖北 430064）

大型舰船舱室众多、编制复杂、任务多样，传统的依靠舰员人工获悉大型舰船各舱室人员位置并进行人员管理的方式工作量大、时间长、效率低，影响人员高效管理与指挥决策效能。针对该问题，本文以信息化为手段，设计了一种基于Zigbee技术的舰船人员定位与管理系统。身份识别卡作为舰船人员信号识别和跟踪的信号源，岸上分系统在岸上完成身份识别卡的发放，舰上分系统在舰上完成人员的实时定位和人员管理，并在某舰船上完成了试验验证。试验结果表明，所设计实现的系统人员定位准确度高、人员管理功能全面，有效提升了大型舰船的人员管理与指挥决策水平。

Zigbee；大型舰船；人员定位；人员管理

随着我国海军战略由“近海防御”到“远海防卫”转型的不断深入，我国舰船向着大型化、复杂化、智能化的方向不断发展[1]。大型舰船舱室复杂，规模庞大，舰员众多，编制组成复杂，任务复杂多样，对人员高效管理带来极大挑战[2]。传统依靠舰员人工完成人员管理的方式工作量大、时间长、效率低，已影响人员高效管理与指挥决策效能的进一步提高，有必要设计并实现基于无线定位技术的人员定位与管理方法。

舰船舱室内环境复杂，对可靠性、功耗、成本等要求较高。相较于蓝牙定位技术、红外线定位技术、Wi-Fi定位技术、RFID定位技术、UWB定位技术等无线定位技术，Zigbee定位技术因定位精度高、可靠性较好、功耗低、实时性强、成本低等特点[3]，是大型舰船无线定位技术的首选。

鉴于舰船复杂特殊的工作环境，本文设计并实现了一种基于ZigBee技术都大型舰船人员定位与管理系统，以实时掌握舰船人员动态，提升舰船的人员管理与指挥决策水平。

1 系统总体方案

基于ZigBee的大型舰船人员定位与管理系统的总体技术方案如图1所示，主要包括由身份识别卡及充电器、岸上分系统与舰上分系统组成。

图1 舰船人员定位与管理系统总体方案

每个身份识别卡，都有自己的唯一身份识别号。可通过岸上配置终端配置身份识别卡的姓名、年龄、性别、部门等相关基本信息。身份识别卡主动式地周期性向外发射身份识别号信息，作为舰船人员信号识别和跟踪的信号源。岸上配置终端通过可插拔电缆载体将身份识别卡数据库信息实时同步至舰上人员定位服务器。

舰船各舱室按需安装多个数据采集单元，使监控区域无信号盲区。身份识别卡进入数据采集单元信号覆盖范围内，实时采集各个身份识别卡发射的身份识别卡信号，每个舱室的数据采集单元通过以太网将采集到的数据传输到舰上服务器进行数据处理，完成人员定位与管理工作。显控终端调用舰上服务器的服务，完成人机交互。

2 系统硬件设计

2.1 身份识别卡及充电器

每名舰员均携带一块身份识别卡，作为舰船人员信号识别和跟踪的信号源。身份识别卡内部嵌入了充电电池、微处理器和无线射频模块，如图2所示。充电电池为有源充电式，为微处理器和无线射频模块提供电源，连续工作时间不短于2个月。微处理器控制无线射频模块定时发送射频信号，射频信号工作在2.4GHz频段。充电器可检测身份识别卡电池电量并为身份识别卡充电。

图2 身份识别卡硬件结构图

2.2 岸上分系统

岸上分系统为配置管理终端。配置管理终端主要由计算机、显示器、鼠标、键盘、身份证读取器、身份识别卡读写器等组成，如图3所示。计算机为商用计算机，通过HDMI接口将图像信号传输至显示器显示。身份证读取器通过USB接口与计算机连接，读取临时上舰人员的身份证信息。身份识别卡读写器通过USB接口与计算机连接，配置、修改、删除、重置身份识别卡。岸上配置管理终端存储所有身份识别卡内所配置的信息，并周期性地将数据库同步至舰上服务器。舰船靠岸后及时将岸上配置管理终端与舰上分系统的以太网接口接通，舰船离岸前将岸上分系统与舰上分系统的以太网接口断开。

