物聯(lián)網(wǎng)在智能船上應(yīng)用的研究

高春曉 鄒智曦 吳作陽(yáng)

摘 ? ?要：隨著通信電子技術(shù)迅猛發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在制造行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)利用芯片、傳感器、網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集傳輸，在網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化的大趨勢(shì)下，未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)將在智能船上廣泛應(yīng)用。本文研究物聯(lián)網(wǎng)在智能船中應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)搭建問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；芯片；傳感器；網(wǎng)絡(luò)搭建

中圖分類號(hào)：U662.2 ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Research on the Application of the Internet of Things on Smart Ships

Gao Chunxiao， ?ZOU Zhixi， ?Wu Zuoyang

（ COSCO Shipping Heavy Industry（Zhoushan）Co.，Ltd.， ?Zhoushan 316131 ）

Abstract： With the rapid development of communication electronic technology， Internet of Things （IOT） is widely used in the manufacturing industry. IOT uses chips，sensors and networks to achieve data acquisition and transmission. In the network and digital trend， Internet of Things will be used in smart ships in the future. This paper studies the network construction of Internet of Things on smart ships.

Key words： Internet of Things ; Chips ; Sensors ; Construction of network

1 ? ? 前言

全球已進(jìn)入工業(yè)革命4.0時(shí)代，其特征是網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化和智能化。它對(duì)國(guó)內(nèi)船舶制造行業(yè)的發(fā)展既是機(jī)遇又是挑戰(zhàn)，造船業(yè)的發(fā)展，需要調(diào)整和優(yōu)化結(jié)構(gòu)，積極向網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、智能化領(lǐng)域進(jìn)軍。

船舶的智能化，歸根結(jié)底離不開(kāi)強(qiáng)大的控制系統(tǒng)。傳統(tǒng)的船舶設(shè)計(jì)是布置硬線電纜，控制系統(tǒng)越強(qiáng)大，相應(yīng)的電纜量也就越多。但是，隨著船舶的智能化程度越來(lái)越高，大量的布線已經(jīng)難以解決根本問(wèn)題，且電纜量太多也會(huì)導(dǎo)致施工難度和成本增加。

目前網(wǎng)絡(luò)化已經(jīng)在船舶建造和運(yùn)營(yíng)中初見(jiàn)倪端。例如：船舶設(shè)備供應(yīng)商康士伯的大包設(shè)備，通過(guò)設(shè)備內(nèi)部軟件及程序的設(shè)置，再加上設(shè)備之間網(wǎng)線的連接，打造一個(gè)個(gè)小型網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)，通過(guò)這樣的設(shè)計(jì)減少硬線的布線，只需一個(gè)端口就可以實(shí)現(xiàn)所有設(shè)備信息的讀取。如果信號(hào)形式相同且通過(guò)網(wǎng)絡(luò)授權(quán)，其它廠家的設(shè)備也可以在網(wǎng)內(nèi)進(jìn)行信號(hào)傳輸；同理，船上其它不同廠家的設(shè)備，通過(guò)適當(dāng)?shù)某绦蚓帉憽④浖靶酒O(shè)置，同樣可以搭建自己的網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)。

隨著物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的來(lái)臨，通過(guò)無(wú)線傳輸打造無(wú)線網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為控制系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)。物聯(lián)網(wǎng)是智能船未來(lái)的發(fā)展方向，也是數(shù)字化時(shí)代的大勢(shì)所趨，它的應(yīng)用不但可以減少船舶建造過(guò)程中的硬線敷設(shè)，減少物量及施工成本，而且可以實(shí)現(xiàn)船舶運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的信息數(shù)字化集成處理，進(jìn)一步減少人工成本，逐步實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛。

