本发明涉及船员信息管理技术领域，具体涉及一种基于有源标签手环的船员区域定位与管理系统和一种基于有源标签手环的船员区域定位与管理方法。
背景技术
随着我国社会经济及海洋事业的发展，从事船员职业的人员越来越多，船员安全管理越来越受到人们的重视。目前很多船舶对船员的管理是停留在通过手工作业方式实现，没有一个完善的信息管理系统；另一方面，船舱一般为钢板结构，在不改变现有船体结构的情况下，对船舶人员定位难度很大。特别是在发生危险情况后，短时间内可能产生大量伤员，此时伤员救护工作将遇到较大困难：其一危险情况难以预测，何时、何地、何人受伤或落水均未知，且伤员伤情轻重缓急需要及时被识别；其二船体内部结构复杂，伤员位置不易获取，及时搜救难以展开。
近年来，定位及生命体征监测成为了研究热点，但大多集中于老年看护、矿井工人安全等领域，针对船舶舱室内部人员定位及生命体征监测研究较少，这与陆上需求大于水上需求、舰艇船舶舱室钢铁结构屏蔽无线传播信号等情况有很大关系。为提高战时救护能力和水平，从1996-2003年美国海军资助乔治亚理工大学进行了类似智能衣的研究，称为乔治亚理工可穿戴式主板(thegeorgiatechwearablemotherboard，gtwm)。该研究历经3代产品，可以实现人体体温、心跳和呼吸的监测。此外，《美国海军2015军事科学和技术策略(2015navals&tstrategy)》中也强调了无线生命体征监测的重要性，要求“这种绑在水兵及海军手臂或大腿上的设备能够在其受伤时刻立即捕获其生命体征等信息，及时传输至急救中心监测系统，引导救援”。我国针对船舶舱内定位及生命体征监测的研究起步较晚，近几年才有文献报道。如齐亮、沙琨等对海上伤病员定位系统进行了研究，初步设计了舰载单兵及落水人员定位方案。此外，韩志海、倪健等对海上单兵生命状态监测系统及海上伤病员生命体征信息快速采集处理装置进行了设想。
然而，目前用于船舶的定位与管理系统的方便性和有效性还有待提高。
技术实现要素：
本发明为解决目前用于船舶的定位与管理系统不够方便有效的技术问题，提供了一种基于有源标签手环的船员区域定位与管理系统。
本发明还提出一种基于有源标签手环的船员区域定位与管理方法。
本发明采用的技术方案如下：
一种基于有源标签手环的船员区域定位与管理系统，包括：有源标签手环，所述有源标签手环具有标签id，所述有源标签手环用于采集船员的生命体征信息和所处环境信息；定位基站，所述定位基站具有基站id，当所述有源标签手环与所述定位基站之间的距离小于等于预设距离时，所述定位基站与所述有源标签手环作为节点构成zigbee网络，所述定位基站通过所述zigbee网络接收所述有源标签手环的标签id、所述船员的生命体征信息和所处环境信息；网关，所述网关与所述定位基站通过电力线相连，所述网关通过与所述定位基站进行电力载波通信以获取所述定位基站的基站id、所述有源标签手环的标签id、所述船员的生命体征信息和所处环境信息；上位机服务器，所述上位机服务器与所述网关相连，所述上位机服务器用于接收所述定位基站的基站id、所述有源标签手环的标签id、所述船员的生命体征信息和所处环境信息，以根据所述定位基站的基站id、所述有源标签手环的标签id、所述船员的生命体征信息和所处环境信息进行船员生命体征和环境信息监测、船员定位和船员考勤；公告板，所述公告板与所述网关通过电力线相连，所述上位机服务器还将公告信息发送给所述网关，所述公告板通过与所述网关进行电力载波通信以获取所述公告信息，并根据所述公告信息进行信息发布。
所述上位机服务器与所述网关通过串口相连。
所述定位基站为多个，包括设置于登船离船区的至少两个定位基站、直线排布于走廊隧道区的至少两个定位基站、阵列式排布于甲板开阔区的至少两个定位基站以及对应设置于船舱房间区的至少一个房间内的至少一个定位基站。
