CN103268691B - 一种远洋船舶安全监测预警系统及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种远洋船舶安全监测预警系统及其工作方法；所述系统包括用于探测一定范围内是否有人的红外探测器；内部人员持有、用于唯一识别内部人员的射频标签；连接射频标签和MPU，用于根据MPU的控制信息发送唤醒信号给射频标签以及获取射频标签编码信息的射频识别天线；嵌入式控制器；所述嵌入式控制器有多个，分别放置于船舶的不同位置，每一嵌入式控制器均包括FPGA和MPU；连接FPGA的通讯节点；连接网关的计算机；本发明通过将红外探测技术与射频识别技术相结合，可以准确区分内部人员和陌生人，可以弥补雷达监测预警系统存在的盲区问题，同时避免了夜间人工站岗的安全隐患。

Description

一种远洋船舶安全监测预警系统及其工作方法

技术领域

本发明涉及一种远洋船舶安全监测预警系统及其工作方法。

背景技术

目前，在没有护航的情况下，一旦发生海盗劫持事件，远洋船舶驾驶人员通常采用的处理方法是来回转舵，按照S形轨迹行船，这样可以使转向卷起的海浪推开海盗的小艇，一旦海盗小艇靠上船只，除对外发出警报外，所有船员会躲进一个事先专门指定的安全舱内，保证船员生命安全不受其威胁并等待救援。尤其在夜间，随着海盗的装备和技术升级，海盗夜间作案事件已经出现并逐渐增多，尽早发现海盗靠近并自动报警、保证船员有足够的时间转移到安全舱尤为重要。此外，我国绝大多数远洋船舶的夜间安全监测均依赖最传统的人工巡查方式，这样难免会因人员疲劳疏忽带来安全隐患，且船上人员值班主要依靠船用雷达系统监测海上物体，但雷达受海浪杂波的影响对海盗使用的小型船只监测不灵敏，并且在靠近船舶的一定范围内存在不可消除的盲区，盲区的具体范围与雷达的性能以及天线的架设有关，所以，目前船舶使用的雷达监测系统很难探测到雷达扫描区域内出现的快速行驶的海盗小艇；且在雷达的盲区范围内，雷达监测系统起不到作用，只能依靠人工巡查，目前还没有一套行之有效的系统可以弥补此漏洞。

发明内容

本发明针对以上问题的提出，而研制一种可以弥补当前船用雷达系统缺陷，避免人工巡查方式安全隐患的远洋船舶安全监测预警系统及其工作方法。

本发明的技术手段如下：

一种远洋船舶安全监测预警系统，包括：

用于探测一定范围内是否有人并将探测结果输出给FPGA的红外探测器；

内部人员持有、用于唯一识别内部人员的射频标签；每一所述射频标签具有唯一的编码信息，用于区分不同的内部人员；

连接射频标签和MPU，用于根据MPU的控制信息发送唤醒信号给射频标签以及获取射频标签编码信息的射频识别天线；

嵌入式控制器；所述嵌入式控制器有多个，分别放置于船舶的不同位置，每一嵌入式控制器均包括FPGA和MPU；所述FPGA连接红外探测器，用于接收红外探测器传送过来的探测结果并输出给MPU，接收MPU传送过来的射频标签编码信息和报警信息输出至通信节点；所述MPU连接射频识别天线，用于根据FPGA传输过来的红外探测器探测一定范围内有人的探测结果来控制射频识别天线发送唤醒信号，并判断射频识别天线是否获取到射频标签编码信息，根据获取到射频标签编码信息的判断结果将射频标签编码信息经由FPGA输出给通讯节点，根据未获取到射频标签编码信息的判断结果发送报警信号经由FPGA输出给通讯节点；多个所述嵌入式控制器分别放置在船舶的不同位置；

连接FPGA的通讯节点；所述通讯节点有多个，其位置和数量与嵌入式控制器的位置和数量相同，每一通讯节点具有唯一ID，当所述通讯节点接收到FPGA传输过来的射频标签编码信息或报警信号时，该通讯节点将射频标签编码信息或报警信号同自身ID通过网关发送给计算机；

连接网关的计算机；所述计算机存储每一通讯节点ID与位置信息的映射关系，当接收到网关发送过来的通讯节点ID以及射频标签编码信息或报警信号后，该计算机根据所述映射关系和接收到的通讯节点ID获取该通讯节点的位置；所述计算机在获取通讯节点的位置之后，通过3D界面对船舶3D模型中对应通讯节点的位置进行显示，并根据射频标签编码信息显示内部人员，根据报警信号显示陌生人；

