船舶人員無線定位裝置設計背景與研究現(xiàn)狀報告

船舶人員無線定位裝置設計背景與研究現(xiàn)狀報告1選題的目的和意義現(xiàn)代船舶十分巨大復雜然而因為人力成本和技術進步的原因船舶人員大大下降。一艘20萬噸級的散貨船的船員不足20人，如何實現(xiàn)人員的快速定位至關重要。為了有效地掌握人員分布情況，在出現(xiàn)危險時第一時間采取措施，最大程度的確保船舶人員的安全，并且合理有效地管理復雜多變環(huán)境下的各種設備，本文設計船舶人員定位系統(tǒng)。實現(xiàn)船舶工作人員的跟蹤定位，同時保證地面調度室隨時了解井下的情況，使管理人員掌握礦工的位置、工作狀態(tài)等信息，便于船舶各個艙室相互聯(lián)系，實現(xiàn)船舶人員的調度和分配，提高工作效率，保障緊急情況下的雙向通訊聯(lián)系和救護而且還可以提供監(jiān)視區(qū)域內的人數(shù)、工作區(qū)間歷史記錄和實時記錄的統(tǒng)計報表。2國內外發(fā)展概況人員定位系統(tǒng)目前使多用無線傳感網絡實現(xiàn)，無線傳感網絡的優(yōu)缺點如下：優(yōu)點：1、無需連線，降低安裝成本2、相互間沒有直接的電氣連接，相互干擾的問題就不存在了。3、有些無法連線的條件，必須使用無線傳感器缺點：1、網絡在強電磁條件下的可靠性不好2、數(shù)據(jù)傳輸速度不如有線的高傳感器網絡的發(fā)展歷程分為以下三個階段：傳感器一無線傳感器一無線傳感器網絡（大量微型、低成本、低功耗的傳感器節(jié)點組成的多跳無線網絡）第一階段最早可以追溯至越戰(zhàn)時期使用的傳統(tǒng)的傳感器系統(tǒng)。。第二階段二十世紀年代至年代之間。主要是美軍研制的分布式傳感器網絡系統(tǒng)、海軍協(xié)同交戰(zhàn)能力系統(tǒng)、遠程戰(zhàn)場傳感器系統(tǒng)等。這種現(xiàn)代微型化的傳感器具備感知能力、計算能力和通信能力。因此在 年，商業(yè)周刊將傳感器網絡列為世紀最具影響的項技術之一。第三階段 世紀開始至今這個階段的傳感器網絡技術特點在于網絡傳輸自組織、節(jié)點設計低功耗。除了應用于反恐活動以外，在其它領域更是獲得了很好的應用，所以年美國國家重點實驗室一一橡樹嶺實驗室提出了“網絡就是傳感器”的論斷。目前基于無線傳感網絡的人員定位系統(tǒng)常應用于礦井、監(jiān)獄等處。例如上海秀派的KJ-19煤礦井下人員安全定位系統(tǒng)，陜西省西安天秦煤炭科技有限公司KJ236人員定位考勤系統(tǒng)，蘇州木蘭電子科技有限公司KJ279井下人員管理系統(tǒng)等。KJ系列定位系統(tǒng)主要是基于RFID（RadioFrequencyIdentification，即射頻識別，俗稱電子標簽）技術，發(fā)射采用133kHz無線信號，接收采用450MHz信號，該技術相對較為成熟，已廣泛用于門禁系統(tǒng)的身份識別，體積小，重量輕便于攜帶。但RFID用于定位技術具有很多限制性：RFID通信傳輸距離有限；讀寫速度慢存在漏檢，信號碰撞問題，抗沖突性低；RFID為有線連接不能組網，靈活性差；數(shù)據(jù)傳輸量小，價格相對較高。近年來，隨著傳感器、自動控制、計算機、信息傳輸這些領域新成果、微電子技術、數(shù)字技術和無線通信技術的發(fā)展，使用無線智能傳感器網絡來研制全礦井綜合監(jiān)控系統(tǒng)成為了該領域的研究熱點。ZigBee技術是一種新興的最具代表性的無線傳感網絡，具有統(tǒng)一技術標準和低成本、低功耗等特點。以ZigBee技術為通信平臺構建的的網絡，布點靈活，可根據(jù)井下實際情況布置、更換監(jiān)測點，彌補了有線傳感器網絡布點不夠靈活的缺陷。ZigBee技術已成為煤礦安全監(jiān)測、人員定位系統(tǒng)的熱點。3ZigBee技術現(xiàn)有無線通訊技術常用的通信技術主要有IrDA技術、WIFi技術、Bluetooth技術、UWB技術、RFID（射頻識別技術）、Zigbee技術等［1］。1、IrDA技術［2］IrDA（紅外線技術）是一種利用紅外線進行點對點通信的技術，它是最早實現(xiàn)無線個人局域網（PAN）的技術。目前IrDA相應的軟件和硬件技術都已比較成熟，在小型移動設備如手機電腦上廣泛使用。IrDA的主要優(yōu)點是體積小、功耗低；傳輸速率高，可達16Mbit/s，適用于傳輸大容量的文件和多媒體數(shù)據(jù)；連接方便、簡單易用、成本低廉。IrDA用于工業(yè)網絡上的最大問題在于只能在2臺設備之間連接，傳輸距離小并且存在有視距角度等問題。與ZigBee技術相比，IrDA只能實現(xiàn)點對點的傳輸，無法靈活地組成網絡，而ZigBee最少可以同時鏈接255臺設備；IrDA必須在視距范圍內定向傳輸，要求通信設備的位置固定，無法用于移動設備；通信距離不超過lm，而ZigBee通信距離在10m以上。2、WIFi技術［3］WIFi（WirelessFidelity，又稱802.1Lb標準）采用802.11a/b/g協(xié)議的無線局域網（WLAN）技術，是一種工作在2.4GHz頻段的無線傳輸技術。