所述上位机服务器包括数据库，所述数据库存储有每个定位基站的位置信息，当所述上位机服务器接收到任一定位基站发送的基站id、有源标签手环的标签id、船员的生命体征信息和所处环境信息时，根据接收到的标签id识别佩戴该有源标签手环的船员，以实现对该船员生命体征和环境信息的监测，并根据接收到的基站id识别该定位基站，以及从所述数据库中调取该定位基站的位置信息，以实现对该船员的定位。
所述登船离船区的两端各设置一个定位基站，当所述上位机服务器在预设时间内接收到所述登船离船区的两端的定位基站发送的基站id、有源标签手环的标签id、船员的生命体征信息和所处环境信息时，根据接收顺序判断佩戴该有源标签手环的船员处于登船状态或离船状态，以实现对该船员的考勤。
所述有源标签手环和所述定位基站均包括射频模块，当所述有源标签手环与所述定位基站之间的距离小于等于预设距离时，所述有源标签手环与所述定位基站通过各自的射频模块组建zigbee网络。
所述有源标签手环包括供电电池，所述有源标签手环在向所述定位基站发送所述标签id和所述船员的生命体征信息和所处环境信息后的间隔时间内进入低功耗模式。
所述定位基站、所述网关和所述公告板均包括电力载波模块，所述定位基站的电力载波模块与所述网关的电力载波模块通过电力线相连，所述公告板的电力载波模块与所述网关的电力载波模块通过电力线相连，以实现电力载波通信。
所述定位基站和所述网关直接插接供电电源，以实现对所述定位基站和所述网关的供电。
一种基于有源标签手环的船员区域定位与管理方法，包括：通过有源标签手环采集船员的生命体征信息和所处环境信息，其中，所述有源标签手环具有标签id；定位基站接收所述有源标签手环的标签id、所述船员的生命体征信息和所处环境信息，其中，所述定位基站具有基站id；网关通过与所述定位基站进行电力载波通信以获取所述定位基站的基站id、所述有源标签手环的标签id、所述船员的生命体征信息和所处环境信息；上位机服务器接收所述定位基站的基站id、所述有源标签手环的标签id、所述船员的生命体征信息和所处环境信息，以根据所述定位基站的基站id、所述有源标签手环的标签id、所述船员的生命体征信息和所处环境信息进行船员生命体征和环境信息监测、船员定位和船员考勤；上位机服务器将公告信息发送给所述网关，公告板通过与所述网关进行电力载波通信以获取所述公告信息，并根据所述公告信息进行信息发布。
本发明的有益效果：
本发明通过有源标签手环采集船员的生命体征信息和所处环境信息，通过定位基站接收有源标签手环的标签id、船员的生命体征信息和所处环境信息，并将自身的基站id、有源标签手环的标签id、船员的生命体征信息和所处环境信息通过网关发送给上位机服务器，从而实现对船员的生命体征和环境信息监测、定位和考勤，同时，上位机服务器还可将公告信息通过网关发送给公告板进行信息发布，网关与定位基站、公告板与网关均通过电力线进行通信，解决了船体钢结构对无线信号屏蔽、布置专用信号线麻烦等问题，由此，能够方便有效地对船员进行定位和信息管理。
附图说明
图1为本发明实施例的基于有源标签手环的船员区域定位与管理系统的方框示意图；
图2为本发明一个实施例的有源标签手环的工作流程图；
图3为本发明一个实施例的定位基站的工作流程图；
图4为本发明一个实施例的基于有源标签手环的船员区域定位与管理系统的结构示意图；
图5为发明一个实施例的登船考勤示意图；
图6为发明一个实施例的离船考勤示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明实施例的基于有源标签手环的船员区域定位与管理系统，包括有源标签手环10、定位基站20、网关30、上位机服务器40和公告板50。
