船舶人員無(wú)線定位裝置設(shè)計(jì)背景與研究現(xiàn)狀報(bào)告

船舶人員無(wú)線定位裝置設(shè)計(jì)背景與研究現(xiàn)狀報(bào)告1選題的目的和意義現(xiàn)代船舶十分巨大復(fù)雜然而因?yàn)槿肆Τ杀竞图夹g(shù)進(jìn)步的原因船舶人員大大下降。一艘20萬(wàn)噸級(jí)的散貨船的船員不足20人，如何實(shí)現(xiàn)人員的快速定位至關(guān)重要。為了有效地掌握人員分布情況，在出現(xiàn)危險(xiǎn)時(shí)第一時(shí)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(fù)雜多變環(huán)境下的各種設(shè)備，本文設(shè)計(jì)船舶人員定位系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)船舶工作人員的跟蹤定位，同時(shí)保證地面調(diào)度室隨時(shí)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(gè)艙室相互聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)船舶人員的調(diào)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(hù)而且還可以提供監(jiān)視區(qū)域內(nèi)的人數(shù)、工作區(qū)間歷史記錄和實(shí)時(shí)記錄的統(tǒng)計(jì)報(bào)表。2國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況人員定位系統(tǒng)目前使多用無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)缺點(diǎn)如下：優(yōu)點(diǎn)：1、無(wú)需連線，降低安裝成本2、相互間沒(méi)有直接的電氣連接，相互干擾的問(wèn)題就不存在了。3、有些無(wú)法連線的條件，必須使用無(wú)線傳感器缺點(diǎn)：1、網(wǎng)絡(luò)在強(qiáng)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(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷程分為以下三個(gè)階段：傳感器一無(wú)線傳感器一無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（大量微型、低成本、低功耗的傳感器節(jié)點(diǎn)組成的多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)）第一階段最早可以追溯至越戰(zhàn)時(shí)期使用的傳統(tǒng)的傳感器系統(tǒng)。。第二階段二十世紀(jì)年代至年代之間。主要是美軍研制的分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、海軍協(xié)同交戰(zhàn)能力系統(tǒng)、遠(yuǎn)程戰(zhàn)場(chǎng)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(jì)算能力和通信能力。因此在 年，商業(yè)周刊將傳感器網(wǎng)絡(luò)列為世紀(jì)最具影響的項(xiàng)技術(shù)之一。第三階段 世紀(jì)開(kāi)始至今這個(gè)階段的傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)特點(diǎn)在于網(wǎng)絡(luò)傳輸自組織、節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)低功耗。除了應(yīng)用于反恐活動(dòng)以外，在其它領(lǐng)域更是獲得了很好的應(yīng)用，所以年美國(guó)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室一一橡樹(shù)嶺實(shí)驗(yàn)室提出了“網(wǎng)絡(luò)就是傳感器”的論斷。目前基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的人員定位系統(tǒng)常應(yīng)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(shí)別，俗稱電子標(biāo)簽）技術(shù)，發(fā)射采用133kHz無(wú)線信號(hào)，接收采用450MHz信號(hào)，該技術(shù)相對(duì)較為成熟，已廣泛用于門(mén)禁系統(tǒng)的身份識(shí)別，體積小，重量輕便于攜帶。但RFID用于定位技術(shù)具有很多限制性：RFID通信傳輸距離有限；讀寫(xiě)速度慢存在漏檢，信號(hào)碰撞問(wèn)題，抗沖突性低；RFID為有線連接不能組網(wǎng)，靈活性差；數(shù)據(jù)傳輸量小，價(jià)格相對(duì)較高。