基于ZigBee的船舶制造过程安全监控终端的研究
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中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 ......................................................... 1
§1.1 课题研究背景 .................................................. 1
§1.2 国内外发展水平 ................................................ 2
§1.3 发展趋势 ...................................................... 4
§1.4 本课题研究的意义 .............................................. 5
§1.5 本课题研究内容 ................................................ 5
第二章 监控终端硬件开发 .............................................. 7
§2.1 ZigBee 技术协议 ............................................... 8
§2.1.1 IEEE 802.15.4 物理层 ....................................... 10
§2.1.2 IEEE 802.15.4 MAC 层 ...................................... 11
§2.1.3 ZigBee 协议网络层 ......................................... 13
§2.1.4 ZigBee 协议应用层 ......................................... 15
§2.2 硬件选型 ..................................................... 17
§2.2.1 MCU 选型 ................................................ 17
§2.2.2 传感器的选择 ............................................. 18
§2.3 通信模块 ..................................................... 20
§2.4 传感器模块 ................................................... 22
§2.5 控制器设计 ................................................... 24
§2.5.1 参考节点电路设计 ......................................... 24
§2.5.2 移动节点电路设计 ......................................... 27
§2.6 本章小结 ..................................................... 29
第三章 定位算法的研究 ............................................... 30
§3.1 基于场景指纹的定位算法 ....................................... 30
§3.1.1 基于概率指纹的定位算法 ................................... 31
§3.1.2 基于信号距离的最近邻居定位算法 ........................... 32
§3.2 基于链路质量(LQI)指纹的辅助定位算法 ......................... 33
§3.3 基于无线信号传播损耗模型的定位算法 ........................... 34
§3.3.1 信号衰落经验模型 ......................................... 34
§3.3.2 多边侧量法的定位原理 ..................................... 36
§3.4 空间定位原理 ................................................. 39
§3.5 本章小结 ..................................................... 39
第四章 监控终端软件开发 ............................................. 40
§4.1 协议栈接口实现 ............................................... 41
§4.1.1 物理层接口实现 ........................................... 41
§4.1.2 介质访问控制层接口实现 ................................... 44
§4.1.3 NWK 层接口实现 .......................................... 46
§4.1.4 应用层接口实现 ........................................... 48
§4.1.5 管理支持模块的接口实现 ................................... 51
§4.2 软件低功耗设计 ............................................... 53
§4.2.1 通信模块的低功耗设计 ..................................... 54
§4.2.2 微处理器的低功耗设计 ..................................... 55
§4.3 温度采集处理 ................................................. 56
§4.4 无线定位开发 ................................................. 59
