专利名称：一种基于无线传感器网络的船上人员健康与安全监测系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及无线传感器网络应用技术领域。
背景技术：
美国商业周刊和麻省理工学院技术评论在预测未来技术发展的报告中，分别将无 线传感器网络列为21世纪最有影响的21项技术和改变世界的10大技术之一。传感器网 络已经与塑料电子学、仿生人体器官被称为全球未来的三大高科技产业。在科学技术飞速 发展的今天，无线传感器网络技术的应用也必将会得到越来越广泛的应用。航海，因为其工作环境的复杂性，以及财产的高度集中性，如何确保航行安全成为 航海事业能否可持续发展的制约问题，而高效实时地对船舶以及船员安全态势的监控以及 信息反馈则是这一问题得到解决的前提条件。随着微机电系统(Micro-Electro-Mechanism System, MEMS)、片上系统(S0C， System on Chip)、无线通信和低功耗嵌入式技术的飞速发展，孕育出的无线传感器网络 (Wireless Sensor Networks, WSN)以其低功耗、低成本、分布式和自组织的特点带来了信 息感知的一场变革。同时也为航海的安全监控提供一个高效的平台。无线传感器网络所具有的众多类型的传感器，可探测包括、温度、湿度、噪声、光强 度、压力、移动物体的大小、速度和方向等周边环境中多种多样的现象。基于MEMS的微传感 技术和无线联网技术为无线传感器网络赋予了广阔的应用前景。在军事、航空、反恐、防爆、 救灾、环境、医疗、保健、家居、工业、商业等领域都已经有所应用。由此，本发明提出设想并作出相关研究成果将其应用于海事领域。目前在比较成熟、应用比较广泛的无线传感器网络协议是Zigbee (紫蜂)无线传 感器网络协议。Zigbee—词来源于蜜蜂在发现花粉位置时，通过跳”ZigZig “形舞蹈来告 知同伴，达到了信息交换的目的。可以说这是一种小动物之间通过简捷的方式实现“无线” 的沟通，人们借此称呼一种专注于低功耗、低成本、低复杂度、低速率的近距离无线网络通 信技术。完整的Zigbee协议栈自下而上分别为物理层、数据链路层(MAC层；逻辑链路控 制层)、网络层、应用汇聚层、应用层。(图DZigbee的物理层和MAC层采用IEEE802. 15.4 协议。IEEE802. 15. 4协议是一种经济、高效、低数据速率的短距离无线技术，它是针对低 速无线个人域网络(low-rate wireless PersonalArea Network, LR-ffPAN)制定的标准。 物理层采用直接序列扩频(DirecUequence Spread Spectrum, DSSS)技术，并定义了三 个工作频段2. 4GHz频段对应16个信道，传输速率为2501ibpS ；915MHz频段对应10个信 道，传输速率为401cbpS ；868MHz频段对应1个信道，传输速率为201cbpS。在数据链路层中， LLC子层采用IEEE802. 2标准中定义LLC协议，Zigbee的MAC层要通过特定服务汇聚子层 (Service-Specific Convergence Sublayer, SSCS)和 LLC 层会话，也就是说在 MAC 层和 LLC层之间还存在SSCS子层，它为MAC接入LLC提供聚合服务，LLC可以使用SSCS的服务 接口访问802. 15.4网络，为上层提供链路层服务。网络层的功能包括拓扑管理、MAC管理、路由管理和安全管理。应用汇聚层负责把不同的应用映射到Zigbee网络层上，包括安全与 鉴权、多个业务数据流的汇聚、设备发现和业务发现。应用层定义了各种类型的应用业务， 是协议栈的最上层。Zigbee定义了三种节点类型协调器、路由器和终端设备。