近年來(lái)，隨著傳感器、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)、信息傳輸這些領(lǐng)域新成果、微電子技術(shù)、數(shù)字技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，使用無(wú)線智能傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)研制全礦井綜合監(jiān)控系統(tǒng)成為了該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。ZigBee技術(shù)是一種新興的最具代表性的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，具有統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和低成本、低功耗等特點(diǎn)。以ZigBee技術(shù)為通信平臺(tái)構(gòu)建的的網(wǎng)絡(luò)，布點(diǎn)靈活，可根據(jù)井下實(shí)際情況布置、更換監(jiān)測(cè)點(diǎn)，彌補(bǔ)了有線傳感器網(wǎng)絡(luò)布點(diǎn)不夠靈活的缺陷。ZigBee技術(shù)已成為煤礦安全監(jiān)測(cè)、人員定位系統(tǒng)的熱點(diǎn)。3ZigBee技術(shù)現(xiàn)有無(wú)線通訊技術(shù)常用的通信技術(shù)主要有IrDA技術(shù)、WIFi技術(shù)、Bluetooth技術(shù)、UWB技術(shù)、RFID（射頻識(shí)別技術(shù)）、Zigbee技術(shù)等［1］。1、IrDA技術(shù)［2］IrDA（紅外線技術(shù)）是一種利用紅外線進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的技術(shù)，它是最早實(shí)現(xiàn)無(wú)線個(gè)人局域網(wǎng)（PAN）的技術(shù)。目前IrDA相應(yīng)的軟件和硬件技術(shù)都已比較成熟，在小型移動(dòng)設(shè)備如手機(jī)電腦上廣泛使用。IrDA的主要優(yōu)點(diǎn)是體積小、功耗低；傳輸速率高，可達(dá)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(jiǎn)單易用、成本低廉。IrDA用于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)上的最大問(wèn)題在于只能在2臺(tái)設(shè)備之間連接，傳輸距離小并且存在有視距角度等問(wèn)題。與ZigBee技術(shù)相比，IrDA只能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳輸，無(wú)法靈活地組成網(wǎng)絡(luò)，而ZigBee最少可以同時(shí)鏈接255臺(tái)設(shè)備；IrDA必須在視距范圍內(nèi)定向傳輸，要求通信設(shè)備的位置固定，無(wú)法用于移動(dòng)設(shè)備；通信距離不超過(guò)lm，而ZigBee通信距離在10m以上。2、WIFi技術(shù)［3］WIFi（WirelessFidelity，又稱802.1Lb標(biāo)準(zhǔn)）采用802.11a/b/g協(xié)議的無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）技術(shù)，是一種工作在2.4GHz頻段的無(wú)線傳輸技術(shù)。WIFi傳輸速度較高，可以達(dá)到11Mbps，它的有效距離也很長(zhǎng)，與已有的各種802.1lDSSS設(shè)備兼容。帶寬的自動(dòng)調(diào)整，有效地保障了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和可靠性。雖然在數(shù)據(jù)安全方面比藍(lán)牙技術(shù)要差一些，但在電波的覆蓋范圍方面卻較強(qiáng)，可達(dá)100m左右。WiFi技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)復(fù)雜，各技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)存在差異和沖突，而技術(shù)方卻尚未達(dá)成一致，技術(shù)的安全問(wèn)題大。與ZigBee相比，WiFi功耗大成本高，組網(wǎng)能力差，不適于廣泛應(yīng)用。3、Bluetooth技術(shù)［4］Bluetooth（藍(lán)牙技術(shù)）是一種工作在2.4GHz頻段的無(wú)線傳輸技術(shù)，優(yōu)點(diǎn)是傳輸速度較高,可達(dá)10Mb/s，功耗較低，具有很強(qiáng)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(shè)備的無(wú)線連接。采用1600MHz的快速跳頻擴(kuò)頻技術(shù)，有效范圍大約在10m半徑內(nèi)，有效距離較短。與ZigBee技術(shù)相比，藍(lán)牙技術(shù)雖然速率較高，但是在功耗、安全性、傳輸距離、網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性等方面都略遜于ZigBee技術(shù)。