物联网在智能船上应用的研究

高春晓 邹智曦 吴作阳

摘    要：随着通信电子技术迅猛发展，物联网技术在制造行业得到广泛应用。物联网技术利用芯片、传感器、网络实现数据采集传输，在网络化、数字化的大趋势下，未来物联网将在智能船上广泛应用。本文研究物联网在智能船中应用的网络搭建问题。

关键词：物联网；芯片；传感器；网络搭建

中图分类号：U662.2                              文献标识码：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

全球已进入工业革命4.0时代，其特征是网络化、数字化和智能化。它对国内船舶制造行业的发展既是机遇又是挑战，造船业的发展，需要调整和优化结构，积极向网络化、数字化、智能化领域进军。

船舶的智能化，归根结底离不开强大的控制系统。传统的船舶设计是布置硬线电缆，控制系统越强大，相应的电缆量也就越多。但是，随着船舶的智能化程度越来越高，大量的布线已经难以解决根本问题，且电缆量太多也会导致施工难度和成本增加。

目前网络化已经在船舶建造和运营中初见倪端。例如：船舶设备供应商康士伯的大包设备，通过设备内部软件及程序的设置，再加上设备之间网线的连接，打造一个个小型网络子系统，通过这样的设计减少硬线的布线，只需一个端口就可以实现所有设备信息的读取。如果信号形式相同且通过网络授权，其它厂家的设备也可以在网内进行信号传输；同理，船上其它不同厂家的设备，通过适当的程序编写、软件及芯片设置，同样可以搭建自己的网络子系统。

随着物联网时代的来临，通过无线传输打造无线网络已经成为控制系统发展的趋势。物联网是智能船未来的发展方向，也是数字化时代的大势所趋，它的应用不但可以减少船舶建造过程中的硬线敷设，减少物量及施工成本，而且可以实现船舶运营过程中的信息数字化集成处理，进一步减少人工成本，逐步实现无人驾驶。

2    物联网简介

物联网顾名思义就是物物相连的互联网，它是采用无线射频识别技术以及红外传感器、激光扫描器等传感设备，通过实时监控、感知相关物品及其过程信息，以此来实现对物品智能化识别和管理。例如：目前我国的鸿蒙系统，利用无线传输技术建立无线网络系统，实现多个设备之间信号传输和数据交换，在一个界面进行集中控制。如果信号的传输网络和传输技术得以解决，那么就可以实现全船信号的集中自动监测与控制，管理人员可以实时对船舶或者关键设备的关键数据进行远程动态监控并发送指令。

以鸿蒙全屋智能系统为例：2021年华为全屋智能系统全面开售，该产品是华为自行研发的工业级PLC芯片首次应用到家庭系统。目前，鸿蒙系统可搭载1000多种品牌，提供3 000多款智能硬件。低碳设计的PLC实现了多网融合，相比传统的有线系统节省38%布线，能在保证卓越性能的同时大幅降低能耗。

鸿蒙搭载系统可以在新造船舶上应用，甚至可以在船舶修理改装上应用。通过联合船用设备开发芯片、传感器，并根据船上特殊环境开发满足船舶生产运营需要的网络，通过多网连接减少船上电缆布置，实现船舶设备万物相连。物联网在船舶上的应用，不仅能够降低船上油耗，减少人工，而且可以实现船舶集中控制，提高船舶的安全性，并加强船上设备性能检测，逐步实现船舶智能化。

3    船舶物联网实现要素

3.1   芯片

物联网集成芯片，可分为运算处理芯片、通信芯片、功率驱动芯片等。本文主要研究可以应用在智能船上的通信芯片。

在智能船的发展过程中，芯片的發展起到至关重要的作用。智能设备无线传输首先要由芯片发送信号，比较常见的有RF芯片，即radio frequency--射频，是在300 kHz-300 GHz范围的高频交流变化电磁波，能够将无线信号的通讯转换为特定的无线信号波形，并通过天线谐振发送出去。射频是无线产品中的一个关键部件，主要的功能为射频收发、频率合成和功率放大。根据各种设备的不同性能以及信号传输速率、距离要求，开发满足相关通信要求的RF芯片并植入设备，还需要满足无线传输的硬件条件，设备之间才能实现信号的无线传输。