协调器可以通过选择 网络工作信道和个域网(PAN)识别标识来启动一个Zigbee网络。一旦网络启动，路由器和 终端设备就能加入网络。协调器和路由器都能通过网络发射和无线传感器网络定位算法的 研究路由数据，并且允许其他的路由器和终端设备加入。终端设备不能参与路由数据，因此 在不发射和接收数据时可以休眠。当设备加入Zigbee PAN时，设备间的父子关系即形成， 加入的设备为子设备，允许其加入的设备为父设备，Zigbee的网络拓扑如图2所示。Zigbee具有多种技术特点，是本发明选择其的基本理由。第一，低功耗=Zigbee网 络设备工作周期较短、收发信息功率低，并且采用了休眠模式，所以Zigbee技术特别省电， 在低耗电待机模式下，2节5号电池可以支持一个节点工作6至M个月，甚至更长，这是 Zigbee的突出优势；第二，低成本通过大幅简化协议(不到蓝牙的1/10)，降低了对通信 控制器的要求，按预测分析，网络节点硬件上只需8位微处理器(例80c51)，最小41cbyte、 最大321cbyte的ROM，软件实现也比较简单，而且Zigbee免协议专利费；第三，近距离 Zigbee的传输范围一般介于IO-IOOm之间，在增加RF发射功率后，亦可增加到l_3km。这 指的是相邻节点间的距离，如果通过路由和节点间通信的接力，传输距离将可以更远，完全 满足船舶上距离的使用；第四，短时延=Zigbee的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态 只需15ms，节点连接进入网络只需30ms，进一步节省了电能。第五，大容量一个Zigbee主 设备最多可以管理邪4个从设备，同时主设备还可由上一层网络节点管理，最多可以组成 65000个节点的大网；第六，高安全=Zigbee提供了三级安全模式，包括无安全设定、使用接 入控制清单(ALC)防止非法获取数据以及采用高级加密标(AES-128)的对称编码，以灵活 确定其安全属性。总线通信采用RS-485双向、半双工通信协议，允许多个驱动器和接收器挂接在总 线上，其中每个驱动器都能够脱离总线。
发明内容
本发明的目的将无线传感器网络应用于船舶上的人员安全与健康监测，主要是对 人体自身安全态势与健康状况进行实时的监测与报警，实现对船员安全的实时保护，本发 明也即为构建一种基于无线传感器网络的船上人员安全监测系统。由驾驶台控制中心、无线传感器固定基站、移动式便携传感器、值班驾驶员监测传 感器、数据传输系统构成混合式结构网络；将甲板通过区域划分为若干微型网络区；各微 型网络区域由固定的传感器节点及中心节点组成，将各节点按位置特点编号，用以确定源 节点的位置；船上人员自身携带便携式的用以监测体征及行为的传感器；各网络中心节点 之间及网络内各节点之间按最优路径传输，并在驾驶台设置网关连接传感器网络与远程通 信终端，以实现远程监控，用以转换两者之间的协议。本发明所构建的系统的结构图如下系统信息传输结构图(图3)、固定节点的结 构示意图(图4)、中心节点模块图(图5)、移动式便携传感器节点结构图(图6)。本发明所构建的系统中，驾驶台控制中心是整个应用的灵魂，驾驶台控制中心可观察人员在船舶上的所处位置及其安全和健康状态；出现紧急问题，即提醒报警；同时也 可以实现自我监测和提醒。无线传感器固定基站构成无线传感器网络的网络主体构架，并 提供了人员相对于船舶的位置；船上人员携带的移动式便携传感器随时可以监测人员的生 命体征以及运动状态；比如血压过高或发生跌倒。传感器检测物理信号并通过传感器转换成数字信号，存储于存储器中，首先通过 周围固定节点进行距离定位的功能。然后将报警信息及位置信息发送周围节点。