4、UWB技術(shù)［5］UWB（UltrawideBand，超寬帶技術(shù)）是一種工作在3.1~10.6GHz頻段的無(wú)線傳輸技術(shù)，有著很高的傳輸速度，可達(dá)100Mb/s以上，功耗也比較低。其特點(diǎn)是在非常寬的帶寬內(nèi)，發(fā)送噪音以下的低功率信號(hào)，具有對(duì)信道衰落不敏感、發(fā)射信號(hào)功率譜密度低、有低截獲能力、系統(tǒng)復(fù)雜度低、能提供數(shù)厘米的定位精度等特點(diǎn)。但是它傳輸有效距離較短，僅10米，而且技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，沒(méi)有被廣泛使用。5、RFID技術(shù)［6］RFID是一種工作在50kHz?5.8GHz頻段的無(wú)線傳輸技術(shù),是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù),它通過(guò)射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識(shí)別工作無(wú)須人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境。RFID按照能源的供給方式分為無(wú)源RFID,有源RFID,以及半有源RFID。無(wú)源RFID價(jià)格低，讀寫(xiě)距離近；有源RFID可以提供更遠(yuǎn)的讀寫(xiě)距離，適用于遠(yuǎn)距離讀寫(xiě)的應(yīng)用場(chǎng)合但是需要電池供電,成本要更高一些。6、ZigBee技術(shù)［7］ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無(wú)線通信技術(shù)。它基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，支持250kb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，使用全球免費(fèi)頻段2.4GHz進(jìn)行通信,可以實(shí)現(xiàn)一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的快速組網(wǎng)。主要適合于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域,可以嵌入各種設(shè)備中,同時(shí)支持地理定位功能。ZigBee技術(shù)特點(diǎn)Zigbee技術(shù)的主要特點(diǎn)［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(shù)的傳輸速率低，傳輸數(shù)據(jù)量小，因此信號(hào)的收發(fā)時(shí)間短。非工作模式下，ZigBee節(jié)點(diǎn)處于休眠模式。3、成本低。ZigBee數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡(jiǎn)單，且zigbee協(xié)議免收專利費(fèi)，所以大大降低了成本。4、短時(shí)延。ZigBee的通信時(shí)延短，通常都在15毫秒至30毫秒之間。5、免許可無(wú)線通信頻段。ZigBee工作在2.4GHz、868MHz（歐洲）及915MHz（美國(guó)）頻段,均為免許可頻段。6、組網(wǎng)方式靈活。ZigBee網(wǎng)絡(luò)可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器組成星狀、樹(shù)狀、網(wǎng)狀等多種組網(wǎng)方式，組網(wǎng)方式靈活。7、近距離通信。由于低功耗特點(diǎn)，ZigBee設(shè)備發(fā)射功率較小，相近兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信距離在10?100m內(nèi)，加大無(wú)線發(fā)射功率可增加到1?3km，通過(guò)相鄰節(jié)點(diǎn)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(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留專用時(shí)隙,避免發(fā)送數(shù)據(jù)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突,保證數(shù)據(jù)完整安全性。9、網(wǎng)絡(luò)容量大。一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可支持255個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，也就是說(shuō)，每個(gè)ZigBee設(shè)備可以與另外254臺(tái)設(shè)備相連接。