其中，有源标签手环10具有标签id，有源标签手环10用于采集船员的生命体征信息和所处环境信息；定位基站20具有基站id，当有源标签手环10与定位基站20之间的距离小于等于预设距离时，定位基站20与有源标签手环10作为节点构成zigbee网络，定位基站20通过zigbee网络接收有源标签手环10的标签id、船员的生命体征信息和所处环境信息；网关30与定位基站20通过电力线相连，网关30通过与定位基站20进行电力载波通信以获取定位基站20的基站id、有源标签手环10的标签id、船员的生命体征信息和所处环境信息；上位机服务器40与网关30相连，上位机服务器40用于接收定位基站20的基站id、有源标签手环10的标签id、船员的生命体征信息和所处环境信息，以根据定位基站20的基站id、有源标签手环10的标签id、船员的生命体征信息和所处环境信息进行船员生命体征和环境信息监测、船员定位和船员考勤；公告板50与网关30通过电力线相连，上位机服务器40还将公告信息发送给网关30，公告板50通过与网关30进行电力载波通信以获取公告信息，并根据公告信息进行信息发布。
有源标签手环10由船员佩戴，在本发明的实施例中，每个需要进行生命体征和环境信息监测、定位和考勤的船员均佩戴有源标签手环。标签id作为有源标签手环的标识，因而可作为船员的标识，每个标签id与每个船员相对应。有源标签手环10可通过内置的温度传感器、心率传感器等采集船员的体温、心率等生命体征信息；有源标签手环10可通过内置的温湿度传感器采集船员所处环境的温度、湿度等环境信息。
在本发明的一个实施例中，有源标签手环10包括供电电池，通过内置的供电电池进行供电。有源标签手环10还包括射频模块，射频模块具体可为at-mr500m，射频模块可包括超低功耗的mg2455芯片、射频收发单元和供电单元。其中，mg2455芯片最小系统是控制核心，主要用于对射频收发单元进行控制，射频收发单元主要负责接收和发送标签信息，供电单元的作用是对供电电池提供的电源进行处理，以为射频模块的整个系统提供5v工作电压。
在本发明的一个实施例中，定位基站20也包括射频模块，其射频模块的结构与上述有源标签手环10的射频模块的结构相同，在此不再赘述。
当有源标签手环10与定位基站20之间的距离小于等于预设距离时，即二者的距离处于射频模块的通信范围之内时，有源标签手环10与定位基站20通过各自的射频模块组建zigbee网络。在zigbee网络组建成功后，有源标签手环10可每隔间隔时间向定位基站20发送标签id、船员的生命体征信息和所处环境信息，并在向定位基站20发送标签id和船员的生命体征信息和所处环境信息后的间隔时间内进入低功耗模式。
具体地，有源标签手环10的工作过程如图4所示，包括以下步骤：
s101，初始化。
s102，发送加入网络信号。
s103，判断加入网络是否成功。如果是，则执行步骤s104；如果否，则返回步骤s102。
s104，配置射频收发单元。
s105，定义标签id。
s106，配置时钟，每3秒中断一次。
s107，发送数据。
s108，进入低功耗模式。
s109，判断是否定时时间到。如果是，则返回步骤s107；如果否，则返回步骤s108。
定位基站20的工作过程如图3所示，包括以下步骤：
s201，初始化。
s202，建立一个新的网络。
s203，进入无线监控状态。
s204，判断是否出现无线信号。如果是，则执行步骤s205；如果否，则返回步骤s203。
s205，有标签加入网络。
s206，给该标签分配一个十六位短地址。
s207，进入接收模式。
也就是说，当有源标签手环10与定位基站20构成点对点无线通信时，定位基站20可给有源rfid标签手环动态分配一个十六位短地址，定位基站20的十六位短地址可固定为0x0000。当定位基站20与有源标签手环10通信时，需使用相互的短地址，然后给有源标签手环10设置一个固定唯一id号，与所佩戴的船员相匹配。之后根据定时器设定，向外发射一次标签id号，之后有源标签手环10进入低功耗模式以降低标签手环功耗，并在3秒之后再次发送标签信息。同时有源标签手环10也可以接收由定位基站20发送的信息。