需要注意的是：很多芯片在设计阶段几乎都没有考虑到安全性，芯片设计师普遍认为安全性主要依靠软件实现，也就是通过软件加密来改善系统安全，但是在万物互联时代，数据被窃取、机器被操纵的可能性将增加。例如：黑客袭击船上网络可能不仅袭击船上网络系统，甚至可以通过操纵芯片篡改船舶的航行数据，改变船舶的航行方向，甚至引发船舶爆炸，因此在IOT芯片的开发过程中，安全性是必须考虑的因素。

3.2   传感器

传感器能将物理量、化学量、生物量按照一定规律实现信号转换，通常是转换成方便测量的电信号。在物联网领域，大多数传感器都是嵌入到芯片中，在船上相邻的设备使用蓝牙传感器可以实现数据交换，或者传感器将数据传输到主数据分配单元。

3.3   无线网络搭建

按照网络的覆盖范围，可以将无线网络划分为局域网和广域网：局域网就是在一定地理范围内形成的一个封闭型网络，分布范围比较有限，目前无线局域网的主要实现形式有蓝牙、WIFI、ZigBee等；广域网也叫远程网，通常是跨界很大范围的网络，广域网的组建需要基站和交换机，主要是电信机构及相关公司进行组建和运营，目前常见的广域网有4G/5G以及NB-Iot。

按照网络的组织形式，无线移动网络分为两种：基于网络基础设施的网络和无网络设施的网络。基于网络基础设施的网络，常见的有WIFI 、NB-IOT；无网络设施的网络也就是自组织网，没有固定的路由器，例如无线传感器网络，它的节点可以随意移动并可以任意方式相互通信。

针对无线局域网，目前主流的无线传输技术可以应用到智能船舶中的有以下几种：

（1）蓝牙

蓝牙在本质上不属于网络，它是一种通讯技术标准，包括无线数据和语音通信。蓝牙的组建主要依赖于芯片，一般是由两块芯片（射频芯片及基带控制芯片）组成；蓝牙的传输距离大约是8～30 m，受到无线信号和墙体干扰后，一般传输距离在10 m左右，在使用放大器的情况下传输距离可以达到100 m，但是放大器额外成本较高；理论上蓝牙最多可以连接7个设备，但实际应用中一般最多连接3～4个设备。

蓝牙非常适合使用小电池供电且短距离内传输小数据包的情况，目前被广泛应用在智能家居领域，可以在突然断网没有WIFI的情况下保障智能家居设备工作的连续性。基于蓝牙传输距离以及连接设备数量的限制，船上蓝牙的使用可以考虑同一个房间小系统的3～4个小设备的数据连接。

（2）WIFI

WIFI是当前应用最广泛的无线网络传输手段，一般主要在室内应用。WIFI传输的缺点是通信质量一般，数据安全性能不及蓝牙，传输质量也有待提高。其最大的优势是传输速度快，速率可达54 Mbps，而且不需要考虑布线的问题，也就是说没有布线条件的制约。与蓝牙相比，WIFI的传输距离较大，传输距离通常能达到100 m，且传输速度非常快。WIFI的缺点是能耗较大，不像蓝牙小电池就可以解决能耗问题。并且发射信号功率较低（小于100 mW），比手机发射功率还要低，所以WiFi网比较安全健康。

WIFI在日常生活中非常常见，已经深入到智能化产业的各个方面。目前WIFI在家庭中使用的方式是采用无线路由器，将信号通过天线转发给附近的无线网络设备；采用同样的方法，WiFi也适用于船舶运行和生活，通过开发内置WIFI功能的设备，外加通过合理布置路由器的方法，建立船舶局域网；参照鸿蒙的全屋智能系统采用两层网络，第一层采用工业PLC控制器，第二层通过合理的布置路由器实现信号全覆盖。

我司自主研发设计的152 000 DWT穿梭油轮上可以看到很多智能化、数字化的缩影，WIFI路由器的布置可以参照该油轮UHF系统的设计。在上建、机舱、艏部的每一层设置信号分配器以及UHF室内天线，实现全船信号的全覆盖。以该油轮航行设备间为例，尺寸大约是3 mx10 m，房间内布置有动力定位、通导、中控的电气控制箱和相关设备共54个，如果厂家通过技术创新在设备内置WIFI芯片，该房间内40个设备的信号可以通过WIFI传输，此项举措可节约电缆长度930 m，节约成本约2万元。