2 ? ?物聯(lián)網(wǎng)簡(jiǎn)介

物聯(lián)網(wǎng)顧名思義就是物物相連的互聯(lián)網(wǎng)，它是采用無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)以及紅外傳感器、激光掃描器等傳感設(shè)備，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控、感知相關(guān)物品及其過(guò)程信息，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)物品智能化識(shí)別和管理。例如：目前我國(guó)的鴻蒙系統(tǒng)，利用無(wú)線傳輸技術(shù)建立無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多個(gè)設(shè)備之間信號(hào)傳輸和數(shù)據(jù)交換，在一個(gè)界面進(jìn)行集中控制。如果信號(hào)的傳輸網(wǎng)絡(luò)和傳輸技術(shù)得以解決，那么就可以實(shí)現(xiàn)全船信號(hào)的集中自動(dòng)監(jiān)測(cè)與控制，管理人員可以實(shí)時(shí)對(duì)船舶或者關(guān)鍵設(shè)備的關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程動(dòng)態(tài)監(jiān)控并發(fā)送指令。

以鴻蒙全屋智能系統(tǒng)為例：2021年華為全屋智能系統(tǒng)全面開(kāi)售，該產(chǎn)品是華為自行研發(fā)的工業(yè)級(jí)PLC芯片首次應(yīng)用到家庭系統(tǒng)。目前，鴻蒙系統(tǒng)可搭載1000多種品牌，提供3 000多款智能硬件。低碳設(shè)計(jì)的PLC實(shí)現(xiàn)了多網(wǎng)融合，相比傳統(tǒng)的有線系統(tǒng)節(jié)省38%布線，能在保證卓越性能的同時(shí)大幅降低能耗。

鴻蒙搭載系統(tǒng)可以在新造船舶上應(yīng)用，甚至可以在船舶修理改裝上應(yīng)用。通過(guò)聯(lián)合船用設(shè)備開(kāi)發(fā)芯片、傳感器，并根據(jù)船上特殊環(huán)境開(kāi)發(fā)滿足船舶生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)需要的網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)多網(wǎng)連接減少船上電纜布置，實(shí)現(xiàn)船舶設(shè)備萬(wàn)物相連。物聯(lián)網(wǎng)在船舶上的應(yīng)用，不僅能夠降低船上油耗，減少人工，而且可以實(shí)現(xiàn)船舶集中控制，提高船舶的安全性，并加強(qiáng)船上設(shè)備性能檢測(cè)，逐步實(shí)現(xiàn)船舶智能化。

3 ? ?船舶物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)要素

3.1 ? 芯片

物聯(lián)網(wǎng)集成芯片，可分為運(yùn)算處理芯片、通信芯片、功率驅(qū)動(dòng)芯片等。本文主要研究可以應(yīng)用在智能船上的通信芯片。

在智能船的發(fā)展過(guò)程中，芯片的發(fā)展起到至關(guān)重要的作用。智能設(shè)備無(wú)線傳輸首先要由芯片發(fā)送信號(hào)，比較常見(jiàn)的有RF芯片，即radio frequency--射頻，是在300 kHz-300 GHz范圍的高頻交流變化電磁波，能夠?qū)o(wú)線信號(hào)的通訊轉(zhuǎn)換為特定的無(wú)線信號(hào)波形，并通過(guò)天線諧振發(fā)送出去。射頻是無(wú)線產(chǎn)品中的一個(gè)關(guān)鍵部件，主要的功能為射頻收發(fā)、頻率合成和功率放大。根據(jù)各種設(shè)備的不同性能以及信號(hào)傳輸速率、距離要求，開(kāi)發(fā)滿足相關(guān)通信要求的RF芯片并植入設(shè)備，還需要滿足無(wú)線傳輸?shù)挠布l件，設(shè)備之間才能實(shí)現(xiàn)信號(hào)的無(wú)線傳輸。

需要注意的是：很多芯片在設(shè)計(jì)階段幾乎都沒(méi)有考慮到安全性，芯片設(shè)計(jì)師普遍認(rèn)為安全性主要依靠軟件實(shí)現(xiàn)，也就是通過(guò)軟件加密來(lái)改善系統(tǒng)安全，但是在萬(wàn)物互聯(lián)時(shí)代，數(shù)據(jù)被竊取、機(jī)器被操縱的可能性將增加。例如：黑客襲擊船上網(wǎng)絡(luò)可能不僅襲擊船上網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，甚至可以通過(guò)操縱芯片篡改船舶的航行數(shù)據(jù)，改變船舶的航行方向，甚至引發(fā)船舶爆炸，因此在IOT芯片的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，安全性是必須考慮的因素。

