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摘要：大型船舶船舱内部结构复杂，舱内操作人员定位问题亟待解决。舱内人员巡检系统以ZigBee技术为核心，采用模块化设计，整个系统分为：ZigBee终端设备、ZigBee路由器设备和ZigBee协调器设备。通过组建无线网格网络（mesh网络）进行数据传输，在上位机界面显示人员位置信息。通过模拟实验，此系统能够实现舱内人员的实时定位、灾害报警、上位机显示等功能，实现了ZigBee技术在舱内人员定位系统中的应用。
关键词： ZigBee技术； 人员定位； 无线通信； mesh网络； 模块化
中图分类号：TP277 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）26-0238-02
Application of Operator Patrol System Based on ZigBee in the Cabin
LI Yan-sheng，SUN Lin，WANG Ya-kun
（College of Communication and Electronic Engineering， Qingdao University of Technological， Qingdao 266033， China）
Abstract：The cabin internal structure of large ship is complex， and the positioning problem of cabin operator should be solved urgently. The operator patrol system in the cabin takes the ZigBee technology as the core， uses the modular design. The whole system is divided into： ZigBee terminal equipment， ZigBee router equipment and ZigBee coordinator equipment. This system transmitted data by the mesh network， and displayed personnel location information in the host computer. By the simulation experiment， this system could realize the function of real-time positioning， disaster warning， and host computer display， and realize the application of operator patrol system based on ZigBee in the cabin.
Key words： ZigBee； personnel positioning； wireless communication； mesh； modularization
1 概述
大型舰船体型、规模、承载量巨大，其船舱内部结构更是复杂多变，这给舰船指挥员对船上人员的掌控和舱内紧急事故的处理增加了很大的难度。因此，在船舱控制中心实时观测船舱内部操作人员的位置和状态，实现对舱内人员的考勤和精确定位，并能够及时收发报警信息，对于大型的、结构复杂的舰船内部的操作人员的安全及工作效率的提高有着重要的意义。
目前，常见的人员定位技术中，全球定位技术（Global Positioning System，简称GPS）应用于室外定位，在室内由于建筑物遮挡无法完成精确定位[1]；红外线定位技术在传输过程中很容易受障碍物的影响且仅能进行视距内的定位[2]；射频识别系统（Radio Frequency Identification，简称RFID）应用于区域识别，无法在区域内部实现人员的实时定位，且RFID读卡器造价偏高[3]。
ZigBee技术是一种新兴的低功耗、低复杂度、近距离的无线通信技术，适用于短距离无线通信[4]。它制定了新的通信标准，在无线传感器网络中随机放置数个微型传感器节点，构成一个无线传感器网络，节点之间相互通信交换数据来完成定位，每个节点之间通过路由的方式把数据信息从一个节点传递给另外一个节点[5][6]。 ZigBee 技术最重要的特征是低能耗和低成本[7]。因此，本研究选用ZigBee技术来完成船舱内部操作人员安全巡检系统的方案设计。
