專利名稱：一種基于無線傳感器網(wǎng)絡的船上人員健康與安全監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及無線通信技術領域，尤其涉及無線傳感器網(wǎng)絡應用技術領域。
背景技術：
美國商業(yè)周刊和麻省理工學院技術評論在預測未來技術發(fā)展的報告中，分別將無 線傳感器網(wǎng)絡列為21世紀最有影響的21項技術和改變世界的10大技術之一。傳感器網(wǎng) 絡已經(jīng)與塑料電子學、仿生人體器官被稱為全球未來的三大高科技產(chǎn)業(yè)。在科學技術飛速 發(fā)展的今天，無線傳感器網(wǎng)絡技術的應用也必將會得到越來越廣泛的應用。航海，因為其工作環(huán)境的復雜性，以及財產(chǎn)的高度集中性，如何確保航行安全成為 航海事業(yè)能否可持續(xù)發(fā)展的制約問題，而高效實時地對船舶以及船員安全態(tài)勢的監(jiān)控以及 信息反饋則是這一問題得到解決的前提條件。隨著微機電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanism System, MEMS)、片上系統(tǒng)(S0C， System on Chip)、無線通信和低功耗嵌入式技術的飛速發(fā)展，孕育出的無線傳感器網(wǎng)絡 (Wireless Sensor Networks, WSN)以其低功耗、低成本、分布式和自組織的特點帶來了信 息感知的一場變革。同時也為航海的安全監(jiān)控提供一個高效的平臺。無線傳感器網(wǎng)絡所具有的眾多類型的傳感器，可探測包括、溫度、濕度、噪聲、光強 度、壓力、移動物體的大小、速度和方向等周邊環(huán)境中多種多樣的現(xiàn)象?；贛EMS的微傳感 技術和無線聯(lián)網(wǎng)技術為無線傳感器網(wǎng)絡賦予了廣闊的應用前景。在軍事、航空、反恐、防爆、 救災、環(huán)境、醫(yī)療、保健、家居、工業(yè)、商業(yè)等領域都已經(jīng)有所應用。由此，本發(fā)明提出設想并作出相關研究成果將其應用于海事領域。目前在比較成熟、應用比較廣泛的無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)議是Zigbee (紫蜂)無線傳 感器網(wǎng)絡協(xié)議。Zigbee—詞來源于蜜蜂在發(fā)現(xiàn)花粉位置時，通過跳”ZigZig “形舞蹈來告 知同伴，達到了信息交換的目的?？梢哉f這是一種小動物之間通過簡捷的方式實現(xiàn)“無線” 的溝通，人們借此稱呼一種專注于低功耗、低成本、低復雜度、低速率的近距離無線網(wǎng)絡通 信技術。完整的Zigbee協(xié)議棧自下而上分別為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層(MAC層；邏輯鏈路控 制層)、網(wǎng)絡層、應用匯聚層、應用層。(圖DZigbee的物理層和MAC層采用IEEE802. 15.4 協(xié)議。IEEE802. 15. 4協(xié)議是一種經(jīng)濟、高效、低數(shù)據(jù)速率的短距離無線技術，它是針對低 速無線個人域網(wǎng)絡(low-rate wireless PersonalArea Network, LR-ffPAN)制定的標準。 物理層采用直接序列擴頻(DirecUequence Spread Spectrum, DSSS)技術，并定義了三 個工作頻段2. 4GHz頻段對應16個信道，傳輸速率為2501ibpS ；915MHz頻段對應10個信 道，傳輸速率為401cbpS ；868MHz頻段對應1個信道，傳輸速率為201cbpS。在數(shù)據(jù)鏈路層中， LLC子層采用IEEE802. 