基于ZigBee技術的遠洋測量船舶信息化管理系統構建

晉榮 趙乾宏 劉明波 楊洋

【摘 ?要】

為了提升遠洋測量船舶的信息化管理水平，以無線傳感技術ZigBee為基礎，設計了一套能夠在遠洋測量船舶實現設備狀態監視、人員流動管理、數據資源共享以及局域網通信等功能的系統。實際環境中的測試結果表明，該系統具有良好的交互性、可擴展性，能夠提供全船主要范圍內的人員及設備的定位與管理、無線語音通信、環境參數采集、門禁以及一鍵報警的功能，可提升遠洋大型船舶設備和人員的信息化管理水平。

【關鍵詞】便攜式設備;遠洋測量船舶;ZigBee

[Abstract]

In order to improve the information management level of ocean-surveying ships， based on ZigBee wireless sensor technology， this paper designs a set of system in the ocean-surveying ship for equipment status monitoring， personnel flow management， data resource sharing， LAN communication and other functions. Through the test in the actual environment， the results show that the system has good interactivity and expansibility， and provide the functions of personnel， equipment positioning and management， wireless voice communication， environmental parameter collection， access control and one key alarm in the main scope of the whole ship. Hence it can improve the information management level of equipment and personnel in large ocean ships.

[Key words]portable equipment; ocean survey ship; ZigBee

0 ? 引言

隨著遠洋測量船舶信息化技術的快速發展和深入推進，信息化應用系統在完善決策體系，提升工作效率，改進設備運維手段以及促進管理智能化等方面發揮的作用越來越大，進而產生出越來越多的網絡移動接入需求。一是各級管理需要隨時接入信息網絡，實現人員和設備的動態管理，掌握船舶總體運行態勢;二是需要將船上信息采集設備和測試儀器獲取的船內環境參數等信息實時發送給崗位人員;三是出航期間，各級管理人員需要實時掌握人員活動動態，并在必要時進行視頻、話音和數據等應急通信。綜合考慮以上需求，有必要在遠洋測量船舶上建設無線接入局域網，為各級管理人員和崗位人員的人員管理、設備維護、實時通信、綜合服務等提供移動網絡接入支持，拓展各類信息系統的使用范圍，進一步提升系統應用效能。

在通信網絡技術不斷發展的背景下，結合計算機技術，可以有效實施大型船舶的精細化管理，這也成為順應時代發展的必然趨勢。ZigBee作為一種較為成熟的通信技術，其低功耗、低成本、大容量、支持多種拓撲、低復雜度、快速、可靠、安全等突出優點，非常適用于船舶多區域、多節點、可靠性要求高等實際需求。

1 ? 總體設計

1.1 ?ZigBee技術特點

ZigBee是一種新興的短距離、低速率無線網絡技術，在數千個微小的傳感器之間相互協調實現通信，這些傳感器只需要很少的能量以接力的方式通過無線電波將數據從一個傳感器傳到另一個傳感器，因此ZigBee的通信效率非常高。概括來說，ZigBee技術主要有以下特點：

（1）低功耗。由于ZigBee的傳輸速率低，發射功率僅為1 mW，而且采用了休眠模式，因此ZigBee設備非常省電。據估算，ZigBee設備僅靠兩節5號電池就可以維持長達6個月到2年左右的使用時間，這是其它無線設備望塵莫及的。

（2）低時延。通信時延和從休眠狀態激活的時延都非常短，典型的搜索設備時延30 ms，休眠激活的時延是15 ms，活動設備信道接入的時延為15 ms。因此ZigBee技術適用于對時延要求苛刻的無線控制（如工業控制場合等）應用。

（3）大容量。一個星型結構的ZigBee網絡最多可以容納254個從設備和一個主設備，一個區域內可以同時存在最多100個ZigBee網絡， 而且網絡組成靈活。

（4）高可靠。采取了碰撞避免策略，同時為需要固定帶寬的通信業務預留了專用時隙，避開了發送數據的競爭和沖突。MAC層采用了完全確認的數據傳輸模式，每個發送的數據包都必須等待接收方的確認信息。如果傳輸過程中出現問題可以進行重發。