之后经过 中心节点的多跳传送将信息传输至汇聚节点(网关)连接到中央处理器，将信息存储并处 理，达到报警值后即进行报警。移动式传感器节点上也设置手动报警开关，可实施报警或取 消报警。在驾驶台的检测传感器当监测到值班驾驶员处于非常松懈或过于紧张的状态亦或 有喝酒时也即对值班员发出警告促其清醒，或同时将警报发给船长以便其采取相应措施。有益效果本发明提供一种无线传感器网络在海事领域的应用，主要是对船上人员的健康与 安全情况进行实时监测和报警，实现对船员的健康和安全实时监护，另外本发明还结合人 体生理学，结合传感器网络实时监控船员的心理状态，即紧张与放松状态，减少因人员值班 疏忽或者疲劳造成的危险。这对于常在大海中漂泊的船舶来说其意义尤为重大，因为船舶 通常远离陆地，这也就以为着其远离了岸上的医疗机构，而且船舶上往往危险性较大，使得 船上人员的健康与安全更值得实时关注，以尽早发现并解决问题。本发明也即为构建一种 基于无线传感器网络的船上人员安全与健康实时监测系统。
下面结合附图与实施案例进一步说明本发明。图1本发明所使用的网络协议ZigBee的协议栈；图2Zigbee的网络拓扑结构图；图3系统信息传输结构图；图4固定节点的结构示意图；图5中心节点模块图；图6移动式便携传感器节点结构图；图7主控制面板示意图；图8三球定位示意图；图9无线传感器固定基站布置图。图中标号1、人员位置动态显示区2、反馈信息显示区3、面板4、人员位置5、报警扬声器6、警示灯7、话筒8、通话按钮9、驾驶台控制中心10、中央传感器11、移动式传感器12、次级传感器13、层状拓扑14、网状拓扑15、混合拓扑16、标志说明
具体实施例方式本发明实例所提供的驾驶台控制中心由信息处理系统和主控制面板组成。主控制 面板由显示屏幕、报警装置、VHF(甚高频)通信装置等构成。(如图7)
主控制面板由人员位置动态显示区、反馈信息显示区其中，H 人员高度；P 人体 脉搏跳动次数；BP 人体血压-收缩压/舒张压；A 加速度、VHF通信与报警装置区的等构 成。显示区显示人员相对船舶的位置，原理为无线传感器基站定位；数值显示区，主要显示 由移动式传感器经无线传感器网络传输来的信息；VHF通信与报警装置区，主要有以下几 部分报警扬声器5 当经控制台计算，人员发生危险时便发出刺耳的报警声，引起全船注 意，及时对发生危险的船员进行及时的施救；警示灯6 伴随警报发出红色的灯光；VHF通信 装置由话筒7和通话按钮8构成，当需通话发出指令时，按下键即可，其余时间置于船舶常 用频道。本发明实施例所采用的信息处理系统基于ZigBee07-PR0/RF4CE开发系统，主要 用于判断传输回的数据是否超出对人员及船舶可能造成危险的范围，并输出报警信号。本发明实施例所构建的系统提供的无线传感器固定基站采用混合式编组的方式， 所有固定传感器均布置在距甲板30 50cm的同一高度的水平面上。在船舶首尾线甲板上 每隔30 50m均勻布置一个中央传感器，在其周围均勻分布4 6个次级传感器。中央传 感器用于数据的存储以及向驾驶台控制中心传输数据，次级传感器用于将来自移动式传感 器的数据传输至与之对应的中央传感器。任取三个传感器可定位出船员相对船舶平面的位 置以及船员此时高度，并将由网络系统自动完成。本发明实施例所构建的系统所采用的定位的坐标信息是相对船舶的坐标信息，即 采用船舶坐标系，但也可以采用其他通过GPS等获取的实时地理位置。在本实施例中，优先 使用基于视听测量定位的三球定位方法。构建三维坐标系统，首先在驾驶台设置传感器网 络的坐标原点，然后以船舶纵向为X轴坐标系，从驾驶室沿纵向往船头方向为X正向，反之 为负；以船舶横向为Y轴坐标系，左舷为正方向，右舷为负方向，驾驶舱垂向为Z轴坐标系， 往上为正方向，往下为负方向。则本船方位可由下述方法求得三个传感器节点在测量坐标系中的位置坐标分别几位记为(X1, Y1, Z1), (X2, Y2, Z2), (X3，Y3, 4)，信源到达三个传感节点的时间差分别记为At1, At2，At3，利用三球定位