2標準中定義LLC協(xié)議，Zigbee的MAC層要通過特定服務匯聚子層 (Service-Specific Convergence Sublayer, SSCS)和 LLC 層會話，也就是說在 MAC 層和 LLC層之間還存在SSCS子層，它為MAC接入LLC提供聚合服務，LLC可以使用SSCS的服務 接口訪問802. 15.4網(wǎng)絡，為上層提供鏈路層服務。網(wǎng)絡層的功能包括拓撲管理、MAC管理、路由管理和安全管理。應用匯聚層負責把不同的應用映射到Zigbee網(wǎng)絡層上，包括安全與 鑒權、多個業(yè)務數(shù)據(jù)流的匯聚、設備發(fā)現(xiàn)和業(yè)務發(fā)現(xiàn)。應用層定義了各種類型的應用業(yè)務， 是協(xié)議棧的最上層。Zigbee定義了三種節(jié)點類型協(xié)調器、路由器和終端設備。協(xié)調器可以通過選擇 網(wǎng)絡工作信道和個域網(wǎng)(PAN)識別標識來啟動一個Zigbee網(wǎng)絡。一旦網(wǎng)絡啟動，路由器和 終端設備就能加入網(wǎng)絡。協(xié)調器和路由器都能通過網(wǎng)絡發(fā)射和無線傳感器網(wǎng)絡定位算法的 研究路由數(shù)據(jù)，并且允許其他的路由器和終端設備加入。終端設備不能參與路由數(shù)據(jù)，因此 在不發(fā)射和接收數(shù)據(jù)時可以休眠。當設備加入Zigbee PAN時，設備間的父子關系即形成， 加入的設備為子設備，允許其加入的設備為父設備，Zigbee的網(wǎng)絡拓撲如圖2所示。Zigbee具有多種技術特點，是本發(fā)明選擇其的基本理由。第一，低功耗=Zigbee網(wǎng) 絡設備工作周期較短、收發(fā)信息功率低，并且采用了休眠模式，所以Zigbee技術特別省電， 在低耗電待機模式下，2節(jié)5號電池可以支持一個節(jié)點工作6至M個月，甚至更長，這是 Zigbee的突出優(yōu)勢；第二，低成本通過大幅簡化協(xié)議(不到藍牙的1/10)，降低了對通信 控制器的要求，按預測分析，網(wǎng)絡節(jié)點硬件上只需8位微處理器(例80c51)，最小41cbyte、 最大321cbyte的ROM，軟件實現(xiàn)也比較簡單，而且Zigbee免協(xié)議專利費；第三，近距離 Zigbee的傳輸范圍一般介于IO-IOOm之間，在增加RF發(fā)射功率后，亦可增加到l_3km。這 指的是相鄰節(jié)點間的距離，如果通過路由和節(jié)點間通信的接力，傳輸距離將可以更遠，完全 滿足船舶上距離的使用；第四，短時延=Zigbee的響應速度較快，一般從睡眠轉入工作狀態(tài) 只需15ms，節(jié)點連接進入網(wǎng)絡只需30ms，進一步節(jié)省了電能。第五，大容量一個Zigbee主 設備最多可以管理邪4個從設備，同時主設備還可由上一層網(wǎng)絡節(jié)點管理，最多可以組成 65000個節(jié)點的大網(wǎng)；第六，高安全=Zigbee提供了三級安全模式，包括無安全設定、使用接 入控制清單(ALC)防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用高級加密標(AES-128)的對稱編碼，以靈活 確定其安全屬性。總線通信采用RS-485雙向、半雙工通信協(xié)議，允許多個驅動器和接收器掛接在總 線上，其中每個驅動器都能夠脫離總線。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的將無線傳感器網(wǎng)絡應用于船舶上的人員安全與健康監(jiān)測，主要是對 人體自身安全態(tài)勢與健康狀況進行實時的監(jiān)測與報警，實現(xiàn)對船員安全的實時保護，本發(fā) 明也即為構建一種基于無線傳感器網(wǎng)絡的船上人員安全監(jiān)測系統(tǒng)。