物聯網在智能船上應用的研究

高春曉 鄒智曦 吳作陽

摘 ? ?要：隨著通信電子技術迅猛發展，物聯網技術在制造行業得到廣泛應用。物聯網技術利用芯片、傳感器、網絡實現數據采集傳輸，在網絡化、數字化的大趨勢下，未來物聯網將在智能船上廣泛應用。本文研究物聯網在智能船中應用的網絡搭建問題。

關鍵詞：物聯網；芯片；傳感器；網絡搭建

中圖分類號：U662.2 ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：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

全球已進入工業革命4.0時代，其特征是網絡化、數字化和智能化。它對國內船舶制造行業的發展既是機遇又是挑戰，造船業的發展，需要調整和優化結構，積極向網絡化、數字化、智能化領域進軍。

船舶的智能化，歸根結底離不開強大的控制系統。傳統的船舶設計是布置硬線電纜，控制系統越強大，相應的電纜量也就越多。但是，隨著船舶的智能化程度越來越高，大量的布線已經難以解決根本問題，且電纜量太多也會導致施工難度和成本增加。

目前網絡化已經在船舶建造和運營中初見倪端。例如：船舶設備供應商康士伯的大包設備，通過設備內部軟件及程序的設置，再加上設備之間網線的連接，打造一個個小型網絡子系統，通過這樣的設計減少硬線的布線，只需一個端口就可以實現所有設備信息的讀取。如果信號形式相同且通過網絡授權，其它廠家的設備也可以在網內進行信號傳輸；同理，船上其它不同廠家的設備，通過適當的程序編寫、軟件及芯片設置，同樣可以搭建自己的網絡子系統。

隨著物聯網時代的來臨，通過無線傳輸打造無線網絡已經成為控制系統發展的趨勢。物聯網是智能船未來的發展方向，也是數字化時代的大勢所趨，它的應用不但可以減少船舶建造過程中的硬線敷設，減少物量及施工成本，而且可以實現船舶運營過程中的信息數字化集成處理，進一步減少人工成本，逐步實現無人駕駛。

2 ? ?物聯網簡介

物聯網顧名思義就是物物相連的互聯網，它是采用無線射頻識別技術以及紅外傳感器、激光掃描器等傳感設備，通過實時監控、感知相關物品及其過程信息，以此來實現對物品智能化識別和管理。例如：目前我國的鴻蒙系統，利用無線傳輸技術建立無線網絡系統，實現多個設備之間信號傳輸和數據交換，在一個界面進行集中控制。如果信號的傳輸網絡和傳輸技術得以解決，那么就可以實現全船信號的集中自動監測與控制，管理人員可以實時對船舶或者關鍵設備的關鍵數據進行遠程動態監控并發送指令。

以鴻蒙全屋智能系統為例：2021年華為全屋智能系統全面開售，該產品是華為自行研發的工業級PLC芯片首次應用到家庭系統。目前，鴻蒙系統可搭載1000多種品牌，提供3 000多款智能硬件。低碳設計的PLC實現了多網融合，相比傳統的有線系統節省38%布線，能在保證卓越性能的同時大幅降低能耗。

鴻蒙搭載系統可以在新造船舶上應用，甚至可以在船舶修理改裝上應用。通過聯合船用設備開發芯片、傳感器，并根據船上特殊環境開發滿足船舶生產運營需要的網絡，通過多網連接減少船上電纜布置，實現船舶設備萬物相連。物聯網在船舶上的應用，不僅能夠降低船上油耗，減少人工，而且可以實現船舶集中控制，提高船舶的安全性，并加強船上設備性能檢測，逐步實現船舶智能化。

3 ? ?船舶物聯網實現要素

3.1 ? 芯片

物聯網集成芯片，可分為運算處理芯片、通信芯片、功率驅動芯片等。本文主要研究可以應用在智能船上的通信芯片。

在智能船的發展過程中，芯片的發展起到至關重要的作用。智能設備無線傳輸首先要由芯片發送信號，比較常見的有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，能夠將無線信號的通訊轉換為特定的無線信號波形，并通過天線諧振發送出去。射頻是無線產品中的一個關鍵部件，主要的功能為射頻收發、頻率合成和功率放大。根據各種設備的不同性能以及信號傳輸速率、距離要求，開發滿足相關通信要求的RF芯片并植入設備，還需要滿足無線傳輸的硬件條件，設備之間才能實現信號的無線傳輸。