在本发明的一个实施例中，网关30可采用以stm32f103zet6为核心芯片的单片机，上位机服务器40可包括云平台服务器，公告板50可包括显示屏和喇叭。
在本发明的一个实施例中，定位基站20、网关30和公告板50均包括电力载波模块，定位基站20的电力载波模块与网关30的电力载波模块通过电力线相连，公告板50的电力载波模块与网关30的电力载波模块通过电力线相连，以实现电力载波通信。定位基站20和网关30可直接插接供电电源，如220v交流电源，以实现对定位基站20和网关30的供电。
在本发明的一个实施例中，上位机服务器40与网关30可直接通过串口相连。
网关30的主要功能是通过电力线接收来自定位基站20的信息，将接收到的信息通过自身的串口单元发送至上位机服务器40。同时，网关30接收来上位机服务器40的信息，一方面，信息通过电力线返回给定位基站20，从而最终返回给有源标签手环；另一方面，信息通过电力线发送给公告板50显示或播报，达到信息公布的功能。由此，网关30主要作为定位基站20与上位机服务器40、上位机服务器40与公告板50的“中转站”。
在本发明的一个实施例中，电力载波模块采用kq-130f模块，为单列9针小体积高性能过零载波数据收发模块，是专门为在220v交流上，强干扰，强衰减，远距离要求的环境下，可靠的传送数据而特别设计和开发的性价比很高的载波模块。kq-130f模块集成了kq-330f及外围电路的载波板，无需其他的耦合元件，直接连接220v的交流电使用。kq-130f通信协议规定，kq-130f提供两种工作模式，分别是透明工作模式和自定义工作模式。mode高电平(悬空)时为透明工作模式，低电平(接地)时为自定义工作模式。其中，在透明工作模式时(mode＝1即mode悬空或接5v，建议悬空)，编程时无需对模块初始化，但是，由于电力线上负载比较多，电器所产生的谐波也就无法避免地耦合到电力线上，本模块是高灵敏度的载波模块，在所有载波模块都处于接收状态时，电力线上就会全部被电器所产生的谐波所覆盖，这时，模块将解调出噪声数据从tx端输出，所以发送和接收数据应该引入同步码以区分真正的传送数据。在自定义工作模式时(mode＝0即mode接地)，按照规定的定义传送数据，一帧传送数据定义如下：第一个字节：要传送一帧的字节数0-250(不含第一个字节)，第二个字节到第n+1个字节：用户需传送的字节数据。
在本发明的一个实施例中，上位机服务器40基于c#技术，其软件功能包括数据接收、数据发送和信息验证、查询。上位机服务器40所设计的功能模块主要有：登录模块、船员信息管理模块、数据解析模块、数据处理模块、数据查询模块，功能主要有：系统维护、设备管理、基本信息管理、数据处理、信息发送等。上位机服务器40的系统管理包括设定操作员的登录密码、设定数据库的连接参数、数据库服务名地址等，设备管理包括设置通信参数端口号，设置的操作包括新增、保存、修改、删除及查询。
在本发明的一个实施例中，如图4所示，船舶可包括登船离船区、走廊隧道区、甲板开阔区和船舱房间区等区域。定位基站20为多个，包括设置于登船离船区的至少两个定位基站、直线排布于走廊隧道区的至少两个定位基站、阵列式排布于甲板开阔区的至少两个定位基站以及对应设置于船舱房间区的至少一个房间内的至少一个定位基站。
进一步地，上位机服务器40包括数据库，数据库存储有每个定位基站20的位置信息，当上位机服务器40接收到任一定位基站20发送的基站id、有源标签手环的标签id、船员的生命体征信息和所处环境信息时，可根据接收到的标签id识别佩戴该有源标签手环10的船员，以实现对该船员生命体征和环境信息的监测，并根据接收到的基站id识别该定位基站20，以及从数据库中调取该定位基站20的位置信息，以实现对该船员的定位。其中，通过走廊隧道区直线排布的定位基站，可实现对船员的一维定位，通过甲板开阔区阵列式排布的定位基站，可实现对船员的二维定位，通过每个房间内的定位基站，可实现对船员的船舱房间区域定位。