2 船舱内部操作人员安全巡检系统设计方案
本论文设计的船舱内部操作人员安全巡检系统方案如图1所示。船舱安全巡检系统根据每个模块的功能和位置不同，由三个主要部分构成：ZigBee终端模块，ZigBee路由器模块和ZigBee协调器模块[8]。根据各模块的要求和具体任务，分别进行了硬件电路设计。
图示说明：上图九宫格中，每个格子代表一个船舱；每个船舱内放置固定位置的ZigBee路由器设备，同时，每个船舱内有数量不等的携带ZigBee终端设备的人员，ZigBee协调器接收ZigBee路由器设备发送的信号，并上传至上位机进行数据处理和显示。
该船舱巡检系统中，在每一个船舱放置一个或多个固定位置的ZigBee路由器，这些路由器组成无线网格网络（Mesh网络）进行数据传输，可移动的ZigBee终端设备与ZigBee路由器组成星型网络。本系统的核心问题是判断人员进入哪一个ZigBee路由器的识别范围。
当携带ZigBee终端设备的人员进入某一船舱后，ZigBee终端设备会每隔5s将自身的静态、动态信息主动发送给附近的ZigBee路由器，发送完成后进入低功耗模式。船舱内的ZigBee路由器检测到该定位终端，并进行数据传输。然后，ZigBee路由器将自身的地址信息和接收到的若干ZigBee终端设备的信息一起打包发送给ZigBee协调器，经过上位机的数据处理和传输显示，判断并确认终端设备所在的位置。当然可以在较大的船舱内部放置多个路由器，进行精确定位。 由于ZigBee路由器的信号向四周辐射，因此当人员从一个船舱到了另一个船舱时，其终端设备可能仍然和上一个船舱内的ZigBee路由器相连，这样就不能和刚进入的船舱内的路由器相连。为了解决该问题采用以下方法：
1）终端设备需要检测ZigBee路由器信号的强度，通过接收到的ZigBee路由器信号的强度来判断是否切换路由。
2）控制ZigBee路由器的发射信号，适当的减小路由器的发射功率，避免出现上述情况。
3 各模块硬件电路设计
3.1 ZigBee终端模块
ZigBee终端模块需要每位船舱内操作人员随身携带，这就要求其体积小，功耗低，成本低，灵敏度高，可充电。这为终端模块的设计提出了要求：能够实时发送携带有ZigBee终端设备人员的个人信息和位置信息以实现定位功能；支持报警功能，当舱内安全操作人员发现险情（漏水、火灾等）时，可通过ZigBee终端设备上的报警按钮及时向主机发出报警信息；当携带有ZigBee终端设备的工作人员由一个船舱进入另一个船舱时，ZigBee终端设可根据ZigBee路由器发出的信号强弱判断是否切换连接，并自动完成切换。
根据上述设计需求，ZigBee终端模块主要由四部分构成：CC2530主控芯片、电源管理模块、终端按键、无线通信模块。其系统设计如图2所示。
考虑到电源模块供电的可靠性、经济性，ZigBee终端设备选用锂电池作为电源。同时，为了更直观地显示ZigBee终端设备的工作状态，终端设备设计有LED指示灯，当设备开启并且存有电量时，LED指示灯闪烁；否则，无任何指示。
3.2 ZigBee路由器模块
ZigBee路由器模块设计要求：ZigBee路由器需接收周围若干ZigBee终端设备信号；ZigBee路由器能够将接收到的多个终端设备的信号强度信息和自身的地址信息汇总后发送到ZigBee协调器；ZigBee路由器能能够确定终端设备是否报警，并采集自身电池电压，上传至ZigBee协调器。
根据以上设计要求，ZigBee路由器采用芯片CC2530 CC2591模块控制，CC2591芯片进行功率放大。同时，采用了STM8系列单片机，以采集路由器电池电压及发送报警信号。另外，还包括LED显示模块，无线通信模块等，其系统设计如图3所示。
3.3 ZigBee协调器模块
ZigBee协调器模块与ZigBee路由器模块采用相同的模块设计，通过CC2591芯片将信号功率放大，扩大信号传输范围。
ZigBee协调器模块设计需求：ZigBee协调器模块需接收各舱内ZigBee路由器发送来的数据信息，并上传至上位机，由上位机进行数据处理并显示；另外，当ZigBee终端模块发出报警信号时，ZigBee协调器模块能够识别报警信号，并向ZigBee路由器设备发出报警信号，使路由器设备进行声光报警，提醒周边船舱内部操作人员抓紧时间撤离危险区域。
ZigBee协调器模块主要由CC2530芯片及CC2591芯片控制，同时设计有接口转换电路、复位电路、稳压电路等。
4 船舱内部操作人员安全巡检系统测试
为了更好的检测船舱内部操作人员安全巡检系统的功能和完整性，本文组建了一个简易的无线定位仿真系统，进行定位测试，并选用了MyComPort V 4.1.1串口调试软件进行串口调试。ZigBee路由器地址配置直接由拨码开关控制，不使用单片机进行配置，更加方便、简单。