（3）Zigbee

Zigbee是短距离、低功耗的无线通信技术，比蓝牙和WIFI的功耗都要低，主要适用于自动以及远程控制相关领域。Zigbee使用免费的频率，在2.4 G下速率最高，传输距離室内大约是10～20 m，室外可达到300 m。其缺点是数据速率较低。

生活中常见的应用有智能家电，如2015年小米推出的智能家居产品全都支持Zigbee；Zigbee无线传感系统也在苏南运河得到广泛应用，航道两岸标志牌的倾倒、移动、损坏情况以及航道水位的实时检测，通过无线传感网络发布于可变报板上。

Zigbee已经成为物联网行业一种主流技术，广泛应用在工业、农业、医疗监护、智能家居等领域。例如：可用于厂房内粉尘和有毒气体数据采集分析；在农业种植中进行温湿度、PH值的实时探测监控分析；在矿井进行环境监测、语音通讯以及人员位置定位等，可以在船上冷库以及死人报警方面应用。

（4）无线传感器网络

物联网在智能船的应用，传感器起到了不容忽视的作用，不仅能作为信号的发送端和接收端，还可以作为信息的载体参与到组成网络中。

无线传感器网络，是由传感器节点构成的分布式多跳自组织网络，节点兼有传感、数据收集和无线通信功能。其中的节点，可以协作感知、收集和处理网络覆盖范围内数据信息并进行集成，而后将数据传送到基站，从而达到覆盖范围内的实时监测。

无线传感网络是一个系统架构，可以基于Zigbee这项技术来实现，也可以通过其它无线通信的方式实现，比如wifi、 蓝牙等。

在机舱和货舱传感器较多的地方，可以利用得天独厚的条件，使用传感器组成的网络，将传感器作为信号的采集端、发送端，实现数据的实时监控发送。

（5）NB-IoT

NB-IoT即窄带物联网，是万物互联网络的重要分支，该项技术既可应用于局域网也可应用于广域网。该项技术已广泛应用在智慧停车、智能抄表、智能家居、智慧交通、智慧农业等领域，高通、中国移动、中国联通等主流运营商以及其它主流芯片商均加入了该阵营。

NB-IOT不是自组织网络，它的搭建需要一定的网络基础设施，包括终端、基站以及工业应用服务器。它的特点就是覆盖深度比较深，可以解决地下室和停车场信号差的问题，可以应用在智能船上传统设计中的信号差、信号难以覆盖的区域，如机舱和艏部等区域。

综合考虑以上无线传输技术的特点，目前WIFI、蓝牙、NB-I0T需要芯片，WIFI、NB-I0T的信号传输需要外部网络的加持，而Zigbee可以使用无线传感器技术自行组建网络，无线传感器可以自行获取能量，无线传感器网络是自组织网络，但是自组织网络不一定是传感器网络。

WIFI、蓝牙、Zigbee都是基于2.4 GHz频段的，在这个无线设备爆发的时代，这个频段已经越来越拥挤，相应的信号干扰问题会越来越严重，在无线产品中频率越高、距离越短、穿墙性越差，这也是subGHz越来越受到重视的原因。

考虑到基站覆盖距离以及远洋航线上复杂的海况等实际情况，在目前物联网发展的初级阶段，广域网只适合于近海的情况，随着科技的发展，广域网在远洋船舶上的应用也能变成现实。

4     结束语

物联网在智能船上的应用，随着科学技术迅猛发展[1]，在日常设计工作中要通过不断的知识积累并拓展新思路、新方法，不断运用新的技术手段进行迭代。物联网技术在船舶上应用是未来船舶智能化的必然趋势，将极大地提高船舶建造及运营过程中的生产效率、经济效益以及安全性。科技的最终目标是改善我们的生活，无人驾驶在不久的将来会广泛地走进我们的生活。

参考文献

[1]高春晓.提高船舶电气设备电磁兼容性的探讨[J]. 基层建设，2017，

32： 299-300.