图3 岸上配置管理终端硬件结构图

2.3 舰上分系统

舰上分系统主要包括数据采集单元、舰上服务器、显控终端。

数据采集单元主要由微处理模块、无线射频接收模块、CAN通信模块和电源模块等组成，如图4所示。电源模块将直流24V电源转换为直流5V电源，为微处理模块、以太网通信模块、无线射频接口模块供电。微处理模块负责射频信号接收、射频信号信号强度解算以及以太网通信任务。无线射频接收模块接收身份识别卡发出的射频信号的信号强度。以太网通信模块与外部设备进行以太网通信。

图4 数据采集单元硬件结构图

舰上服务器主要由计算机模块、电源模块、网络交换模块和数据存储模块等组成，如图5所示。电源模块将交流220V电源转换为多路直流电源，为人员定位与管理所有内部模块供电。计算机模块对数据进行综合处理，实现人员定位与管理。网络交换模块提供24路以太网接口，通过CPCI总线与计算机模块进行数据交换。数据存储模块通过CPCI总线存储数据。

图5 舰上服务器硬件结构图

显控终端主要由计算机模块、电源模块、操控模块和显示器等组成，如图6所示。电源模块将交流220V电源转换为多路直流电源，为人员定位与管理所有内部模块供电。计算机模块进行操控显示管理。操控模块通过USB接口与计算机模块连接，采集操作人员的操作。显示器通过DVI接口显示计算机模块的图像信号。

图6 显控终端硬件结构图

3 系统软件设计

系统软件主要包括配置管理软件、数据采集软件、人员定位与管理服务软件、显控软件，如图7所示。配置管理软件将身份识别卡数据库信息同步至人员定位与管理服务软件。数据采集软件将采集到的身份识别卡信号强度数据发送至人员定位与管理服务软件。人员定位与管理服务软件进行数据分析处理，实时定位人员所在位置并将所有数据进行存储。显控软件与人员定位与管理服务软件进行信息交互，进行数据信息显示与管理。

图7 人员定位与管理系统软件组成结构框图

3.1 配置管理软件

配置管理软件为运行于Windows XP操作系统的应用软件，部署于岸上管理设备，主要包括读取身份证信息、读取身份识别卡信息、修改身份识别卡信息、信息写入身份识别卡、身份识别卡信息同步等部分，主要流程如图8所示。

图8 配置管理软件流程图

3.2 数据采集软件

数据采集软件为嵌入式软件，部署于数据采集单元，主要包括采集ZigBee信息、解算ZigBee信号强度、发送所采集的ZigBee信息等部分，主要流程如图9所示。

图9 数据采集软件流程图

3.3 人员定位与管理服务软件

人员定位与管理服务软件为运行于Windows Server操作系统中Tomcat应用服务器的应用软件，采用Oracle数据库，基于Java语言开发，部署在舰上服务器上。主要包括数据库信息更新任务、业务信息交互任务等部分，主要流程如图10所示。

3.4 显控软件

显控软件为运行于Windows XP操作系统的应用软件，部署于显控设备，主要包括舱室人员概况信息显示、人员历史轨迹显示、系统设置等部分，主要流程如图11所示。

4 系统定位测试

选择在某舰船上进行了人员定位与管理系统测试。在舰船各舱室按需安装了多个数据采集单元，使监控区域无信号盲区，且在舱室门两侧均安装了数据采集单元。结果表明，所有定位节点定位误差统计值在0.8米左右，且在舱室门附近的节点定位舱室准确，各舱室定位人数误差为0，满足人员定位精度要求。

图10 人员定位与管理服务软件流程图

图11 显控软件流程图

5 结语

本文分析了室内定位技术及定位算法，以信息化为手段设计了一种基于Zigbee的大型舰船人员定位与管理系统。目前，该设计方案已在某大型舰船上成功应用，经试验验证，该系统定位舱室准确、人员管理功能全面有效，有效提升了大型船舶的安全管理与指挥决策水平。

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