作为优选，所述红外探测器有多个，分别与FPGA的IO口相连接；

作为优选，所述FPGA与MPU采用FIFO队列方式进行通讯；

作为优选，多个所述通讯节点与网关构成基于ZigBee协议的无线网络；

作为优选，所述通讯节点与计算机通过以太网通信；

作为优选，所述MPU在发送射频标签编码信息和报警信号之前对其进行Hamming编码，所述计算机在接收到射频标签编码信息和报警信号之后对其进行Hamming解码；

作为优选，所述计算机安装有具备导入船舶3D模型和形成能够显示所导入的船舶3D模型的3D界面的LabVIEW软件。

一种远洋船舶安全监测预警系统的工作方法，包括如下步骤：

S1：红外探测器探测一定范围内是否有人，并将探测结果输出给FPGA，是则执行S2，否则返回S1；

S2：FPGA接收红外探测器传送过来的探测结果并输出给MPU，执行S3；

S3：MPU控制射频识别天线发送唤醒信号，执行S4；

S4：射频识别天线获取射频标签编码信息并传输给MPU，执行S5；

S5：MPU判断射频识别天线是否获取到射频标签编码信息，是则执行S6，否则执行S10；

S6：MPU发送射频标签的编码信息经由FPGA输出至通讯节点，执行S7；

S7：通讯节点将接收到的射频标签编码信息和自身ID通过网关发送给计算机，执行S8；

S8：计算机根据每一通讯节点ID与位置信息的映射关系和接收到的通讯节点ID获取该通讯节点的位置，执行S9；

S9：计算机通过3D界面对船舶3D模型中对应通讯节点的位置进行显示，并根据接收到的射频标签编码信息显示内部人员，结束；

S10：MPU发送报警信号经由FPGA输出至通讯节点，执行S11；

S11：通讯节点将接收到的报警信号和自身ID通过网关发送给计算机，执行S12；

S12：计算机根据每一通讯节点ID与位置信息的映射关系和接收到的通讯节点ID获取该通讯节点的位置，执行S13；

S13：计算机通过3D界面对船舶3D模型中对应通讯节点的位置进行显示，并根据接收到的报警信号显示陌生人，结束；

进一步地，在步骤S1之前还包括如下步骤：

计算机存储每一通讯节点ID与位置信息的映射关系后，通过网关自动搜索已启动的多个通讯节点并建立连接。

由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种远洋船舶安全监测预警系统及其工作方法，通过将红外探测技术与射频识别技术相结合，可以准确区分内部人员和陌生人，方便实用，自动化程度高，能够对在雷达盲区内出现的可疑人员的进行监测预警，可以弥补雷达监测预警系统存在的盲区问题，同时避免了夜间人工站岗的安全隐患，大大减少了船员的工作量，通过3D界面对船舶3D模型中对应通讯节点的位置进行清晰直观的显示，每一通讯节点的位置与嵌入式控制器一一对应，进而能够明确当前内部人员或陌生人的位置，为船员全部转移到安全舱争取宝贵时间，并且填补了雷达盲区内船舶对海盗监测预警的空白，提高了船舶安全监测预警系统的完整性和智能化水平。