为使同一信道不同网络能同时工作，应更改ZigBee各模块的PANID值，只有ZigBee各模块的PANID和CHANNEL值均相同的模块才能组成一个网络，每个网络都应该是1主机N路由的方式。
经各模块组网运行，系统测试效果如图4所示。经测试，船舱内部操作人员安全巡检系统能够实现在相对封闭空间内对人员的定位功能，并能实现ZigBee终端设备发送报警信号，上位机控制附近ZigBee路由器设备进行声光报警等功能。
5 结论
ZigBee技术作为无线通讯领域的后起之秀，在短距离无线控制、数据传输领域都具有广阔的应用前景。本文基于ZigBee技术构建船舱内部覆盖的无线传感器网络，使系统在成本、功耗以及综合使用效果上有了很大的突破。本系统采用模块化设计，并利用AD 09软件进行了PCB制版制作。通过对该系统在模拟环境中的测试，验证了本系统的可行性和实用性。通过测试，本系统能够实现对ZigBee终端设备携带人员的舱内实时定位，灾害报警，上位机显示等功能，实现了ZigBee技术在船舱内部空间的定位应用。
参考文献：
[1] 秦晓静. 基于ZigBee技术的井下人员定位系统的研究[D]. 长春：长春理工大学，2012.
[2] 吕文婷. 基于ZigBee技术的无线定位系统的研究[D]. 哈尔滨：黑龙江大学，2009.
[3] 陈峰. 基于ZigBee的井下人员定位系统的研究[D]. 焦作：河南理工大学，2012.
[4] 胡柯，郭壮辉，汪镭. 无线通信技术ZigBee研究[J]. 电脑知识与技术，2008（6）：1049-1051.
[5] 张朋. 基于ZigBee的室内人员定位监控系统的设计[J]. 信息技术，2010（10）：34-37.
[6] 刘洋，杨洁明. 基于CC2431的井下人员定位方法研究[J]. 煤矿机械，2010，31（6）：49-51.
[7] 王权平，王莉. ZigBee技术及其应用[J]. 现代电信科技，2004（1）：7-10.
[8] 李永龙，杨明枫，曹莹莹. 基于ZigBee的无线温度监测系统的设计与实现[J]. 电脑知识与技术，2013（15）.
关键词： ZigBee技术； 人员定位； 无线通信； mesh网络； 模块化
中图分类号：TP277 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）26-0238-02
Application of Operator Patrol System Based on ZigBee in the Cabin
LI Yan-sheng，SUN Lin，WANG Ya-kun
（College of Communication and Electronic Engineering， Qingdao University of Technological， Qingdao 266033， China）
Abstract：The cabin internal structure of large ship is complex， and the positioning problem of cabin operator should be solved urgently. The operator patrol system in the cabin takes the ZigBee technology as the core， uses the modular design. The whole system is divided into： ZigBee terminal equipment， ZigBee router equipment and ZigBee coordinator equipment. This system transmitted data by the mesh network， and displayed personnel location information in the host computer. By the simulation experiment， this system could realize the function of real-time positioning， disaster warning， and host computer display， and realize the application of operator patrol system based on ZigBee in the cabin.