§4.5 本章小结 ..................................................... 62
第五章 监控终端的实现 ............................................... 63
§5.1 温度采集调试结果 ............................................. 63
§5.2 定位开发调试结果 ............................................. 66
§5.3 本章小结 ..................................................... 72
第六章 总结与展望 ................................................... 73
参 考 文 献 ......................................................... 75
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ...................... 78
致 谢 .............................................................. 79
第一章 绪论
1
第一章 绪 论
§1.1 课题研究背景
船舶行业是国民经济的大动脉，在整个国民经济支柱产业中，占据了重要的位
置，对我国经济的发展起了重要的推动作用。要加快船舶行业的发展关键是轮船制
造业的发展。近年来，我国的造船业取得了飞跃性的发展，据船舶工业统计快报报
道[1]，2007 年，中国造船完工量 1893 万载重吨，比上年增长了 30%；新承接船舶
订单 9845 万载重吨，比上年增长了 132%，轮船制造业的发展状况关系到我国经济
发展的大趋势。轮船制造业在整个经济发展中所处的重要的地位，决定了加快轮船
制造业发展的迫切性。
在轮船行业中，这些设备在体积和重量上都非常巨大，基本上都是万吨以上的
巨轮。这么大的重设备对于其制造而言难度非常大。从材料耐腐蚀、机械结构设计
制造加工、船内电控网络等各个方面来说都是一项巨大的工程。因此，在制造过程
中会出现各种各样难以预料的问题。
在目前的轮船制造业中，为了加大载重量，扩大内部容积，轮船内部都做成中
空的。大型轮船船体是由很多金属隔间构成的。在机械制造过程中，轮船内的空气
环境极其恶劣，其内通风不良，已有的除尘、排毒设施效果不佳，空气环境中弥漫
着灰尘、铁屑等颗粒[1]，在电焊切割中，由于通风不良造成轮船内工作环境温度高、
与外界的温差大。由于轮船巨大，工作人员一般都是全天候的工作在轮船上，减少
了与外界换气调节的机会。在船内电控设备的安装布置中，由于轮船是由金属构成
的，因此可能存在漏电，对工作人员造成严重的生命危险。因此对于航行在大海中
的大型轮船必须由耐腐蚀的特殊材料构成，在加工过程中，很容易由于特殊材料造
成人体的化学中毒，并且在外观设计中的油漆也可能会对人体造成油漆中毒。对于
以上各种工种，都是工作在恶劣的工作环境下，如此的工作环境极易对操作人员造
成伤害，给操作人员的安全带来极大的隐患，引起电焊工肺病、锰及其化合物中毒、
氮氧化合物中毒、一氧化碳中毒、电光性皮炎、电光性眼炎、噪声聋、金属眼炎和
油漆中毒等各种疾病，严重威胁工作人员的人身安全。据了解每造一艘万吨巨轮要
付出 2～3人死亡的惨痛代价[1]，这严重违背了构建和谐社会和安全制造的发展要
求。
如此多的安全隐患，严重阻碍了轮船制造业的发展，同时由轮船制造业在国民
经济发展中的地位决定了必须加快轮船制造业的发展。同时，由于目前科学技术的
发展，还没有出现完全无人操作的制造化过程，在有些情况下，必须由工作人员来
基于 ZigBee 的船舶制造过程安全监控终端的研究
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操作实现。因此，从制造业的发展来说，目前的工作环境还是会存在，只是尽量改
善工作环境，但在某些工作场所还是存在很大的危险系数。在此情况下，通过监控
的方式实时跟踪定位大型轮船内的工作人员，研究一套最新的安全监控终端来解决
这个技术难题：定性、定量的监控工作人员的生理指标，及时、精确的获取事故发
生的地点和时间，采取有效的抢救措施，将事故的损失降到最低，及时对受伤害的
操作人员采取施救措施，保护他们的生命安全。
§1.2 国内外发展水平
近年来，随着造船技术的发展，自动化水平的提高，在轮船制造过程中，实时
监控也日益显示出重要性，准确定位轮船内的工作人员，并为了保证他们的生命安
全，提前检测他们身体状况。但在目前的工作环境应用中，现有的监控措施一般都
是通过人与人之间的对话联系、由专门人员定时查岗来跟踪工作人员或通过有线网
络进行信号传输等方式[2,3]，这些方式从一方面能够保护工作人员，实现生命监控，
但从效率上、偶然性上等方面，存在很大的隐患，即使在有些场合下已有船舶自动
检测系统也主要是分布式控制、集散式控制等，这些控制方式都存在系统结构复杂、
控制繁琐等缺点。
通过人与人之间的对话联系或由专门人员定时查岗的方式是一种比较原始的
方式。人与人之间的对话可能是最比较安全地一种方式，但在工作中实时进行通话
是不现实的，同时，这种方式也降低了操作人员的工作效率；通过查岗的方式，也
是比较可靠的一种方式，但可能由于查岗人员稍有疏忽就造成了危险，最安全的方
式也是最落后的方式。这两种方式对于监控工作人员的生命安全存在较大的偶然
性，对轮船内的操作人员的生命安全带来极大风险，无法对事故的发生进行及时准
确的定位，也不能实时监控操作人员的生命状态，并不能将危险系数降到最低，并
且造成了人力及物力的极大浪费。
目前绝大多数环境中都是通过采用有线网络进行传输信号的方式来进行检
查，这已跟不上发展的要求，并且采用光缆、电力线缆或信号线缆等传统的有线
布线方式都存在着明显的缺陷[4]：
(1)布线繁琐，安装维护成本大
检测系统所需的大量光缆、电缆价格不菲，此外在复杂的大型轮船环境中布
设线缆同样需要消耗大量的人力物力，同时布设的线缆并不是一次性的，每制造
一艘轮船就要进行一次布设线缆，从安装和维护来说都不是最合理的。
(2)覆盖范围有限
由于大型轮船环境复杂多变，存在着大量难以布线的区域，有线监控网络很
第一章 绪论
3
难遍布到轮船的各个地方，无法实现对整个轮船的全方位检测，为安全生产留下
了隐患。
(3)线路依赖性强
有线网络的自我修复性能较差，局部线路遭到破坏很可能造成整个监控系统
的瘫痪。特别是在进行电焊切割等作业时，船内的线缆都极其容易造成破坏，存