3.2 ? 傳感器

傳感器能將物理量、化學(xué)量、生物量按照一定規(guī)律實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換，通常是轉(zhuǎn)換成方便測(cè)量的電信號(hào)。在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，大多數(shù)傳感器都是嵌入到芯片中，在船上相鄰的設(shè)備使用藍(lán)牙傳感器可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，或者傳感器將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鲾?shù)據(jù)分配單元。

3.3 ? 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)搭建

按照網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，可以將無(wú)線網(wǎng)絡(luò)劃分為局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)：局域網(wǎng)就是在一定地理范圍內(nèi)形成的一個(gè)封閉型網(wǎng)絡(luò)，分布范圍比較有限，目前無(wú)線局域網(wǎng)的主要實(shí)現(xiàn)形式有藍(lán)牙、WIFI、ZigBee等；廣域網(wǎng)也叫遠(yuǎn)程網(wǎng)，通常是跨界很大范圍的網(wǎng)絡(luò)，廣域網(wǎng)的組建需要基站和交換機(jī)，主要是電信機(jī)構(gòu)及相關(guān)公司進(jìn)行組建和運(yùn)營(yíng)，目前常見(jiàn)的廣域網(wǎng)有4G/5G以及NB-Iot。

按照網(wǎng)絡(luò)的組織形式，無(wú)線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)分為兩種：基于網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)和無(wú)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)?；诰W(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)，常見(jiàn)的有WIFI 、NB-IOT；無(wú)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)也就是自組織網(wǎng)，沒(méi)有固定的路由器，例如無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，它的節(jié)點(diǎn)可以隨意移動(dòng)并可以任意方式相互通信。

針對(duì)無(wú)線局域網(wǎng)，目前主流的無(wú)線傳輸技術(shù)可以應(yīng)用到智能船舶中的有以下幾種：

（1）藍(lán)牙

藍(lán)牙在本質(zhì)上不屬于網(wǎng)絡(luò)，它是一種通訊技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，包括無(wú)線數(shù)據(jù)和語(yǔ)音通信。藍(lán)牙的組建主要依賴于芯片，一般是由兩塊芯片（射頻芯片及基帶控制芯片）組成；藍(lán)牙的傳輸距離大約是8～30 m，受到無(wú)線信號(hào)和墻體干擾后，一般傳輸距離在10 m左右，在使用放大器的情況下傳輸距離可以達(dá)到100 m，但是放大器額外成本較高；理論上藍(lán)牙最多可以連接7個(gè)設(shè)備，但實(shí)際應(yīng)用中一般最多連接3～4個(gè)設(shè)備。

藍(lán)牙非常適合使用小電池供電且短距離內(nèi)傳輸小數(shù)據(jù)包的情況，目前被廣泛應(yīng)用在智能家居領(lǐng)域，可以在突然斷網(wǎng)沒(méi)有WIFI的情況下保障智能家居設(shè)備工作的連續(xù)性?；谒{(lán)牙傳輸距離以及連接設(shè)備數(shù)量的限制，船上藍(lán)牙的使用可以考慮同一個(gè)房間小系統(tǒng)的3～4個(gè)小設(shè)備的數(shù)據(jù)連接。

（2）WIFI

WIFI是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸手段，一般主要在室內(nèi)應(yīng)用。WIFI傳輸?shù)娜秉c(diǎn)是通信質(zhì)量一般，數(shù)據(jù)安全性能不及藍(lán)牙，傳輸質(zhì)量也有待提高。其最大的優(yōu)勢(shì)是傳輸速度快，速率可達(dá)54 Mbps，而且不需要考慮布線的問(wèn)題，也就是說(shuō)沒(méi)有布線條件的制約。與藍(lán)牙相比，WIFI的傳輸距離較大，傳輸距離通常能達(dá)到100 m，且傳輸速度非?？臁IFI的缺點(diǎn)是能耗較大，不像藍(lán)牙小電池就可以解決能耗問(wèn)題。并且發(fā)射信號(hào)功率較低（小于100 mW），比手機(jī)發(fā)射功率還要低，所以WiFi網(wǎng)比較安全健康。