的公式即可得
权利要求
1.一种基于无线传感器网络的船上人员健康与安全监测系统，其特征在于由驾驶台 控制中心、无线传感器固定基站、移动式便携传感器、值班驾驶员监测传感器、数据传输系 统构成混合式结构网络；将甲板通过区域划分为若干微型网络区；各微型网络区域由固定 的传感器节点及中心节点组成，将各节点按位置特点编号，用以确定源节点的位置；各网络 中心节点之间及网络内各节点之间按最优路径传输，并在驾驶台设置网关连接传感器网络 与远程通信终端，以实现远程监控，用以转换两者之间的协议。
2.根据权利要求1所述的监测系统，其特征在于所述的驾驶台控制中心可观察人员 在船舶上的所处位置及其安全状态；无线传感器固定基站构成无线传感器网络的网络主体 构架，并提供了人员相对于船舶的位置；移动式便携传感器可以监测人员的生命体征以及 运动状态；传感器检测物理信号并通过传感器转换成数字信号，存储于存储器中，通过周围 固定节点进行距离定位的功能，将报警信息及位置信息发送周围节点；之后经过中心节点 的多跳传送将信息传输至汇聚节点连接到中央处理器，将信息存储并处理，达到报警值后 即进行报警。
3.根据权利要求1所述的监测系统，其特征在于所述的无线传感器固定基站采用混 合式编组的方式，所有固定传感器均布置在距甲板30 50cm的同一高度的水平面上；在船 舶首尾线甲板上每隔30 50m均勻布置一个中央传感器，在其周围均勻分布4 6个次级 传感器；中央传感器用于数据的存储以及向驾驶台控制中心传输数据，次级传感器用于将 来自移动式传感器的数据传输至与之对应的中央传感器；任取三个固定传感器可定位出船 员在船舶上的的位置，并将由网络系统自动完成。
4.根据权利要求3所述的监测系统，其特征在于所述的的定位的坐标信息即采用船 舶坐标系，也可以采用其他通过GPS等获取的实时地理位置，优先使用基于视听测量定位 的三球定位方法。
5.根据权利要求1所述的监测系统，其特征在于所述的移动式便携传感器是由显示 屏和多个功用传感器组成的集成传感器面板，可置于人体腕部或腰部等位置。
6.根据权利要求1所述的监测系统，其特征在于所述的数据传输系统由RS-485通信 方式、ZigBee无线通信的方式组成，中心节点与监测计算机之间采用RS-485通信方式；中 心节点与传感器节点之间采用ZigBee无线通信的方式，一个中心节点可以与多个传感器 节点进行通信。
7.根据权利要求1所述的监测系统，其特征在于所述的值班驾驶员监测传感器安装 于驾驶台或其他包括驾驶员自身身体某部位适宜处。
全文摘要
本发明为一种基于无线传感器网络的船上人员健康与安全监测系统，由驾驶台控制中心、无线传感器固定基站、移动式便携传感器、值班驾驶员监测传感器、数据传输系统构成混合式结构网络，将甲板通过区域划分为若干微型网络区；各微型网络由固定传感器节点及中心节点组成，将各节点按位置特点编号，用以确定源节点的位置。各网络中心节点之间及网络内各节点之间按最优路径传输，并在驾驶台设网关连接传感器网络与与远程通信终端，以实现远程监控，转换两者之间的协议。本发明对人体自身健康与安全态势的实时监控，结合人体生理学、传感器网络实时监控船员的心理状态。将无线传感器网络应用于航海技术及其安全领域，为无线传感器网络的应用拓宽领域。
文档编号H04L29/08GK102088471SQ20101012552
公开日2011年6月8日 申请日期2010年3月16日 优先权日2010年3月16日
发明者吴华锋, 周长青, 张超, 毛奇凰, 涂海飞, 韩雪峰 申请人:上海海事大学