在着很大的安全隐患，不能为搜救工作及事态检测提供信息。
在现代化的轮船安全监控系统中，最重要的是对操作人员的监控，通过监控
系统实现保护工作人员的生命状态，消除了操作人员的心理障碍，提高生产效率
和安全性，这些都是有线系统难以实现的。
随着通信技术的快速发展，人们越来越关注无线通信技术在船舶制造中的应
用。使用无线通信技术，建立以无线传感器网络为基础的轮船监控系统已经成为
轮船安全生产和现代化管理的迫切需求。但由于轮船特殊的钢结构设计，给信号
的检测带来困难，轮船内会产生信号盲区或者信号很微弱，不能够发送信号。而
GPS 系统实现条件是要在户外或没有障碍物遮挡的地方，由此，在轮船内应用 GPS
实现工作人员的定位变成了困难，不能够检测到操作人员的各种信号，得不到保
护操作人员健康的理想结果。
在目前的国外市场中，已经有更多的公司及研究人员投入到安全监控系统的
研究中，同时提出了利用最新的 ZigBee 技术进行开发的监控终端来进行工作人员
的实时监控。这种监控终端最核心的技术就是协议栈的开发，对应于不同的产品
性能要求，在协议栈的应用层中进行不同的开发。
ZigBee 是一种短距离、架构简单、低消耗功率与低传输速率之无线通讯技术。
2000 年12 月IEEE 成立了 802.15.4 小组，负责制订媒体存取控制层(MAC)与物理
层(PHY)规范；ZigBee 联盟是在 2002 年10 月由 Honeywell、Mitsubishi、Motorola、
Philips 与Invensys 共同成立，负责制订网络层、安全管理、应用界面规范，其次
亦肩负互通测试。在标准规范制定方面，主要是 IEEE.802.15.4 小组与 ZigBee
Alliance 两个组织，两者分别制定硬体与软体标准。在 2003 年5月通过 802.15.4
标准，
802.15.4 任务小组又在着手制订 802.15.4b 标准，此标准主要是加强 802.15.4
标准，包括有解决标准疑义之处、降低复杂度、提高弹性并思考新的频段分配等。
在2004 年第四季 ZigBee 联盟推出了第 1.0 版规范(Version 1.0)[5,6]。此技术是一种
新兴的技术，国内外都处于刚刚起步阶段，具有极大的发展潜力。
此技术兴起时间比较短，在以 8051 为核心，以 ZigBee 为导向的技术尚未正
式应用于轮船制造监控终端中。以无线通信技术为基础的安全监控终端必将提高
监控轮船制造过程中工作人员的安全性。
基于 ZigBee 的船舶制造过程安全监控终端的研究
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§1.3 发展趋势
传统的监控系统由于存在着严重的弊端，在对操作人员的监控中带来极大的
隐患，提高监控系统的安全性成为了轮船制造业的迫切需要。因此，基于ZigBee
技术的监控终端在轮船制造业中必将得到极大的应用。
ZigBee技术特点主要有以下几点：功耗低，在低耗电待机模式下，两节普通5
号干电池可使用6个月到两年，免去了充电或频繁更换电池带来的麻烦；数据传输
速率低，协议简单，所以大大降低了成本，且免收专利费；每个ZigBee网络最多
可支持255个设备；通常时延都在15～30ms之间；提供了数据完整性检查和鉴权功
能，采用AES－128算法，保证了安全性能；工作频段灵活，使用频段为2.4GHz、
868MHz(欧洲)、916MHz(美国)，均为免执照频段[7-9]。
因而，ZigBee是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成
本的无线网络技术，一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术方案，主要用于近
距离无线连接，是一组基于IEEE批准通过的802.15.4无线标准开发的有关组网、安
全和应用软件方面的技术标准[8-10]。这种新兴的技术克服了以往无线通信技术的弊
端，从成本上、功耗上和组网上都比以前的通信技术有了极大的提高。并且ZigBee
联盟还开发了安全层，以保证这种便携设备不会意外泄露其标识，而且这种利用
网络的远距离传输不会被其他节点获得，这在其他的无线通信技术中是不能比拟
的。正是由于这种技术相对于其他无线通信技术的优势，应用这种技术的监控终
端最终逐渐会成为市场的潮流。
这种短距离无线通信 ZigBee 技术弥补了低成本、低功耗和低速率无线通信市
场的空缺，其成功的关键在于丰富而便捷的应用，而不是技术本身，因此，把此
技术应用到轮船监控系统中是最好的一个应用体现。随着正式版本协议的公布，
更多的注意力和研发力量将转到应用的设计和实现、互联互通测试和市场推广等
方面[11]，假如把更高的版本应用到监控系统中，更加提高了监控系统的精度。
ZigBee 联盟建立一种可以连接每个电子设备的无线网，并且 ZigBee 将很快成为全
球高端的无线技术，在实际应用环境中，低速率和低成本的无线通信在自动控制、
无线传感器网络、家居自动化等诸多领域更贴近生活，其中一个重要的应用领域
是工业控制与检测，具有广阔的市场。
由于 ZigBee 技术存在以上的优点，以 ZigBee 技术为前提的监控终端，相对于
人与人之间通话这种方式提高了工作效率，避免了由专门人员定时查岗产生的偶
然性，同时，消除了有线网络带来的弊端。虽然在国内外都还处于开发阶段，而
且在我国基本上还处于一片空白[9-14]，但以此技术为基础的监控终端必将代替传统
摘要：
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目录中文摘要ABSTRACT第一章绪论.........................................................1§1.1课题研究背景..................................................1§1.2国内外发展水平................................................2§1.3发展趋势......................................................4§1.4本课题研究的意义..............................
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作者：陈辉
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时间：2024-11-19