由駕駛臺控制中心、無線傳感器固定基站、移動式便攜傳感器、值班駕駛員監(jiān)測傳 感器、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)構成混合式結構網(wǎng)絡；將甲板通過區(qū)域劃分為若干微型網(wǎng)絡區(qū)；各微 型網(wǎng)絡區(qū)域由固定的傳感器節(jié)點及中心節(jié)點組成，將各節(jié)點按位置特點編號，用以確定源 節(jié)點的位置；船上人員自身攜帶便攜式的用以監(jiān)測體征及行為的傳感器；各網(wǎng)絡中心節(jié)點 之間及網(wǎng)絡內各節(jié)點之間按最優(yōu)路徑傳輸，并在駕駛臺設置網(wǎng)關連接傳感器網(wǎng)絡與遠程通 信終端，以實現(xiàn)遠程監(jiān)控，用以轉換兩者之間的協(xié)議。本發(fā)明所構建的系統(tǒng)的結構圖如下系統(tǒng)信息傳輸結構圖(圖3)、固定節(jié)點的結 構示意圖(圖4)、中心節(jié)點模塊圖(圖5)、移動式便攜傳感器節(jié)點結構圖(圖6)。本發(fā)明所構建的系統(tǒng)中，駕駛臺控制中心是整個應用的靈魂，駕駛臺控制中心可觀察人員在船舶上的所處位置及其安全和健康狀態(tài)；出現(xiàn)緊急問題，即提醒報警；同時也 可以實現(xiàn)自我監(jiān)測和提醒。無線傳感器固定基站構成無線傳感器網(wǎng)絡的網(wǎng)絡主體構架，并 提供了人員相對于船舶的位置；船上人員攜帶的移動式便攜傳感器隨時可以監(jiān)測人員的生 命體征以及運動狀態(tài)；比如血壓過高或發(fā)生跌倒。傳感器檢測物理信號并通過傳感器轉換成數(shù)字信號，存儲于存儲器中，首先通過 周圍固定節(jié)點進行距離定位的功能。然后將報警信息及位置信息發(fā)送周圍節(jié)點。之后經(jīng)過 中心節(jié)點的多跳傳送將信息傳輸至匯聚節(jié)點(網(wǎng)關)連接到中央處理器，將信息存儲并處 理，達到報警值后即進行報警。移動式傳感器節(jié)點上也設置手動報警開關，可實施報警或取 消報警。在駕駛臺的檢測傳感器當監(jiān)測到值班駕駛員處于非常松懈或過于緊張的狀態(tài)亦或 有喝酒時也即對值班員發(fā)出警告促其清醒，或同時將警報發(fā)給船長以便其采取相應措施。有益效果本發(fā)明提供一種無線傳感器網(wǎng)絡在海事領域的應用，主要是對船上人員的健康與 安全情況進行實時監(jiān)測和報警，實現(xiàn)對船員的健康和安全實時監(jiān)護，另外本發(fā)明還結合人 體生理學，結合傳感器網(wǎng)絡實時監(jiān)控船員的心理狀態(tài)，即緊張與放松狀態(tài)，減少因人員值班 疏忽或者疲勞造成的危險。這對于常在大海中漂泊的船舶來說其意義尤為重大，因為船舶 通常遠離陸地，這也就以為著其遠離了岸上的醫(yī)療機構，而且船舶上往往危險性較大，使得 船上人員的健康與安全更值得實時關注，以盡早發(fā)現(xiàn)并解決問題。本發(fā)明也即為構建一種 基于無線傳感器網(wǎng)絡的船上人員安全與健康實時監(jiān)測系統(tǒng)。
下面結合附圖與實施案例進一步說明本發(fā)明。圖1本發(fā)明所使用的網(wǎng)絡協(xié)議ZigBee的協(xié)議棧；圖2Zigbee的網(wǎng)絡拓撲結構圖；圖3系統(tǒng)信息傳輸結構圖；圖4固定節(jié)點的結構示意圖；圖5中心節(jié)點模塊圖；圖6移動式便攜傳感器節(jié)點結構圖；圖7主控制面板示意圖；圖8三球定位示意圖；圖9無線傳感器固定基站布置圖。圖中標號1、人員位置動態(tài)顯示區(qū)2、反饋信息顯示區(qū)3、面板4、人員位置5、報警揚聲器6、警示燈7、話筒8、通話按鈕9、駕駛臺控制中心10、中央傳感器11、移動式傳感器12、次級傳感器13、層狀拓撲14、網(wǎng)狀拓撲15、混合拓撲16、標志說明
具體實施例方式本發(fā)明實例所提供的駕駛臺控制中心由信息處理系統(tǒng)和主控制面板組成。主控制 面板由顯示屏幕、報警裝置、VHF(甚高頻)通信裝置等構成。(如圖7)
