摘 要：本文介绍一种基于Zigbee无线传感网络技术进行大型舰船人员实时定位的研究。以舰船舱室、通道、战位的实际布置情况为依据，研究了人员定位系统的总体方案设计，采用RSSI测距的定位算法解算位置节点的相对坐标。测试结果表明，系统设计合理可行，能够应用在大型舰船的人员实时定位。
关键词：舰船； Zigbee； 人员定位
中图分类号：U674.7 文献标识码：A
Abstract： This paper introduces a Zigbee wireless sensor network technology for personnel real-time positioning of large warships.BY analyzing the actual arrangement of ship cabin， access and operation positions， the general schemes and software and hardware of system are designed. RSSI localization algorithm is adopted to calculate the relative coordinates of node position. The test results show that the system design is reasonable and feasible， and it can be applied to personnel real-time positioning in large warships.
Key words： Warship； Zigbee； Personnel positioning
1 引言
大型艦船舱室众多、构造极为复杂。以某型航母为例，共有甲板十余层、舱室上千个，内部通道错综复杂，总长达数十千米，舰上工作人员达数千人。在进行一些训练科目时，如果不能及时精确地掌握人员动态信息，极易产生伤亡事故。目前采用的定位方法，如GPS、北斗、GNSS等卫星导航系统，由于舱室内部的信号屏蔽及设备电磁干扰，定位精度和效果不尽人意，因此研究一种能够有效在舰船舱室内部实时精确定位人员相对位置的系统显得非常迫切和意义重大。
2 舱室人员定位方案及比较
2.1 无线射频技术
利用无线射频技术的舱室人员定位方案，包括应用射频技术和无线通信技术。无线射频技术的工作原理是舰员携带标识卡，每个标识卡唯一确定一个 ID，读卡器安装于舰艇舱室、通道、战位，可主动或被动识别标识卡里的信息，再通过无线通信系统传输人员信息回控制站。该项技术成本偏高、系统抗电磁干扰能力较差、有效通信距离较短，难以进行舰艇的精确实时定位。
2.2 ZigBee定位技术
ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本、时延短的双向无线通讯技术，主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据的传输。该技术由 ZigBee 网络协议支持，包含定位卡、接收器和定位器几部分。定位处理器分布于不同位置用于接收检测信号，具有三个工作频段，每个频段的传输速率不同，传输距离在10～75 m范围，可根据接收器个数和定位器间的距离调节定位精度，适合大型舰艇的舱室人员定位。
3 总体方案设计
舰艇人员定位系统在结构上可分为两部分：一是无线定位系统模块，主要包括协调器节点、未知节点和参考节点；二是监控中心模块，主要是方便用户管理和实时监测。这两个部分是由协调器通过串口与计算机连接起来，组成整个网络定位系统。
各个节点都是通过 2.4GHz 频率的射频信号进行相互通信，协调器成功组建网络且当各个节点成功入网后，它们之间就可以相互收发信息，信息的发送采用载波侦听多路访问形式。未知节点在通信范围内广播自己的 RSSI信息，参考节点收到未知节点 RSSI 信息后，经过处理连同自身的位置相关信息发送给未知节点，这些信息主要包括参考节点自身的 ID 和坐标信息、与未知节点间距离、数据长度等，未知节点收到这些信息以后，就把有用的信息存储起来，然后发送给协调器，协调器收到信息后通过算法的计算处理求出未知节点相对坐标，并将相关位置信息发送给计算机。
系统所用的硬件节点模块主要包括核心板模块和底板模块：核心板就是嵌入 CC2530 芯片的无线射频收发模块；底板主要提供方便用户开发和使用的 I/O 口、外接电源接口、传感器接口、串口转换芯片、仿真器接口和LED 指示灯等，具有集成度高、体积小的优势。
系统使用的软件开发环境是由瑞典 IAR Systems 公司开发的产品—IAR Embedded Workbench，具有代码执行率高、完全兼容C语言等特点。
4 基于 RSSI的定位算法
基于 RSSI的定位算法在基于接收信号强度指示的定位方法，发射信号强度和接收信号强度都是已知的，因为节点核心芯片中都具有射频收发能力和 RSSI 测量功能，从数据包里即可读取 RSSI 值。由于无线信号在舱室传输过程中会有一定的衰减，因此从接收节点的 RSSI 值即可得知信号的衰减值，然后根据理论模型就可求出节点间的距离，最后采用坐标计算方法完成定位。
经常使用的方法为质心算法，即利用几何运算依次算出 3 个参考节点与未知节点的距离，再用公式对未知节点的坐标进行估算。将已知 3 个点的坐标做圆，如图1所示。
5 系统定位模拟测试
选择某舰建造分段进行定位系统测试， 舱室面积为6m×10 m×2.9 m。在走廊及两边设置10个参考节点， 利用PC为参考节点设置坐标位置， 将移动节点放置在参考节点区域， 通过服务器接口检查移动节点的位置信息。结果表明，所有应用节点定位误差统计值在1 m左右，能够满足定位精度的要求。
6 结论
本文采用RSSI的定位算法，设计了基于Zigbee无线传感网络技术，解决了一种复杂舱室环境和电磁环境下的人员高精度实时定位问题，弥补了卫星导航系统的不足，为舰艇训练、人员安全提供了有益保障。