Key words： ZigBee； personnel positioning； wireless communication； mesh； modularization
1 概述
大型舰船体型、规模、承载量巨大，其船舱内部结构更是复杂多变，这给舰船指挥员对船上人员的掌控和舱内紧急事故的处理增加了很大的难度。因此，在船舱控制中心实时观测船舱内部操作人员的位置和状态，实现对舱内人员的考勤和精确定位，并能够及时收发报警信息，对于大型的、结构复杂的舰船内部的操作人员的安全及工作效率的提高有着重要的意义。
目前，常见的人员定位技术中，全球定位技术（Global Positioning System，简称GPS）应用于室外定位，在室内由于建筑物遮挡无法完成精确定位[1]；红外线定位技术在传输过程中很容易受障碍物的影响且仅能进行视距内的定位[2]；射频识别系统（Radio Frequency Identification，简称RFID）应用于区域识别，无法在区域内部实现人员的实时定位，且RFID读卡器造价偏高[3]。
ZigBee技术是一种新兴的低功耗、低复杂度、近距离的无线通信技术，适用于短距离无线通信[4]。它制定了新的通信标准，在无线传感器网络中随机放置数个微型传感器节点，构成一个无线传感器网络，节点之间相互通信交换数据来完成定位，每个节点之间通过路由的方式把数据信息从一个节点传递给另外一个节点[5][6]。 ZigBee 技术最重要的特征是低能耗和低成本[7]。因此，本研究选用ZigBee技术来完成船舱内部操作人员安全巡检系统的方案设计。
2 船舱内部操作人员安全巡检系统设计方案
本论文设计的船舱内部操作人员安全巡检系统方案如图1所示。船舱安全巡检系统根据每个模块的功能和位置不同，由三个主要部分构成：ZigBee终端模块，ZigBee路由器模块和ZigBee协调器模块[8]。根据各模块的要求和具体任务，分别进行了硬件电路设计。
图示说明：上图九宫格中，每个格子代表一个船舱；每个船舱内放置固定位置的ZigBee路由器设备，同时，每个船舱内有数量不等的携带ZigBee终端设备的人员，ZigBee协调器接收ZigBee路由器设备发送的信号，并上传至上位机进行数据处理和显示。
该船舱巡检系统中，在每一个船舱放置一个或多个固定位置的ZigBee路由器，这些路由器组成无线网格网络（Mesh网络）进行数据传输，可移动的ZigBee终端设备与ZigBee路由器组成星型网络。本系统的核心问题是判断人员进入哪一个ZigBee路由器的识别范围。
当携带ZigBee终端设备的人员进入某一船舱后，ZigBee终端设备会每隔5s将自身的静态、动态信息主动发送给附近的ZigBee路由器，发送完成后进入低功耗模式。船舱内的ZigBee路由器检测到该定位终端，并进行数据传输。然后，ZigBee路由器将自身的地址信息和接收到的若干ZigBee终端设备的信息一起打包发送给ZigBee协调器，经过上位机的数据处理和传输显示，判断并确认终端设备所在的位置。当然可以在较大的船舱内部放置多个路由器，进行精确定位。 由于ZigBee路由器的信号向四周辐射，因此当人员从一个船舱到了另一个船舱时，其终端设备可能仍然和上一个船舱内的ZigBee路由器相连，这样就不能和刚进入的船舱内的路由器相连。为了解决该问题采用以下方法：
1）终端设备需要检测ZigBee路由器信号的强度，通过接收到的ZigBee路由器信号的强度来判断是否切换路由。
2）控制ZigBee路由器的发射信号，适当的减小路由器的发射功率，避免出现上述情况。
3 各模块硬件电路设计
3.1 ZigBee终端模块
ZigBee终端模块需要每位船舱内操作人员随身携带，这就要求其体积小，功耗低，成本低，灵敏度高，可充电。这为终端模块的设计提出了要求：能够实时发送携带有ZigBee终端设备人员的个人信息和位置信息以实现定位功能；支持报警功能，当舱内安全操作人员发现险情（漏水、火灾等）时，可通过ZigBee终端设备上的报警按钮及时向主机发出报警信息；当携带有ZigBee终端设备的工作人员由一个船舱进入另一个船舱时，ZigBee终端设可根据ZigBee路由器发出的信号强弱判断是否切换连接，并自动完成切换。