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器,整個(gè)網(wǎng)絡(luò)最多可以支持64000個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),與各個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器相連可以建立更加龐大網(wǎng)絡(luò),適用于大面積傳感器網(wǎng)絡(luò)建立。10、自配置組網(wǎng)。在可通信距離內(nèi)，ZigBee通過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器自動(dòng)建立網(wǎng)絡(luò)，采用載波偵聽(tīng)/沖突檢測(cè)方式進(jìn)行信道接入。對(duì)節(jié)點(diǎn)設(shè)備可隨時(shí)加入和退出,是一種自配置、自組織的組網(wǎng)模式。11、三級(jí)安全模式。ZigBee提供了基于循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）的數(shù)據(jù)包完整性校驗(yàn)，支持鑒權(quán)和認(rèn)證,并在數(shù)據(jù)傳輸中提供了三級(jí)安全模式。

名器加用硼魄.trwe超就帝RHDMFC將■遑度11—54Mbps1毗蘆1OOKfips53-4BDMbPS1K424K通信距離值技卜20■加咪20-200^2-2CW(J24QJK誄加米姮/Z.4CHE2.4CHE2.dGH231GHz1DfGH71356GHz安全性低H中等黑椎高國(guó)際標(biāo)獵lEEE.BOZHbIEEE.302,110IEEESD215UIEEE0D2154標(biāo)膜尚未制定田QflESBOg?ISQ/IEC214B1功耗l0-5DmA20mA5mA10-50rrA[{1mA10mA成本2S$5SZ9X05$Z.5F$主要鹿用無(wú)倏上網(wǎng)LFC、PDA,遍信.汽率.rr.云媒除公存.故府等＞雙用L仔現(xiàn)傳汽王輪船），醫(yī)療等高身國(guó)祝甄三百軍和揖，下代根硬盤(pán)箸 條龍網(wǎng)手機(jī)，近用澧信技術(shù)基于以上幾點(diǎn)我選擇在船舶人員定位系統(tǒng)中使用ZigBee系統(tǒng)中協(xié)調(diào)器路由器路由器協(xié)調(diào)器路由器路由器ZigBee協(xié)議ZigBee協(xié)議架構(gòu)［7］是建立在IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上。IEEE802.15.4規(guī)范網(wǎng)是一種經(jīng)濟(jì)、高效、低數(shù)據(jù)速率（＜250kbps）、工作在2.4GHz和868/928MHz的無(wú)線技術(shù)。IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義了ZigBee協(xié)議的物理層（PHY層）和媒體訪問(wèn)控制層（MAC層）。ZigBee聯(lián)盟在此基礎(chǔ)上建立了網(wǎng)絡(luò)層（NWK層）、應(yīng)用層（APL層）和安全服務(wù)規(guī)范。完整的ZigBee協(xié)議套件由高層應(yīng)用規(guī)范、應(yīng)用匯聚層、網(wǎng)絡(luò)層、以及數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成。方法步驟在許多場(chǎng)合下，傳感器節(jié)點(diǎn)被隨機(jī)部署在某個(gè)區(qū)域，節(jié)點(diǎn)事先無(wú)法知道自身的位置，因此需要在部署后通過(guò)定位技術(shù)來(lái)獲取自身的位置信息。目前最常見(jiàn)的定位技術(shù)就是（ ）了，它能夠通過(guò)衛(wèi)星對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位，并且能夠達(dá)到比較高的精度。因此要想對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位，最容易想到的方法就是給每個(gè)節(jié)點(diǎn)配備一個(gè)接收器，但是這種方法不適用于傳感器網(wǎng)絡(luò)，主要原因有以下幾點(diǎn)：（） 接收器通常能耗高，而對(duì)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，一般能耗很有限，給每個(gè)節(jié)點(diǎn)配備一個(gè) 接收器會(huì)大大縮短網(wǎng)絡(luò)壽命；（） 接收器成本比較高，給無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)配備一個(gè) 接收器，需要投入很大成本，尤其對(duì)于大規(guī)模的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)不是很適合；因此有必要研究適合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)。