（5）高安全。ZigBee提供了基于循環冗余校驗（CRC）的數據包完整性檢查功能，支持鑒權和認證，采用了AES-128的加密算法，各個應用可以靈活確定其安全屬性。

（6）拓撲靈活。ZigBee是一個由多個無線數傳模塊組成的一個無線數傳網絡平臺，在整個網絡范圍內，每一個模塊之間可以相互組網通信。

ZigBee的技術特點非常適合在遠洋船舶中部署。船舶環境下，各區域電磁屏蔽效應明顯，無線信號很難穿透多層鋼板，可以通過ZigBee多節點中繼完成遠距離傳輸。船員活動不規則，節點動態接入網絡需求強，可以通過ZigBee技術的多節點自動切換完成動態接入。船舶遠洋航行過程中遠離陸地，設備出現問題時無法及時補充備件，對可靠性、安全性要求高。同時，也對溫濕度以及水浸、著火等環境監視信息的準確性和實時性均比陸地設備要求高。ZigBee技術的高可靠、高安全、低時延等特點能夠很好地滿足船舶應用需求。

1.2 ?系統設計

根據功能需求和模塊化設計思想，基于ZigBee技術構建的船舶信息化管理系統在功能上可以劃分為信息采集模塊、網絡通信模塊、數據分析處理模塊以及服務模塊，其功能構架如圖1所示：

信息采集模塊是整個系統架構的基礎，負責完成各類信號的實時采集。模塊由人員定位終端、設備定位終端、傳感器等無線信息采集設備和微基站設備組成。其中，信息采集設備完成系統所需要的各種信息的采集，遠洋測量船舶可以使用兩種信息采集終端：一種是用于人員、設備定位使用的定位終端，定位終端周期性發送無線信號;一種是用于測量溫濕度、振動以及靜電信息的傳感器，傳感器周期性的測量數據，并通過無線接口將測量的數據發送到交換網絡。微基站設備一方面完成人員、設備終端發送的無線信號的預處理，提取出有效的時間信息、RSSI信息、LQI信息等有效數據報文;另一方面對數據報文進行IP包封裝，使這些信息能夠方便地在網絡上傳送，通過網絡轉發到數據分析處理模塊進行處理。

網絡通信模塊是提供系統中信息采集模塊、數據分析處理模塊和服務模塊之間互聯互通的通道，該部分可以借助于船舶中已建成的船內局域網絡。同時，由于船舶各區域間電磁屏蔽效應明顯，無線信號幾乎無法有效傳輸，因此，需要在船舶中各個艙室、走廊、機艙、甲板等多個部位部署ZigBee微基站設備，并就近接入船內局域網絡，實現全船ZigBee網絡全聯通。

數據分析處理模塊是系統設計的核心，包括定位運算子模塊以及數據處理子模塊兩個部分。其中，定位運算子模塊通過對信息采集設備采集的定位終端發送的相關信息（時間信息、RSSI信息、LQI信息等）進行分析運算，計算出定位終端的相對坐標值，由于船舶內部區域劃分比較復雜，在系統進行運算時需要制定一系列的基本規則，如不穿墻規則、樓層上下規則，通過這些規則對實際運算的坐標值進行修正，修正后的坐標值送到數據處理子模塊，通過數據處理子模塊中構建的三維位置坐標系統進行分析處理，可以實現定位終端的定位管理功能，同時由于位置信息采集模塊發送的信息具有唯一的標識信息，所以同樣能夠實現定位終端的身份識別功能。數據處理模塊結合定位運算模塊的相關數據，可以提供入侵報警判別、進入人員身份識別等智能化功能，同時還可以對通過無線傳感系統采集的溫濕度信息進行處理，實現被管理區域環境監測報警功能。

服務模塊提供系統服務輸出接口，通過這些接口實現系統的一系列服務功能。主要功能包括定位、考勤、訪客管理、環境監視、查詢管理、告警管理、身份識別、人員設備上下船管理、日志管理、視頻追蹤等功能。