主控制面板由人員位置動態(tài)顯示區(qū)、反饋信息顯示區(qū)其中，H 人員高度；P 人體 脈搏跳動次數(shù)；BP 人體血壓-收縮壓/舒張壓；A 加速度、VHF通信與報警裝置區(qū)的等構 成。顯示區(qū)顯示人員相對船舶的位置，原理為無線傳感器基站定位；數(shù)值顯示區(qū)，主要顯示 由移動式傳感器經(jīng)無線傳感器網(wǎng)絡傳輸來的信息；VHF通信與報警裝置區(qū)，主要有以下幾 部分報警揚聲器5 當經(jīng)控制臺計算，人員發(fā)生危險時便發(fā)出刺耳的報警聲，引起全船注 意，及時對發(fā)生危險的船員進行及時的施救；警示燈6 伴隨警報發(fā)出紅色的燈光；VHF通信 裝置由話筒7和通話按鈕8構成，當需通話發(fā)出指令時，按下鍵即可，其余時間置于船舶常 用頻道。本發(fā)明實施例所采用的信息處理系統(tǒng)基于ZigBee07-PR0/RF4CE開發(fā)系統(tǒng)，主要 用于判斷傳輸回的數(shù)據(jù)是否超出對人員及船舶可能造成危險的范圍，并輸出報警信號。本發(fā)明實施例所構建的系統(tǒng)提供的無線傳感器固定基站采用混合式編組的方式， 所有固定傳感器均布置在距甲板30 50cm的同一高度的水平面上。在船舶首尾線甲板上 每隔30 50m均勻布置一個中央傳感器，在其周圍均勻分布4 6個次級傳感器。中央傳 感器用于數(shù)據(jù)的存儲以及向駕駛臺控制中心傳輸數(shù)據(jù)，次級傳感器用于將來自移動式傳感 器的數(shù)據(jù)傳輸至與之對應的中央傳感器。任取三個傳感器可定位出船員相對船舶平面的位 置以及船員此時高度，并將由網(wǎng)絡系統(tǒng)自動完成。本發(fā)明實施例所構建的系統(tǒng)所采用的定位的坐標信息是相對船舶的坐標信息，即 采用船舶坐標系，但也可以采用其他通過GPS等獲取的實時地理位置。在本實施例中，優(yōu)先 使用基于視聽測量定位的三球定位方法。構建三維坐標系統(tǒng)，首先在駕駛臺設置傳感器網(wǎng) 絡的坐標原點，然后以船舶縱向為X軸坐標系，從駕駛室沿縱向往船頭方向為X正向，反之 為負；以船舶橫向為Y軸坐標系，左舷為正方向，右舷為負方向，駕駛艙垂向為Z軸坐標系， 往上為正方向，往下為負方向。則本船方位可由下述方法求得三個傳感器節(jié)點在測量坐標系中的位置坐標分別幾位記為(X1, Y1, Z1), (X2, Y2, Z2), (X3，Y3, 4)，信源到達三個傳感節(jié)點的時間差分別記為At1, At2，At3，利用三球定位
的公式即可得
權利要求
1.一種基于無線傳感器網(wǎng)絡的船上人員健康與安全監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于由駕駛臺 控制中心、無線傳感器固定基站、移動式便攜傳感器、值班駕駛員監(jiān)測傳感器、數(shù)據(jù)傳輸系 統(tǒng)構成混合式結構網(wǎng)絡；將甲板通過區(qū)域劃分為若干微型網(wǎng)絡區(qū)；各微型網(wǎng)絡區(qū)域由固定 的傳感器節(jié)點及中心節(jié)點組成，將各節(jié)點按位置特點編號，用以確定源節(jié)點的位置；各網(wǎng)絡 中心節(jié)點之間及網(wǎng)絡內各節(jié)點之間按最優(yōu)路徑傳輸，并在駕駛臺設置網(wǎng)關連接傳感器網(wǎng)絡 與遠程通信終端，以實現(xiàn)遠程監(jiān)控，用以轉換兩者之間的協(xié)議。