需要注意的是：很多芯片在設計階段幾乎都沒有考慮到安全性，芯片設計師普遍認為安全性主要依靠軟件實現，也就是通過軟件加密來改善系統安全，但是在萬物互聯時代，數據被竊取、機器被操縱的可能性將增加。例如：黑客襲擊船上網絡可能不僅襲擊船上網絡系統，甚至可以通過操縱芯片篡改船舶的航行數據，改變船舶的航行方向，甚至引發船舶爆炸，因此在IOT芯片的開發過程中，安全性是必須考慮的因素。

3.2 ? 傳感器

傳感器能將物理量、化學量、生物量按照一定規律實現信號轉換，通常是轉換成方便測量的電信號。在物聯網領域，大多數傳感器都是嵌入到芯片中，在船上相鄰的設備使用藍牙傳感器可以實現數據交換，或者傳感器將數據傳輸到主數據分配單元。

3.3 ? 無線網絡搭建

按照網絡的覆蓋范圍，可以將無線網絡劃分為局域網和廣域網：局域網就是在一定地理范圍內形成的一個封閉型網絡，分布范圍比較有限，目前無線局域網的主要實現形式有藍牙、WIFI、ZigBee等；廣域網也叫遠程網，通常是跨界很大范圍的網絡，廣域網的組建需要基站和交換機，主要是電信機構及相關公司進行組建和運營，目前常見的廣域網有4G/5G以及NB-Iot。

按照網絡的組織形式，無線移動網絡分為兩種：基于網絡基礎設施的網絡和無網絡設施的網絡?；诰W絡基礎設施的網絡，常見的有WIFI 、NB-IOT；無網絡設施的網絡也就是自組織網，沒有固定的路由器，例如無線傳感器網絡，它的節點可以隨意移動并可以任意方式相互通信。

針對無線局域網，目前主流的無線傳輸技術可以應用到智能船舶中的有以下幾種：

（1）藍牙

藍牙在本質上不屬于網絡，它是一種通訊技術標準，包括無線數據和語音通信。藍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；藍牙的傳輸距離大約是8～30 m，受到無線信號和墻體干擾后，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到100 m，但是放大器額外成本較高；理論上藍牙最多可以連接7個設備，但實際應用中一般最多連接3～4個設備。

藍牙非常適合使用小電池供電且短距離內傳輸小數據包的情況，目前被廣泛應用在智能家居領域，可以在突然斷網沒有WIFI的情況下保障智能家居設備工作的連續性。基于藍牙傳輸距離以及連接設備數量的限制，船上藍牙的使用可以考慮同一個房間小系統的3～4個小設備的數據連接。

（2）WIFI

WIFI是當前應用最廣泛的無線網絡傳輸手段，一般主要在室內應用。WIFI傳輸的缺點是通信質量一般，數據安全性能不及藍牙，傳輸質量也有待提高。其最大的優勢是傳輸速度快，速率可達54 Mbps，而且不需要考慮布線的問題，也就是說沒有布線條件的制約。與藍牙相比，WIFI的傳輸距離較大，傳輸距離通常能達到100 m，且傳輸速度非?？臁IFI的缺點是能耗較大，不像藍牙小電池就可以解決能耗問題。并且發射信號功率較低（小于100 mW），比手機發射功率還要低，所以WiFi網比較安全健康。

WIFI在日常生活中非常常見，已經深入到智能化產業的各個方面。目前WIFI在家庭中使用的方式是采用無線路由器，將信號通過天線轉發給附近的無線網絡設備；采用同樣的方法，WiFi也適用于船舶運行和生活，通過開發內置WIFI功能的設備，外加通過合理布置路由器的方法，建立船舶局域網；參照鴻蒙的全屋智能系統采用兩層網絡，第一層采用工業PLC控制器，第二層通過合理的布置路由器實現信號全覆蓋。

我司自主研發設計的152 000 DWT穿梭油輪上可以看到很多智能化、數字化的縮影，WIFI路由器的布置可以參照該油輪UHF系統的設計。在上建、機艙、艏部的每一層設置信號分配器以及UHF室內天線，實現全船信號的全覆蓋。以該油輪航行設備間為例，尺寸大約是3 mx10 m，房間內布置有動力定位、通導、中控的電氣控制箱和相關設備共54個，如果廠家通過技術創新在設備內置WIFI芯片，該房間內40個設備的信號可以通過WIFI傳輸，此項舉措可節約電纜長度930 m，節約成本約2萬元。