下面分兩個(gè)部分來(lái)介紹節(jié)點(diǎn)定位的相關(guān)研究：）節(jié)點(diǎn)定位的基本概念；）節(jié)點(diǎn)定位的基本思路節(jié)點(diǎn)定位的基本概念無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)定位是指?jìng)鞲衅鞴?jié)點(diǎn)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中少數(shù)已知節(jié)點(diǎn)的位置信息，通過(guò)一定的定位技術(shù)確定網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)的位置信息的過(guò)程。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)通?？梢苑譃樾艠?biāo)節(jié)點(diǎn)（ ）和未知節(jié)點(diǎn)（ ），其中信標(biāo)節(jié)點(diǎn)也稱為錨節(jié)點(diǎn)或者參考點(diǎn)，未知節(jié)點(diǎn)也稱為普通節(jié)點(diǎn)。信標(biāo)節(jié)點(diǎn)是位置信息已知的節(jié)點(diǎn)，未知節(jié)點(diǎn)是未知信息未知的節(jié)點(diǎn)。信標(biāo)節(jié)點(diǎn)一般所占比例很小，通常通過(guò)手工配置或者配備 接收器來(lái)獲取自身的位置信息。除此之外還有一種節(jié)點(diǎn)稱為鄰居節(jié)點(diǎn)（ ），鄰居節(jié)點(diǎn)是指?jìng)鞲衅鞴?jié)點(diǎn)通信半徑內(nèi)的其他節(jié)點(diǎn)。以下是幾個(gè)常用術(shù)語(yǔ)：到達(dá)時(shí)間（ ，），信號(hào)從一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳播到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)所需時(shí)間到達(dá)時(shí)間差（ i），不同傳播速度的信號(hào)從一個(gè)節(jié)點(diǎn)到達(dá)另一個(gè)基點(diǎn)所需要的時(shí)間之差到達(dá)角度（ ，），節(jié)點(diǎn)接收到的信號(hào)相對(duì)于自身軸線的角度接收信號(hào)強(qiáng)度（ ，）S節(jié)點(diǎn)接收到無(wú)限信號(hào)強(qiáng)度的大小，也有稱 （），兩個(gè)意思基本是一樣的視距關(guān)系（ ，），兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間沒(méi)有障礙物，能夠直接通信非視距關(guān)系（i），兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間有障礙物，不能直接通信跳數(shù)（ ），兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的跳段之和節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)的基本思路節(jié)點(diǎn)定位的基本思路主要有兩種：基于測(cè)距（ ）：假設(shè)在傳感器網(wǎng)絡(luò)中某些節(jié)點(diǎn)位置信息已知，通過(guò)某些手段來(lái)估算其他節(jié)點(diǎn)的位置信息。在這里面通常有兩個(gè)步驟：測(cè)距位置估算因?yàn)橐ㄟ^(guò)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)得到未知節(jié)點(diǎn)的位置信息，必須先確定信標(biāo)節(jié)點(diǎn)到未知節(jié)點(diǎn)的距離，才能得到未知節(jié)點(diǎn)的位置信息。舉個(gè)例子說(shuō)明一下：信標(biāo)節(jié)點(diǎn)火（xlJyl）信標(biāo)節(jié)點(diǎn)火（xlJyl）未知節(jié)點(diǎn)E假如信標(biāo)節(jié)點(diǎn)位置已知為（1 ），節(jié)點(diǎn)單的想法：假設(shè)位置為（，），（ ） （ ）到的距離為位置未知，要想求得的位置，最簡(jiǎn)1假如信標(biāo)節(jié)點(diǎn)位置已知為（1 ），節(jié)點(diǎn)單的想法：假設(shè)位置為（，），（ ） （ ）到的距離為位置未知，要想求得的位置，最簡(jiǎn)1則有顯然只根據(jù)一個(gè)方程這樣是無(wú)法求得和的值，假若有兩個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)呢?信標(biāo)節(jié)點(diǎn)E(xZjy2)這樣一來(lái)的話又多了一個(gè)方程：到和，但是此時(shí)和是有兩組解的，一個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)：）這樣一來(lái)的話又多了一個(gè)方程：到和，但是此時(shí)和是有兩組解的，一個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)：）2此時(shí)可以解得方程組得無(wú)法唯一確定和的值，因此需要考慮再假如x2jx2jy2)這樣一來(lái)的話就可以唯一確定和的值了，最基本的