附图说明

图1是本发明所述系统的结构框图；

图2是本发明所述方法的流程图。

具体实施方式

如图1所示的一种远洋船舶安全监测预警系统，包括：用于探测一定范围内是否有人并将探测结果输出给FPGA的红外探测器；内部人员持有、用于唯一识别内部人员的射频标签；每一所述射频标签具有唯一的编码信息，用于区分不同的内部人员；连接射频标签和MPU，用于根据MPU的控制信息发送唤醒信号给射频标签以及获取射频标签编码信息的射频识别天线；嵌入式控制器；所述嵌入式控制器有多个，分别放置于船舶的不同位置，每一嵌入式控制器均包括FPGA和MPU；所述FPGA连接红外探测器，用于接收红外探测器传送过来的探测结果并输出给MPU，接收MPU传送过来的射频标签编码信息和报警信息输出至通信节点；所述MPU连接射频识别天线，用于根据FPGA传输过来的红外探测器探测一定范围内有人的探测结果来控制射频识别天线发送唤醒信号，并判断射频识别天线是否获取到射频标签编码信息，根据获取到射频标签编码信息的判断结果将射频标签编码信息经由FPGA输出给通讯节点，根据未获取到射频标签编码信息的判断结果发送报警信号经由FPGA输出给通讯节点；多个所述嵌入式控制器分别放置在船舶的不同位置；连接FPGA的通讯节点；所述通讯节点有多个，其位置和数量与嵌入式控制器的位置和数量相同，每一通讯节点具有唯一ID，当所述通讯节点接收到FPGA传输过来的射频标签编码信息或报警信号时，该通讯节点将射频标签编码信息或报警信号同自身ID通过网关发送给计算机；连接网关的计算机；所述计算机存储每一通讯节点ID与位置信息的映射关系，当接收到网关发送过来的通讯节点ID以及射频标签编码信息或报警信号后，该计算机根据所述映射关系和接收到的通讯节点ID获取该通讯节点的位置；所述计算机在获取通讯节点的位置之后，通过3D界面对船舶3D模型中对应通讯节点的位置进行显示，并根据射频标签编码信息显示内部人员，根据报警信号显示陌生人；作为优选，所述红外探测器有多个，分别与FPGA的IO口相连接；作为优选，所述FPGA与MPU采用FIFO队列方式进行通讯；作为优选，多个所述通讯节点与网关构成基于ZigBee协议的无线网络；作为优选，所述通讯节点与计算机通过以太网通信；作为优选，所述MPU在发送射频标签编码信息和报警信号之前对其进行Hamming编码，所述计算机在接收到射频标签编码信息和报警信号之后对其进行Hamming解码；作为优选，所述计算机安装有具备导入船舶3D模型和形成能够显示所导入的船舶3D模型的3D界面的LabVIEW软件。