WIFi傳輸速度較高，可以達到11Mbps，它的有效距離也很長，與已有的各種802.1lDSSS設備兼容。帶寬的自動調整，有效地保障了網絡的穩(wěn)定性和可靠性。雖然在數(shù)據(jù)安全方面比藍牙技術要差一些，但在電波的覆蓋范圍方面卻較強，可達100m左右。WiFi技術標準復雜，各技術標準存在差異和沖突，而技術方卻尚未達成一致，技術的安全問題大。與ZigBee相比，WiFi功耗大成本高，組網能力差，不適于廣泛應用。3、Bluetooth技術［4］Bluetooth（藍牙技術）是一種工作在2.4GHz頻段的無線傳輸技術，優(yōu)點是傳輸速度較高,可達10Mb/s，功耗較低，具有很強的抗干擾能力。完整協(xié)議棧有250kb，不適合使用低端處理器，主要用于通信和信息設備的無線連接。采用1600MHz的快速跳頻擴頻技術，有效范圍大約在10m半徑內，有效距離較短。與ZigBee技術相比，藍牙技術雖然速率較高，但是在功耗、安全性、傳輸距離、網絡的可擴展性等方面都略遜于ZigBee技術。4、UWB技術［5］UWB（UltrawideBand，超寬帶技術）是一種工作在3.1~10.6GHz頻段的無線傳輸技術，有著很高的傳輸速度，可達100Mb/s以上，功耗也比較低。其特點是在非常寬的帶寬內，發(fā)送噪音以下的低功率信號，具有對信道衰落不敏感、發(fā)射信號功率譜密度低、有低截獲能力、系統(tǒng)復雜度低、能提供數(shù)厘米的定位精度等特點。但是它傳輸有效距離較短，僅10米，而且技術標準不統(tǒng)一，沒有被廣泛使用。5、RFID技術［6］RFID是一種工作在50kHz?5.8GHz頻段的無線傳輸技術,是一種非接觸式的自動識別技術,它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數(shù)據(jù)，識別工作無須人工干預，可工作于各種惡劣環(huán)境。RFID按照能源的供給方式分為無源RFID,有源RFID,以及半有源RFID。無源RFID價格低，讀寫距離近；有源RFID可以提供更遠的讀寫距離，適用于遠距離讀寫的應用場合但是需要電池供電,成本要更高一些。6、ZigBee技術［7］ZigBee技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術。它基于IEEE802.15.4標準，支持250kb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，使用全球免費頻段2.4GHz進行通信,可以實現(xiàn)一點對多點的快速組網。主要適合于自動控制和遠程控制領域,可以嵌入各種設備中,同時支持地理定位功能。ZigBee技術特點Zigbee技術的主要特點［7］：1、數(shù)據(jù)傳輸速率低。ZigBee根據(jù)頻段可選擇從0kbps到250kbps的傳輸速率。2、功耗低。在工作模式下，由于ZigBee技術的傳輸速率低，傳輸數(shù)據(jù)量小，因此信號的收發(fā)時間短。非工作模式下，ZigBee節(jié)點處于休眠模式。3、成本低。ZigBee數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡單，且zigbee協(xié)議免收專利費，所以大大降低了成本。4、短時延。ZigBee的通信時延短，通常都在15毫秒至30毫秒之間。5、免許可無線通信頻段。ZigBee工作在2.4GHz、868MHz（歐洲）及915MHz（美國）頻段,均為免許可頻段。6、組網方式靈活。ZigBee網絡可通過網絡協(xié)調器組成星狀、樹狀、網狀等多種組網方式，組網方式靈活。7、近距離通信。由于低功耗特點，ZigBee設備發(fā)射功率較小，相近兩個節(jié)點的通信距離在10?100m內，加大無線發(fā)射功率可增加到1?3km，通過相鄰節(jié)點的連續(xù)傳輸還可以增加傳輸距離。8、數(shù)據(jù)傳輸可靠。ZigBee的媒體接入控制層采用CSMA/CA接入算法，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務預留專用時隙,避免發(fā)送數(shù)據(jù)的競爭和沖突,保證數(shù)據(jù)完整安全性。9、網絡容量大。一個ZigBee網絡最多可支持255個ZigBee網絡節(jié)點，也就是說，每個ZigBee設備可以與另外254臺設備相連接。通過網絡協(xié)調器,整個網絡最多可以支持64000個網絡節(jié)點,與各個網絡協(xié)調器相連可以建立更加龐大網絡,適用于大面積傳感器網絡建立。10、自配置組網。在可通信距離內，ZigBee通過網絡協(xié)調器自動建立網絡，采用載波偵聽/沖突檢測方式進行信道接入。對節(jié)點設備可隨時加入和退出,是一種自配置、自組織的組網模式。11、三級安全模式。ZigBee提供了基于循環(huán)冗余校驗（CRC）的數(shù)據(jù)包完整性校驗，支持鑒權和認證,并在數(shù)據(jù)傳輸中提供了三級安全模式。

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