（3）Zigbee

Zigbee是短距離、低功耗的無線通信技術，比藍牙和WIFI的功耗都要低，主要適用于自動以及遠程控制相關領域。Zigbee使用免費的頻率，在2.4 G下速率最高，傳輸距離室內大約是10～20 m，室外可達到300 m。其缺點是數據速率較低。

生活中常見的應用有智能家電，如2015年小米推出的智能家居產品全都支持Zigbee；Zigbee無線傳感系統也在蘇南運河得到廣泛應用，航道兩岸標志牌的傾倒、移動、損壞情況以及航道水位的實時檢測，通過無線傳感網絡發布于可變報板上。

Zigbee已經成為物聯網行業一種主流技術，廣泛應用在工業、農業、醫療監護、智能家居等領域。例如：可用于廠房內粉塵和有毒氣體數據采集分析；在農業種植中進行溫濕度、PH值的實時探測監控分析；在礦井進行環境監測、語音通訊以及人員位置定位等，可以在船上冷庫以及死人報警方面應用。

（4）無線傳感器網絡

物聯網在智能船的應用，傳感器起到了不容忽視的作用，不僅能作為信號的發送端和接收端，還可以作為信息的載體參與到組成網絡中。

無線傳感器網絡，是由傳感器節點構成的分布式多跳自組織網絡，節點兼有傳感、數據收集和無線通信功能。其中的節點，可以協作感知、收集和處理網絡覆蓋范圍內數據信息并進行集成，而后將數據傳送到基站，從而達到覆蓋范圍內的實時監測。

無線傳感網絡是一個系統架構，可以基于Zigbee這項技術來實現，也可以通過其它無線通信的方式實現，比如wifi、 藍牙等。

在機艙和貨艙傳感器較多的地方，可以利用得天獨厚的條件，使用傳感器組成的網絡，將傳感器作為信號的采集端、發送端，實現數據的實時監控發送。

（5）NB-IoT

NB-IoT即窄帶物聯網，是萬物互聯網絡的重要分支，該項技術既可應用于局域網也可應用于廣域網。該項技術已廣泛應用在智慧停車、智能抄表、智能家居、智慧交通、智慧農業等領域，高通、中國移動、中國聯通等主流運營商以及其它主流芯片商均加入了該陣營。

NB-IOT不是自組織網絡，它的搭建需要一定的網絡基礎設施，包括終端、基站以及工業應用服務器。它的特點就是覆蓋深度比較深，可以解決地下室和停車場信號差的問題，可以應用在智能船上傳統設計中的信號差、信號難以覆蓋的區域，如機艙和艏部等區域。

綜合考慮以上無線傳輸技術的特點，目前WIFI、藍牙、NB-I0T需要芯片，WIFI、NB-I0T的信號傳輸需要外部網絡的加持，而Zigbee可以使用無線傳感器技術自行組建網絡，無線傳感器可以自行獲取能量，無線傳感器網絡是自組織網絡，但是自組織網絡不一定是傳感器網絡。

WIFI、藍牙、Zigbee都是基于2.4 GHz頻段的，在這個無線設備爆發的時代，這個頻段已經越來越擁擠，相應的信號干擾問題會越來越嚴重，在無線產品中頻率越高、距離越短、穿墻性越差，這也是subGHz越來越受到重視的原因。

考慮到基站覆蓋距離以及遠洋航線上復雜的海況等實際情況，在目前物聯網發展的初級階段，廣域網只適合于近海的情況，隨著科技的發展，廣域網在遠洋船舶上的應用也能變成現實。

4 ? ? 結束語

物聯網在智能船上的應用，隨著科學技術迅猛發展[1]，在日常設計工作中要通過不斷的知識積累并拓展新思路、新方法，不斷運用新的技術手段進行迭代。物聯網技術在船舶上應用是未來船舶智能化的必然趨勢，將極大地提高船舶建造及運營過程中的生產效率、經濟效益以及安全性?？萍嫉淖罱K目標是改善我們的生活，無人駕駛在不久的將來會廣泛地走進我們的生活。

參考文獻

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

32： 299-300.