在本发明的一个实施例中，登船离船区的两端可各设置一个定位基站，当上位机服务器40在预设时间内接收到登船离船区的两端的定位基站发送的基站id、有源标签手环的标签id、船员的生命体征信息和所处环境信息时，可根据接收顺序判断佩戴该有源标签手环的船员处于登船状态或离船状态，以实现对该船员的考勤。举例而言，登船离船区的两端的定位基站分别为a和b，其中，a位于登船始端，b位于登船末端。在船员上船过程中，船员依次经过定位基站a、b，因而船员佩戴的有源标签手环先与定位基站a建立通信连接，后与定位基站b建立通信连接，如图5所示，上位机服务器40先接收到定位基站a发来的数据再接收到定位基站b发来的数据，接收顺序记为ab，确定状态为登船；在船员离船过程中，船员依次经过定位基站b、a，因而船员佩戴的有源标签手环先与定位基站b建立通信连接，后与定位基站a建立通信连接，如图6所示，上位机服务器40先接收到定位基站b发来的数据再接收到定位基站a发来的数据，接收顺序记为ba，确定状态为离船。
根据本发明实施例的基于有源标签手环的船员区域定位与管理系统，通过有源标签手环采集船员的生命体征信息和所处环境信息，通过定位基站接收有源标签手环的标签id、船员的生命体征信息和所处环境信息，并将自身的基站id、有源标签手环的标签id、船员的生命体征信息和所处环境信息通过网关发送给上位机服务器，从而实现对船员的生命体征和环境信息监测、定位和考勤，同时，上位机服务器还可将公告信息通过网关发送给公告板进行信息发布，网关与定位基站、公告板与网关均通过电力线进行通信，解决了船体钢结构对无线信号屏蔽、布置专用信号线麻烦等问题，由此，能够方便有效地对船员进行定位和信息管理。
对应上述实施例，本发明还提出一种基于有源标签手环的船员区域定位与管理方法。
本发明实施例的基于有源标签手环的船员区域定位与管理方法，包括：通过有源标签手环采集船员的生命体征信息和所处环境信息，其中，有源标签手环具有标签id；定位基站接收有源标签手环的标签id、船员的生命体征信息和所处环境信息，其中，定位基站具有基站id；网关通过与定位基站进行电力载波通信以获取定位基站的基站id、有源标签手环的标签id、船员的生命体征信息和所处环境信息；上位机服务器接收定位基站的基站id、有源标签手环的标签id、船员的生命体征信息和所处环境信息，以根据定位基站的基站id、有源标签手环的标签id、船员的生命体征信息和所处环境信息进行船员生命体征和环境信息监测、船员定位和船员考勤；上位机服务器将公告信息发送给网关，公告板通过与网关进行电力载波通信以获取公告信息，并根据公告信息进行信息发布。
更具体的实施方式可参照上述基于有源标签手环的船员区域定位与管理系统的相关实施例，为避免冗余，在此不再赘述。
根据本发明实施例的基于有源标签手环的船员区域定位与管理方法，通过有源标签手环采集船员的生命体征信息和所处环境信息，通过定位基站接收有源标签手环的标签id、船员的生命体征信息和所处环境信息，并将自身的基站id、有源标签手环的标签id、船员的生命体征信息和所处环境信息通过网关发送给上位机服务器，从而实现对船员的生命体征和环境信息监测、定位和考勤，同时，上位机服务器还可将公告信息通过网关发送给公告板进行信息发布，网关与定位基站、公告板与网关均通过电力线进行通信，解决了船体钢结构对无线信号屏蔽、布置专用信号线麻烦等问题，由此，能够方便有效地对船员进行定位和信息管理。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。