2 ? 系統實現

系統主要由高性能服務器組成的數據處理中心、由微基站和船內局域網組成的數據交換平臺以及無線傳感終端三個部分組成，系統實際應用結構分布如圖2所示：

2.1 ?服務器組

服務器組是系統運行的核心模塊，主要包括三個功能組件：信息綜合服務器、通信服務器以及管理服務器。信息綜合服務器主要完成定位信息的收集、處理和位置計算，完成位置信息的存儲管理和三維圖像信息的處理，完成船內環境信息數據的搜集、匯總和分析、顯示、預警信息發布等功能。管理服務器完成分系統內各設備的狀態監控和管理，完成系統配置信息（如拓撲圖、定位終端ID等）存儲、查詢和處理。通信服務器完成語音通信相關信令信息和狀態信息的控制管理，完成跨接入控制區域間的語音交換通信以及短消息交換所需的呼叫控制、業務信令策略管理，終端號碼管理及短信息存貯、轉發等功能。

由于ZigBee信息傳輸速率較低，數據量不大，對服務器的性能要求不高，因此，根據建設經費和船舶空間要求，三個功能組件可以分別部署在各自服務器上，也可以集成部署在一臺服務器上。

2.2 ?微基站設備

微基站設備完成以下幾個主要功能：

◆無線信號的處理和無線數據轉發;

◆以太網信號的光電轉換;

◆以太網數據的內部交換;

◆提供以太網用戶接口;

◆無線語音接入。

根據船舶內部結構和微基站的安裝位置，需要設計選用三種形態的微基站設備：

◆嵌入式微基站模塊，安裝于艙室內用戶接口盒內部;

◆室內型微基站設備，安裝于船內走廊以及部分工作艙室的天花板上;

◆室外型微基站設備，安裝于船外露天甲板、舷邊走道、船艏以及船艉的帆纜工作區。

2.3 ?無線傳感終端

無線傳感終端主要包括三種類型：定位終端、傳感器終端以及手機終端。其中，定位終端主要根據信號接入位置和強度，實時掌握人員位置信息，方便船內人員管理和尋呼找人;傳感器終端將部署于船內各個位置的環境信息定期發送給服務器進行綜合分析、顯示和處理，并在出現異常情況時及時采用服務器聲光預警以及向預設定位終端發送預警信息的方式進行報警，通知相關人員及時處理;手機終端在定位終端基礎上，采用類似移動手機的設計模式，增加顯示屏、攝像頭、麥克/耳機等多媒體IO口，方便在緊急情況下進行音視頻交互。

為方便人員佩戴使用，定位終端采用卡片式和腕帶式兩種類型，可以直接佩戴在手腕上，也可以將卡片直接放置在工作服口袋中。同時，為降低功耗，定位終端本身不主動發送信號，保持休眠狀態，在需要發送信息或服務器端尋呼找人時被動喚醒，發射信號后及時休眠，最大限度降低耗能，理論上來說，一個3V紐扣電池可以使用6個月以上。

根據使用環境，傳感器終端分為有線接入和無線接入兩種。在有網絡接入條件的情況下，傳感器可以直接接入船內局域網絡，通過有線網絡進行數據傳輸;在室外、無網絡接入點艙室等環境下，采用ZigBee無線模塊方式接入，根據實際使用需求，可以設置每隔1～3 600 s發布一次環境信息，其他時間保持休眠狀態，最大限度降低功耗。

3 ? 系統應用和功能測試

將本系統部署于某型遠洋測量船舶各艙室和重點設備運行機房，圖3為系統應用連接關系，為了較全面地檢查系統功能、性能以及與其他系統之間互連接口和信息交換關系的正確性，驗證其是否滿足實際使用要求，對本系統進行現場測試。

根據遠洋船舶實際使用需求，主要開展系統功能性測試，包括定位精度、無線授時、定位和告警、語音通信、環境參數采集以及人員查找、門禁管理等。

3.1 ?定位精度測試

（1）技術要求：遠洋船舶實際使用要求中，船內主要區域精確定位到艙室，一般區域粗略定位到艙段。

（2）測試方法和步驟

1）安排3名測試人員攜帶船員定位終端及訪客定位終端在搭船內部署勤務系統區域進行活動，其中3人分開3層甲板進行，安排人員分別位于艙室、艙段區域;

2）通過管理軟件查看測試人員對應在管理平臺三維界面上顯示的定位監測位置;