如图2所示的一种远洋船舶安全监测预警系统的工作方法，包括如下步骤：

S1：红外探测器探测一定范围内是否有人，并将探测结果输出给FPGA，是则执行S2，否则返回S1；

S2：FPGA接收红外探测器传送过来的探测结果并输出给MPU，执行S3；

S3：MPU控制射频识别天线发送唤醒信号，执行S4；

S4：射频识别天线获取射频标签编码信息并传输给MPU，执行S5；

S5：MPU判断射频识别天线是否获取到射频标签编码信息，是则执行S6，否则执行S10；

S6：MPU发送射频标签的编码信息经由FPGA输出至通讯节点，执行S7；

S7：通讯节点将接收到的射频标签编码信息和自身ID通过网关发送给计算机，执行S8；

S8：计算机根据每一通讯节点ID与位置信息的映射关系和接收到的通讯节点ID获取该通讯节点的位置，执行S9；

S9：计算机通过3D界面对船舶3D模型中对应通讯节点的位置进行显示，并根据接收到的射频标签编码信息显示内部人员，结束；

S10：MPU发送报警信号经由FPGA输出至通讯节点，执行S11；

S11：通讯节点将接收到的报警信号和自身ID通过网关发送给计算机，执行S12；

S12：计算机根据每一通讯节点ID与位置信息的映射关系和接收到的通讯节点ID获取该通讯节点的位置，执行S13；

S13：计算机通过3D界面对船舶3D模型中对应通讯节点的位置进行显示，并根据接收到的报警信号显示陌生人，结束；

进一步地，在步骤S1之前还包括如下步骤：

计算机存储每一通讯节点ID与位置信息的映射关系后，通过网关自动搜索已启动的多个通讯节点并建立连接。

本发明所述射频识别天线与嵌入式控制器通过串口RS232进行通信；所述通讯节点与FPGA利用通用并行数据输入输出通道进行数据传输；所述红外探测器是利用人体特有的波长9～10μm范围内的红外信号进行人员探测，其探测区域可以是以透镜始点，水平110℃、上下60℃，长8m的圆锥形区域，当该范围内有人员出现时红外探测器输出TTL逻辑高电平，没有人员在该范围出现时输出TTL逻辑低电平，红外探测器的安装位置不固定，适应能力强，弥补了雷达监测盲区，对保障船上人员的生命安全具有重要意义，所述射频识别天线可以唤醒周围一定范围内的射频标签，并获取射频标签的编码信息，在射频标签未被唤醒时，其处于休眠状态，时钟频率和功耗降低，能够延长使用时间，只有当接收到射频识别天线的唤醒信号时才提高时钟频率并发送编码信息，MPU只有在收到FPGA传输过来的有人信号才控制射频识别天线发送唤醒信号，不仅节能、降低系统运行成本，且延长了硬件使用寿命；所述计算机具有基于LabVIEW软件平台的硬件驱动程序，点击运行该硬件驱动程序后通过操作程序会自动导入3D模型，通过LabVIEW工具软件能够形成对导入的3D模型进行显示的3D界面，点击运行硬件驱动程序后计算机通过以太网与网关通信，网关会自动将启动指令信号发送给各个通讯节点，驱动程序的用户界面还包括信息推送文本框，当解析Hamming编码后得出发送信号的是船舶上哪一台嵌入式控制器，则可以将结果推送到信息推送文本框显示并发出报警铃音，信息推送文本框是硬件驱动程序用户界面上的一个信息提示栏，硬件驱动程序根据通信节点ID号查询XML文件得到详细位置信息如“左舷，靠近驾驶室位置”以信息推送形式显示在该提示栏内，该提示栏的显示信息是按时间顺序实时更新的，因此叫做“信息推送文本框”或直接称“报警位置提示栏”，3D模型显示采用LabVIEW3D传感器映射技术，该技术使LabVIEW开发平台下的3D图形显示界面可以直接导入通过Maya、3D MAX、SolidWorks等通用3D模型编辑软件绘制的3D模型，根据解析出的位置信息在船舶3D模型的对应位置上进行显示，清晰直观的提示报警位置，所述MPU采用Freescale公司的32位微处理器MPC5200CVR400B；所述FPGA采用Xilinx公司的Sparten V5FPGA，其具备物理多线程特性，可以支持多路红外探测器的信号输入，负责信号采集与发送工作，保证了MPU的高效运行，MPU与FPGA的系统时钟是相互独立的，即嵌入式控制器对信号的收发与处理不是同步的，MPU与FPGA采用先入先出队列（FIFO）进行通讯，嵌入式控制器还可以包括用于暂存FPGA和MPU之间进行传输的信息和数据的存储模块，保证数据稳定传输，防止数据丢失或出错，采用计算机获取到通讯节点的位置信息后，并采用计算机存储的船舶3D模型显示人员出现的位置，清晰直观，3D模型可以根据不同船舶的具体形状布局使用3D MAX或Maya等主流3D模型绘制软件新建或直接修改，实用性强，并可以大幅提高适应不同船舶的能力，另外计算机作为人机交互接口，不需要引入其它人机交互设备，开发成本低、升级方便、扩展性强，网关与计算机通过以太网直接通信，不需要外加转接设备，操作简易、维护方便，任一通讯节点一般具有4路信号输入输出通道，每一通讯节点所在的具体位置与ID的映射关系均以XML文件的形式存储在计算机中，启动指令、射频标签编码信息、报警信号等传输数据均采用Hamming编码，提高信号传输的抗干扰能力，在计算机发送启动指令后，网关会自动查找周围的通讯节点并建立连接；本发明提供的一种远洋船舶安全监测预警系统及其工作方法，通过将红外探测技术与射频识别技术相结合，可以准确区分内部人员和陌生人，方便实用，自动化程度高，能够对在雷达盲区内出现的可疑人员的进行监测预警，可以弥补雷达监测预警系统存在的盲区问题，同时避免了夜间人工站岗的安全隐患，大大减少了船员的工作量，通过3D界面对船舶3D模型中对应通讯节点的位置进行清晰直观的显示，每一通讯节点的位置与嵌入式控制器一一对应，进而能够明确当前内部人员或陌生人的位置，为船员全部转移到安全舱争取宝贵时间，并且填补了雷达盲区内船舶对海盗监测预警的空白，提高了船舶安全监测预警系统的完整性和智能化水平。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种远洋船舶安全监测预警系统，其特征在于包括：