WIFI在日常生活中非常常見(jiàn)，已經(jīng)深入到智能化產(chǎn)業(yè)的各個(gè)方面。目前WIFI在家庭中使用的方式是采用無(wú)線路由器，將信號(hào)通過(guò)天線轉(zhuǎn)發(fā)給附近的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備；采用同樣的方法，WiFi也適用于船舶運(yùn)行和生活，通過(guò)開(kāi)發(fā)內(nèi)置WIFI功能的設(shè)備，外加通過(guò)合理布置路由器的方法，建立船舶局域網(wǎng)；參照鴻蒙的全屋智能系統(tǒng)采用兩層網(wǎng)絡(luò)，第一層采用工業(yè)PLC控制器，第二層通過(guò)合理的布置路由器實(shí)現(xiàn)信號(hào)全覆蓋。

我司自主研發(fā)設(shè)計(jì)的152 000 DWT穿梭油輪上可以看到很多智能化、數(shù)字化的縮影，WIFI路由器的布置可以參照該油輪UHF系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。在上建、機(jī)艙、艏部的每一層設(shè)置信號(hào)分配器以及UHF室內(nèi)天線，實(shí)現(xiàn)全船信號(hào)的全覆蓋。以該油輪航行設(shè)備間為例，尺寸大約是3 mx10 m，房間內(nèi)布置有動(dòng)力定位、通導(dǎo)、中控的電氣控制箱和相關(guān)設(shè)備共54個(gè)，如果廠家通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新在設(shè)備內(nèi)置WIFI芯片，該房間內(nèi)40個(gè)設(shè)備的信號(hào)可以通過(guò)WIFI傳輸，此項(xiàng)舉措可節(jié)約電纜長(zhǎng)度930 m，節(jié)約成本約2萬(wàn)元。

（3）Zigbee

Zigbee是短距離、低功耗的無(wú)線通信技術(shù)，比藍(lán)牙和WIFI的功耗都要低，主要適用于自動(dòng)以及遠(yuǎn)程控制相關(guān)領(lǐng)域。Zigbee使用免費(fèi)的頻率，在2.4 G下速率最高，傳輸距離室內(nèi)大約是10～20 m，室外可達(dá)到300 m。其缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)速率較低。

生活中常見(jiàn)的應(yīng)用有智能家電，如2015年小米推出的智能家居產(chǎn)品全都支持Zigbee；Zigbee無(wú)線傳感系統(tǒng)也在蘇南運(yùn)河得到廣泛應(yīng)用，航道兩岸標(biāo)志牌的傾倒、移動(dòng)、損壞情況以及航道水位的實(shí)時(shí)檢測(cè)，通過(guò)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)發(fā)布于可變報(bào)板上。

Zigbee已經(jīng)成為物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)一種主流技術(shù)，廣泛應(yīng)用在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療監(jiān)護(hù)、智能家居等領(lǐng)域。例如：可用于廠房?jī)?nèi)粉塵和有毒氣體數(shù)據(jù)采集分析；在農(nóng)業(yè)種植中進(jìn)行溫濕度、PH值的實(shí)時(shí)探測(cè)監(jiān)控分析；在礦井進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)、語(yǔ)音通訊以及人員位置定位等，可以在船上冷庫(kù)以及死人報(bào)警方面應(yīng)用。

（4）無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)

物聯(lián)網(wǎng)在智能船的應(yīng)用，傳感器起到了不容忽視的作用，不僅能作為信號(hào)的發(fā)送端和接收端，還可以作為信息的載體參與到組成網(wǎng)絡(luò)中。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，是由傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的分布式多跳自組織網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)兼有傳感、數(shù)據(jù)收集和無(wú)線通信功能。其中的節(jié)點(diǎn)，可以協(xié)作感知、收集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)數(shù)據(jù)信息并進(jìn)行集成，而后將數(shù)據(jù)傳送到基站，從而達(dá)到覆蓋范圍內(nèi)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)，可以基于Zigbee這項(xiàng)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可以通過(guò)其它無(wú)線通信的方式實(shí)現(xiàn)，比如wifi、 藍(lán)牙等。