3）通過手機終端聯系測試人員，確定其實際位置，并與管理平臺顯示位置進行對比。

（3）測試結果如表1所示。

3.2 ?無線授時功能測試

（1）技術要求：系統能夠自動完成手機終端的同步授時功能。

（2）測試方法和步驟

1）在管理服務器平臺完成手機終端和微基站的信息注冊;

2）開啟手機終端和微基站設備，待設備正常啟動后，管理服務器檢測到手機終端和微基站的信息時會自動將時間信息與手機終端設備同步。

（3）測試結果如表2所示：

3.3 ?定位和告警信息實時更新測試

（1）技術要求：系統具有定位和告警信息實時更新功能。

（2）測試方法和步驟

1）測試人員攜帶定位工卡在定位管理區域內進行活動。

2）測試人員在移動過程中，查看系統平臺管理終端顯示人員位置定位亮點的狀態是否在實時更新。

3）測試人員按下定位工卡的告警按鈕并持續3 s左右，查看系統平臺管理終端是否會上報顯示相關報警更新信息。

4）測試人員攜帶定位工卡進入限制區域內，查看系統平臺管理終端是否會上報顯示相關報警更新信息。

（3）測試結果如表3所示：

3.4 ?語音通信測試

（1）技術要求：手機終端之間能夠正常通話，且話音清晰可懂。

（2）測試方法和步驟

1）手機終端通過微基站接入，通信服務器端完成入網手機終端的信息注冊，并能正確應答。

2）手機終端1摘機，撥打手機終端2對應的電話號碼，手機終端2振鈴，手機終端2摘機與手機終端1通話，測試通話質量，完成后掛機。

3）手機終端2摘機，撥打手機終端1對應的電話號碼，手機終端1振鈴，手機終端1摘機與手機終端2通話。測試通話質量，完成后掛機。

（3）測試結果如表4所示：

3.5 ?環境參數采集測試

（1）技術要求：系統能夠實時獲取溫度、濕度、振動、靜電傳感終端的信息。

（2）測試框圖如圖4所示：

（3）測試方法和步驟

1）如圖4連接設備，建立溫度、濕度、振動度傳感器終端與微基站設備的無線連接;

2）測試人員觀察并記錄終端管理平臺軟件有關傳感參數。

（4）測試結果如表5所示：

3.6 ?人員查找功能測試

（1）技術要求：三維顯示界面中可選擇人員任意一項信息進行查找，系統能自動篩選出該人員所有信息。

（2）測試方法和步驟

1）進入客戶端->三維顯示界面;

2）在界面上查找欄輸入人員名字、卡號、標識等任意一個信息，按回車鍵。

（3）測試結果如表6所示：

3.7 ?門禁管理功能測試

（1）技術要求：系統具備門禁管理功能。

（2）測試框圖如圖5所示：

（3）測試方法和步驟

1）按照圖5連接設備，保持帶有門禁裝置房門關閉;

2）測試人員攜帶具有開門權限的定位工卡至房門處，按下門禁控制器;

3）測試人員不攜帶定位工卡至房門處，按下門禁控制器;

4）測試人員攜帶不具有開門權限的定位工卡至房門處，按下門禁控制器。

（4）測試結果如表7所示：

3.8 ?其他測試

為了進一步驗證系統功能性能，進一步開展了點到點短消息、限制區域報警、系統容量、應急告警、實時發布通知、歷史軌跡查詢等項目測試工作，測試結果均滿足實際使用需求。超過6個月的測試結果表明，系統工作穩定，上述各項功能滿足實際使用需求。

4 ? 結束語

本文介紹的遠洋測量船舶信息化管理系統基于無線通信技術構建，利用ZigBee低功耗、低成本、支持大量節點、支持多種拓撲等突出特點完成了系統架構，增加了系統設計的靈活性，同時也大大降低了系統部署的復雜度，以信息化手段實現了對某型遠洋測量船舶的精細化管理。實際應用測試結果表明：系統工作穩定，能夠實現人員動態管理、設備監視報警、實時多媒體通信、綜合信息服務等多種功能，性能指標滿足使用需求。本方案所實現的信息化管理系統具有成本低、部署方便、使用靈活等特點，可以廣泛應用在遠洋大型船舶或大型封閉式園區等場所，有一定的工程實用價值。

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