2.根據(jù)權利要求1所述的監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述的駕駛臺控制中心可觀察人員 在船舶上的所處位置及其安全狀態(tài)；無線傳感器固定基站構成無線傳感器網(wǎng)絡的網(wǎng)絡主體 構架，并提供了人員相對于船舶的位置；移動式便攜傳感器可以監(jiān)測人員的生命體征以及 運動狀態(tài)；傳感器檢測物理信號并通過傳感器轉換成數(shù)字信號，存儲于存儲器中，通過周圍 固定節(jié)點進行距離定位的功能，將報警信息及位置信息發(fā)送周圍節(jié)點；之后經(jīng)過中心節(jié)點 的多跳傳送將信息傳輸至匯聚節(jié)點連接到中央處理器，將信息存儲并處理，達到報警值后 即進行報警。
3.根據(jù)權利要求1所述的監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述的無線傳感器固定基站采用混 合式編組的方式，所有固定傳感器均布置在距甲板30 50cm的同一高度的水平面上；在船 舶首尾線甲板上每隔30 50m均勻布置一個中央傳感器，在其周圍均勻分布4 6個次級 傳感器；中央傳感器用于數(shù)據(jù)的存儲以及向駕駛臺控制中心傳輸數(shù)據(jù)，次級傳感器用于將 來自移動式傳感器的數(shù)據(jù)傳輸至與之對應的中央傳感器；任取三個固定傳感器可定位出船 員在船舶上的的位置，并將由網(wǎng)絡系統(tǒng)自動完成。
4.根據(jù)權利要求3所述的監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述的的定位的坐標信息即采用船 舶坐標系，也可以采用其他通過GPS等獲取的實時地理位置，優(yōu)先使用基于視聽測量定位 的三球定位方法。
5.根據(jù)權利要求1所述的監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述的移動式便攜傳感器是由顯示 屏和多個功用傳感器組成的集成傳感器面板，可置于人體腕部或腰部等位置。
6.根據(jù)權利要求1所述的監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)由RS-485通信 方式、ZigBee無線通信的方式組成，中心節(jié)點與監(jiān)測計算機之間采用RS-485通信方式；中 心節(jié)點與傳感器節(jié)點之間采用ZigBee無線通信的方式，一個中心節(jié)點可以與多個傳感器 節(jié)點進行通信。
7.根據(jù)權利要求1所述的監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述的值班駕駛員監(jiān)測傳感器安裝 于駕駛臺或其他包括駕駛員自身身體某部位適宜處。
全文摘要
本發(fā)明為一種基于無線傳感器網(wǎng)絡的船上人員健康與安全監(jiān)測系統(tǒng)，由駕駛臺控制中心、無線傳感器固定基站、移動式便攜傳感器、值班駕駛員監(jiān)測傳感器、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)構成混合式結構網(wǎng)絡，將甲板通過區(qū)域劃分為若干微型網(wǎng)絡區(qū)；各微型網(wǎng)絡由固定傳感器節(jié)點及中心節(jié)點組成，將各節(jié)點按位置特點編號，用以確定源節(jié)點的位置。各網(wǎng)絡中心節(jié)點之間及網(wǎng)絡內各節(jié)點之間按最優(yōu)路徑傳輸，并在駕駛臺設網(wǎng)關連接傳感器網(wǎng)絡與與遠程通信終端，以實現(xiàn)遠程監(jiān)控，轉換兩者之間的協(xié)議。本發(fā)明對人體自身健康與安全態(tài)勢的實時監(jiān)控，結合人體生理學、傳感器網(wǎng)絡實時監(jiān)控船員的心理狀態(tài)。將無線傳感器網(wǎng)絡應用于航海技術及其安全領域，為無線傳感器網(wǎng)絡的應用拓寬領域。
文檔編號H04L29/08GK102088471SQ20101012552
公開日2011年6月8日 申請日期2010年3月16日 優(yōu)先權日2010年3月16日
發(fā)明者吳華鋒, 周長青, 張超, 毛奇凰, 涂海飛, 韓雪峰 申請人:上海海事大學