用于探测一定范围内是否有人并将探测结果输出给FPGA的红外探测器；

内部人员持有、用于唯一识别内部人员的射频标签；每一所述射频标签具有唯一的编码信息，用于区分不同的内部人员；

连接射频标签和MPU，用于根据MPU的控制信息发送唤醒信号给射频标签以及获取射频标签编码信息的射频识别天线；

嵌入式控制器；所述嵌入式控制器有多个，分别放置于船舶的不同位置，每一嵌入式控制器均包括FPGA和MPU；所述FPGA连接红外探测器，用于接收红外探测器传送过来的探测结果并输出给MPU，接收MPU传送过来的射频标签编码信息和报警信息输出至通信节点；所述MPU连接射频识别天线，用于根据FPGA传输过来的红外探测器探测一定范围内有人的探测结果来控制射频识别天线发送唤醒信号，并判断射频识别天线是否获取到射频标签编码信息，根据获取到射频标签编码信息的判断结果将射频标签编码信息经由FPGA输出给通讯节点，根据未获取到射频标签编码信息的判断结果发送报警信号经由FPGA输出给通讯节点；多个所述嵌入式控制器分别放置在船舶的不同位置；

连接FPGA的通讯节点；所述通讯节点有多个，其位置和数量与嵌入式控制器的位置和数量相同，每一通讯节点具有唯一ID，当所述通讯节点接收到FPGA传输过来的射频标签编码信息或报警信号时，该通讯节点将射频标签编码信息或报警信号同自身ID通过网关发送给计算机；

连接网关的计算机；所述计算机存储每一通讯节点ID与位置信息的映射关系，当接收到网关发送过来的通讯节点ID以及射频标签编码信息或报警信号后，该计算机根据所述映射关系和接收到的通讯节点ID获取该通讯节点的位置；所述计算机在获取通讯节点的位置之后，通过3D界面对船舶3D模型中对应通讯节点的位置进行显示，并根据射频标签编码信息显示内部人员，根据报警信号显示陌生人；所述计算机安装有具备导入船舶3D模型和形成能够显示所导入的船舶3D模型的3D界面的LabVIEW软件。

2.根据权利要求1所述的一种远洋船舶安全监测预警系统，其特征在于所述红外探测器有多个，分别与FPGA的IO口相连接。

3.根据权利要求1所述的一种远洋船舶安全监测预警系统，其特征在于所述FPGA与MPU采用FIFO队列方式进行通讯。

4.根据权利要求1所述的一种远洋船舶安全监测预警系统，其特征在于多个所述通讯节点与网关构成基于ZigBee协议的无线网络。

5.根据权利要求1所述的一种远洋船舶安全监测预警系统，其特征在于所述通讯节点与计算机通过以太网通信。

6.根据权利要求1所述的一种远洋船舶安全监测预警系统，其特征在于所述MPU在发送射频标签编码信息和报警信号之前对其进行Hamming编码，所述计算机在接收到射频标签编码信息和报警信号之后对其进行Hamming解码。

7.一种远洋船舶安全监测预警系统的工作方法，其特征在于包括如下步骤：

S1：红外探测器探测一定范围内是否有人，并将探测结果输出给FPGA，是则执行S2，否则返回S1；

S2：FPGA接收红外探测器传送过来的探测结果并输出给MPU，执行S3；

S3：MPU控制射频识别天线发送唤醒信号，执行S4；

S4：射频识别天线获取射频标签编码信息并传输给MPU，执行S5；

S5：MPU判断射频识别天线是否获取到射频标签编码信息，是则执行S6，否则执行S10；

S6：MPU发送射频标签的编码信息经由FPGA输出至通讯节点，执行S7；

S7：通讯节点将接收到的射频标签编码信息和自身ID通过网关发送给计算机，执行S8；

S8：计算机根据每一通讯节点ID与位置信息的映射关系和接收到的通讯节点ID获取该通讯节点的位置，执行S9；

S9：计算机通过3D界面对船舶3D模型中对应通讯节点的位置进行显示，并根据接收到的射频标签编码信息显示内部人员，结束；

S10：MPU发送报警信号经由FPGA输出至通讯节点，执行S11；

S11：通讯节点将接收到的报警信号和自身ID通过网关发送给计算机，执行S12；

S12：计算机根据每一通讯节点ID与位置信息的映射关系和接收到的通讯节点ID获取该通讯节点的位置，执行S13；

S13：计算机通过3D界面对船舶3D模型中对应通讯节点的位置进行显示，并根据接收到的报警信号显示陌生人，结束。

8.根据权利要求7所述的一种远洋船舶安全监测预警系统的工作方法，其特征在于在步骤S1之前还包括如下步骤：

计算机存储每一通讯节点ID与位置信息的映射关系后，通过网关自动搜索已启动的多个通讯节点并建立连接。