根据上述设计需求，ZigBee终端模块主要由四部分构成：CC2530主控芯片、电源管理模块、终端按键、无线通信模块。其系统设计如图2所示。
考虑到电源模块供电的可靠性、经济性，ZigBee终端设备选用锂电池作为电源。同时，为了更直观地显示ZigBee终端设备的工作状态，终端设备设计有LED指示灯，当设备开启并且存有电量时，LED指示灯闪烁；否则，无任何指示。
3.2 ZigBee路由器模块
ZigBee路由器模块设计要求：ZigBee路由器需接收周围若干ZigBee终端设备信号；ZigBee路由器能够将接收到的多个终端设备的信号强度信息和自身的地址信息汇总后发送到ZigBee协调器；ZigBee路由器能能够确定终端设备是否报警，并采集自身电池电压，上传至ZigBee协调器。
根据以上设计要求，ZigBee路由器采用芯片CC2530 CC2591模块控制，CC2591芯片进行功率放大。同时，采用了STM8系列单片机，以采集路由器电池电压及发送报警信号。另外，还包括LED显示模块，无线通信模块等，其系统设计如图3所示。
3.3 ZigBee协调器模块
ZigBee协调器模块与ZigBee路由器模块采用相同的模块设计，通过CC2591芯片将信号功率放大，扩大信号传输范围。
ZigBee协调器模块设计需求：ZigBee协调器模块需接收各舱内ZigBee路由器发送来的数据信息，并上传至上位机，由上位机进行数据处理并显示；另外，当ZigBee终端模块发出报警信号时，ZigBee协调器模块能够识别报警信号，并向ZigBee路由器设备发出报警信号，使路由器设备进行声光报警，提醒周边船舱内部操作人员抓紧时间撤离危险区域。
ZigBee协调器模块主要由CC2530芯片及CC2591芯片控制，同时设计有接口转换电路、复位电路、稳压电路等。
4 船舱内部操作人员安全巡检系统测试
为了更好的检测船舱内部操作人员安全巡检系统的功能和完整性，本文组建了一个简易的无线定位仿真系统，进行定位测试，并选用了MyComPort V 4.1.1串口调试软件进行串口调试。ZigBee路由器地址配置直接由拨码开关控制，不使用单片机进行配置，更加方便、简单。
为使同一信道不同网络能同时工作，应更改ZigBee各模块的PANID值，只有ZigBee各模块的PANID和CHANNEL值均相同的模块才能组成一个网络，每个网络都应该是1主机N路由的方式。
经各模块组网运行，系统测试效果如图4所示。经测试，船舱内部操作人员安全巡检系统能够实现在相对封闭空间内对人员的定位功能，并能实现ZigBee终端设备发送报警信号，上位机控制附近ZigBee路由器设备进行声光报警等功能。
5 结论
ZigBee技术作为无线通讯领域的后起之秀，在短距离无线控制、数据传输领域都具有广阔的应用前景。本文基于ZigBee技术构建船舱内部覆盖的无线传感器网络，使系统在成本、功耗以及综合使用效果上有了很大的突破。本系统采用模块化设计，并利用AD 09软件进行了PCB制版制作。通过对该系统在模拟环境中的测试，验证了本系统的可行性和实用性。通过测试，本系统能够实现对ZigBee终端设备携带人员的舱内实时定位，灾害报警，上位机显示等功能，实现了ZigBee技术在船舱内部空间的定位应用。
参考文献：
[1] 秦晓静. 基于ZigBee技术的井下人员定位系统的研究[D]. 长春：长春理工大学，2012.
[2] 吕文婷. 基于ZigBee技术的无线定位系统的研究[D]. 哈尔滨：黑龙江大学，2009.
[3] 陈峰. 基于ZigBee的井下人员定位系统的研究[D]. 焦作：河南理工大学，2012.
[4] 胡柯，郭壮辉，汪镭. 无线通信技术ZigBee研究[J]. 电脑知识与技术，2008（6）：1049-1051.
[5] 张朋. 基于ZigBee的室内人员定位监控系统的设计[J]. 信息技术，2010（10）：34-37.
[6] 刘洋，杨洁明. 基于CC2431的井下人员定位方法研究[J]. 煤矿机械，2010，31（6）：49-51.
[7] 王权平，王莉. ZigBee技术及其应用[J]. 现代电信科技，2004（1）：7-10.
[8] 李永龙，杨明枫，曹莹莹. 基于ZigBee的无线温度监测系统的设计与实现[J]. 电脑知识与技术，2013（15）.