LiFi技术在船舶综合监控中的应用探讨

阳世荣

（中国舰船研究设计中心，武汉 430064）

船舶综合监控系统是现代船舶最重要的组成部分之一，直接反映船舶综合自动化水平[1]。随着计算机技术、自动控制技术及信息技术的发展和应用，船舶综合监控的自动化水平不断提升，通过实时监测船舶内各种设备运行参数、舱室环境参数以及人员状况，并及时采取控制干预措施，从而有力保障了船舶航行的安全性、可靠性和经济性[2-3]。由于船舶综合监控涉及的监控对象遍布全船，因此相关的测量、控制及其通信传输网络也遍布全船，现有的监控系统均采用现场布线方式来构建监控网络，随着现代船舶监控规模和监控节点的不断增加，现场布线数量也随之增加，必然导致成本增加和维护不便。当前日益发展和应用成熟的无线通信技术能够较好地解决上述问题，并且特别适用于某些移动监控场合。

由于船舶内部存在机舱、电子设备舱以及液舱、油舱等多种复杂环境，有的舱室电磁干扰强度大，有的舱室电磁敏感度特别高，大量自动化设备、电子设备的应用也导致船舶内部电磁环境和电磁干扰问题日趋复杂[4]，因此对无线通信的电磁兼容性要求极为严格，另外，船舱内过道空间狭窄、曲折，对无线电磁波的传输有很大影响[5]。通常的基于电磁波的无线通信技术难以满足船舶内部复杂环境下的无线通信应用需求。本文介绍的LiFi（light fidelity） 技术采用可见光作为传输载体实现无线通信，并利用遍布全船的照明电网构建LiFi 与电力载波通信网络，能够较好地解决复杂电磁环境下的无线通信问题，且能降低建设成本。本文首先阐述LiFi工作原理及技术优势，分析其在船舶综合监控中的应用场景，并提出具体的应用技术方案，最后展望其应用前景。

1 LiFi 工作原理及技术优势

LiFi 是一种利用可见光为传输载体实现无线数据传输的通信技术[6]，又称为光保真技术。LiFi 工作原理如图1所示。

图1 LiFi 工作原理示意图Fig.1 Schematic diagram of LiFi working principle

待发送的数据经由调制编码电路转换成驱动信号，驱动发光二极管（light-emitting diode，LED）发出高频明暗闪烁的可见光编码信息，灯亮表示“1”，灯灭表示“0”，由于LED 光源闪烁频率极高，人的肉眼无法察觉其闪烁；可见光接收器接收到可见光编码信息，通过解调解码电路即可恢复出发送的数据，从而完成了数据经可见光的无线发送和接收。

由于LiFi 采用可见光而非电磁波作为信号传输载体，因此相比于普通的无线通信技术，LiFi 的技术优势如下所述：

（1）可见光频谱资源丰富，可见光频谱宽度是无线电频谱的10000 倍[6]，可以从根本上解决现有无线电通信频谱资源紧张的问题。

（2） 可见光不存在电磁干扰和电磁敏感问题，可直接应用于船舶机舱、电子设备舱等复杂电磁环境场合，甚至可以用于水下机器人协同作业等电磁波无法传播的场合[7]。

（3）传输速率高，可达50 Gbit/s。

（4）安全性高，可见光沿直线传播，不会穿透舱壁或墙体等障碍物，杜绝了电磁信号泄露的问题。

2 LiFi 技术应用场景分析

船舶综合监控应用无线通信主要面临两大难题：一是船舶内部的各种舱室数量众多，一般采用钢结构舱壁，且有大量舱室为密闭环境，舱外通道狭窄曲折，因此在这种环境下，通常的电磁波无线通信穿透性较差，必须在每个舱室内设置无线网络基站和通信电缆，建设工作量和投资较大；二是部分舱室，如机舱、电子设备舱的电磁环境复杂，电磁波无线通信难以满足电磁兼容性要求。如前文所述，LiFi 自身的技术优势特别适合于解决电磁波无线通信应用于船舶综合监控时面临的技术难题，并且，当今船舶已广泛应用LED 光源作为照明灯具[8-9]，利用全船照明电网的LED 灯具以及电力载波通信技术能够低成本的快速构建全船LiFi 通信网络。典型的LiFi 应用场景如图2所示。

图2 典型的LiFi 应用场景示意图Fig.2 Schematic diagram of typical LiFi application scenario

图2中的移动用户和照明灯具均集成了图1所示的调制编码电路、LED 光源以及可见光接收器、解调解码电路，从而实现移动用户与照明灯具之间的LiFi 通信；照明灯具通过电力载波通信，利用照明电网电力线传输数据给上位机，从而构建适用于船舶综合监控的无线通信网络。其中，电力载波通信是指利用现有电力线缆通过载波方式将模拟或数字信号进行高速传播的技术，其最大特点是不需要重新架设通信网络，只要有电缆就能进行数据传递，是电力系统特有的通信方式，已广泛应用于工业控制、电能管理、智能家居等领域[10-11]。因此，图2所示典型应用场景的信息流程为：上位机发出的数据通过电力载波通信，经照明电网电力线传递给分布全船的LED 照明灯具；LED 照明灯具发出加载了编码信息的可见光，船舶内部的移动用户接收可见光信息并解码恢复出上位机传递的数据；用户的反馈信息同样可经由可见光发送给LED 照明灯具，由照明灯具自带的可见光接收器感知，然后解码成数据再通过照明电网电力线载波通信传递给上位机接收。