在機(jī)艙和貨艙傳感器較多的地方，可以利用得天獨(dú)厚的條件，使用傳感器組成的網(wǎng)絡(luò)，將傳感器作為信號(hào)的采集端、發(fā)送端，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控發(fā)送。

（5）NB-IoT

NB-IoT即窄帶物聯(lián)網(wǎng)，是萬(wàn)物互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的重要分支，該項(xiàng)技術(shù)既可應(yīng)用于局域網(wǎng)也可應(yīng)用于廣域網(wǎng)。該項(xiàng)技術(shù)已廣泛應(yīng)用在智慧停車、智能抄表、智能家居、智慧交通、智慧農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域，高通、中國(guó)移動(dòng)、中國(guó)聯(lián)通等主流運(yùn)營(yíng)商以及其它主流芯片商均加入了該陣營(yíng)。

NB-IOT不是自組織網(wǎng)絡(luò)，它的搭建需要一定的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，包括終端、基站以及工業(yè)應(yīng)用服務(wù)器。它的特點(diǎn)就是覆蓋深度比較深，可以解決地下室和停車場(chǎng)信號(hào)差的問(wèn)題，可以應(yīng)用在智能船上傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中的信號(hào)差、信號(hào)難以覆蓋的區(qū)域，如機(jī)艙和艏部等區(qū)域。

綜合考慮以上無(wú)線傳輸技術(shù)的特點(diǎn)，目前WIFI、藍(lán)牙、NB-I0T需要芯片，WIFI、NB-I0T的信號(hào)傳輸需要外部網(wǎng)絡(luò)的加持，而Zigbee可以使用無(wú)線傳感器技術(shù)自行組建網(wǎng)絡(luò)，無(wú)線傳感器可以自行獲取能量，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是自組織網(wǎng)絡(luò)，但是自組織網(wǎng)絡(luò)不一定是傳感器網(wǎng)絡(luò)。

WIFI、藍(lán)牙、Zigbee都是基于2.4 GHz頻段的，在這個(gè)無(wú)線設(shè)備爆發(fā)的時(shí)代，這個(gè)頻段已經(jīng)越來(lái)越擁擠，相應(yīng)的信號(hào)干擾問(wèn)題會(huì)越來(lái)越嚴(yán)重，在無(wú)線產(chǎn)品中頻率越高、距離越短、穿墻性越差，這也是subGHz越來(lái)越受到重視的原因。

考慮到基站覆蓋距離以及遠(yuǎn)洋航線上復(fù)雜的海況等實(shí)際情況，在目前物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的初級(jí)階段，廣域網(wǎng)只適合于近海的情況，隨著科技的發(fā)展，廣域網(wǎng)在遠(yuǎn)洋船舶上的應(yīng)用也能變成現(xiàn)實(shí)。

4 ? ? 結(jié)束語(yǔ)

物聯(lián)網(wǎng)在智能船上的應(yīng)用，隨著科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展[1]，在日常設(shè)計(jì)工作中要通過(guò)不斷的知識(shí)積累并拓展新思路、新方法，不斷運(yùn)用新的技術(shù)手段進(jìn)行迭代。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在船舶上應(yīng)用是未來(lái)船舶智能化的必然趨勢(shì)，將極大地提高船舶建造及運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的生產(chǎn)效率、經(jīng)濟(jì)效益以及安全性?？萍嫉淖罱K目標(biāo)是改善我們的生活，無(wú)人駕駛在不久的將來(lái)會(huì)廣泛地走進(jìn)我們的生活。

參考文獻(xiàn)

[1]高春曉.提高船舶電氣設(shè)備電磁兼容性的探討[J]. 基層建設(shè)，2017，

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