LiFi 技术与船舶照明电网电力线载波通信相结合，为船舶综合监控提供了一个快捷经济的无线通信应用解决方案，特别适用于舱内人员及物品定位、移动呼叫、日常巡检信息交互、特殊舱室无线监测报警等具体应用场合。下面以人员定位为例做具体应用场景说明，船舶由于其环境特殊性，用常规手段进行人员定位比较困难，而有效的人员定位对于考勤管理、访客监控及遇险应急救援具有重要意义[12]。应用LiFi 技术和照明电网电力载波通信后，给船上每个人佩戴具有发射信息功能的LED 光源作为移动节点，考虑到光线直线传播特性，佩戴部位可置于头部或者肩部，移动节点LED 光源周期性发送所佩戴人员的身份信息；当船内人员到达某个照明灯具附近时，灯具上的感光元件接收到人员身上发出的可见光，即可将该人员的身份信息及该灯具所在船舱位置信息通过照明电网电力线载波通信发送至上位机，从而实现了全船人员的实时定位监控。

3 应用技术方案

船舶综合监控中的LiFi 应用技术方案原理如图3所示，主要包括LiFi 通信和电力载波通信两大部分。

图3 LiFi 应用技术方案原理框图Fig.3 Principle block diagram of LiFi application technology scheme

1）LiFi 通信

分布全船的LED 照明灯具与其光照范围内的移动用户采用LiFi 可见光通信。图3中的移动用户和LED 照明灯具均配置LED 光源及其驱动电路、感光元件及其光电转换电路，由单片机控制器进行输入输出控制及数据处理。LiFi 输入输出接口电路原理如图4所示，其基本工作流程为：来源于照明电网电力线载波通信的数据发送至照明灯具单片机控制器，单片机将数据转换为输出电平信号经放大电路、调制电路和LED 驱动电路，最后驱动LED光源发出高频闪烁可见光；移动用户的光电二极管将接收到的可见光信号转换为电信号，经滤波、放大后输入解调电路，解调后的数据输入单片机控制器，最后由单片机进行数据分析、处理并执行控制输出。移动用户的反馈信息通过上述工作流程也可回传给照明灯具。

图4 LiFi 输入输出电路原理框图Fig.4 Principle block diagram of LiFi input and output circuit

图4中的各个器件均可设计集成于集成电路板上，因此移动端LiFi 通信模块十分小巧轻便，便于人员随身携带，也方便与普通的LED 照明灯具、现场监控设备、手持设备等集成。

由于LED 照明灯具集成了LiFi 通信接口，并且遍布全船舱室和通道，可视为LiFi 通信基站。当船舶内部的LiFi 移动用户进入某照明灯具的光照范围时，即可接收该灯具经可见光发布的信息，同时，移动用户也可利用自己的光源向该灯具反馈信息，从而实现信息交互及定位。

2）电力载波通信

图3中的上位机与船舶照明电网各照明灯具之间采用电力载波通信，其最大的优势在于：能够利用现有的照明电网电力线缆传输信号，而无需另外敷设通信线缆，最大程度的减小了建设工作量、降低了成本。如图3所示，电力载波通信的基本工程流程为照明灯具的单片机控制器将经由LiFi 接口收到的数据，发送给电力载波通信控制模块，电力载波通信控制模块将接收到的数据转换为载波信号，经耦合接口电路加载到照明电网电力线缆上对外传输；上位机端的电力载波通信控制模块接收到照明电网电力线缆传输的载波信号，将载波信号转换为数据发送给上位机的单片机控制器，单片机控制器完成数据处理后，经串口通信发送给上位机的工控计算机进行集中显示、分析、处理和存储。上位机的控制指令通过上述工作流程也可发送给各照明灯具，再由照明灯具经可见光通信发送给船内LiFi 移动用户。

由于电力载波通信在陆上照明系统中已得到了广泛应用，文献[13]介绍的道路照明控制系统就是其典型的应用案例，此外，已有诸多文献阐述了电力载波通信接口电路设计方案，因此本文不再赘述。

需要说明的是，基于前文所述的LiFi 通信技术特点，在船舶综合监控中应用LiFi 技术尚需注意以下几点：

（1）可见光沿直线传播，如有障碍物遮挡光线，会造成通信中断，因此移动端的光源及感光元件均应置于顶端，避免被遮挡。

（2）如果环境光源与LiFi 可见光的光谱频段相同，当环境光源较强时可能影响LiFi 正常通信，因此船舶内部LiFi 移动用户的发射光源和船舶照明光源的可见光频段应错开，另外，LiFi 不适用于船舶外部阳光直射区域。

4 结语

综上所述，本文介绍的基于LiFi 和照明电网电力载波通信的无线通信技术方案能够较好地解决船舶复杂环境下的无线通信电磁兼容性问题，并且无需重新敷设通信电缆，建设工作量较小、成本较低。LiFi 技术能够为船舶综合监控的船内人员定位及物品定位、移动呼叫、日常巡检信息交互、特殊舱室无线监测报警等具体应用场景提供便捷、可行的技术解决方案，是船舶内部无线通信技术的重点发展方向。另一方面，基于LiFi 和照明电网电力载波通信的无线通信技术方案也适用于矿井、地下坑道、地下防空设施、长途隧道以及水下大型作业平台等封闭区域的内部无线通信及定位等应用场景，有较为广阔的应用前景。