LiFi技術(shù)在船舶綜合監(jiān)控中的應(yīng)用探討

陽(yáng)世榮

（中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064）

船舶綜合監(jiān)控系統(tǒng)是現(xiàn)代船舶最重要的組成部分之一，直接反映船舶綜合自動(dòng)化水平[1]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)及信息技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，船舶綜合監(jiān)控的自動(dòng)化水平不斷提升，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)船舶內(nèi)各種設(shè)備運(yùn)行參數(shù)、艙室環(huán)境參數(shù)以及人員狀況，并及時(shí)采取控制干預(yù)措施，從而有力保障了船舶航行的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性[2-3]。由于船舶綜合監(jiān)控涉及的監(jiān)控對(duì)象遍布全船，因此相關(guān)的測(cè)量、控制及其通信傳輸網(wǎng)絡(luò)也遍布全船，現(xiàn)有的監(jiān)控系統(tǒng)均采用現(xiàn)場(chǎng)布線方式來(lái)構(gòu)建監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，隨著現(xiàn)代船舶監(jiān)控規(guī)模和監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的不斷增加，現(xiàn)場(chǎng)布線數(shù)量也隨之增加，必然導(dǎo)致成本增加和維護(hù)不便。當(dāng)前日益發(fā)展和應(yīng)用成熟的無(wú)線通信技術(shù)能夠較好地解決上述問(wèn)題，并且特別適用于某些移動(dòng)監(jiān)控場(chǎng)合。

由于船舶內(nèi)部存在機(jī)艙、電子設(shè)備艙以及液艙、油艙等多種復(fù)雜環(huán)境，有的艙室電磁干擾強(qiáng)度大，有的艙室電磁敏感度特別高，大量自動(dòng)化設(shè)備、電子設(shè)備的應(yīng)用也導(dǎo)致船舶內(nèi)部電磁環(huán)境和電磁干擾問(wèn)題日趨復(fù)雜[4]，因此對(duì)無(wú)線通信的電磁兼容性要求極為嚴(yán)格，另外，船艙內(nèi)過(guò)道空間狹窄、曲折，對(duì)無(wú)線電磁波的傳輸有很大影響[5]。通常的基于電磁波的無(wú)線通信技術(shù)難以滿足船舶內(nèi)部復(fù)雜環(huán)境下的無(wú)線通信應(yīng)用需求。本文介紹的LiFi（light fidelity） 技術(shù)采用可見(jiàn)光作為傳輸載體實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信，并利用遍布全船的照明電網(wǎng)構(gòu)建LiFi 與電力載波通信網(wǎng)絡(luò)，能夠較好地解決復(fù)雜電磁環(huán)境下的無(wú)線通信問(wèn)題，且能降低建設(shè)成本。本文首先闡述LiFi工作原理及技術(shù)優(yōu)勢(shì)，分析其在船舶綜合監(jiān)控中的應(yīng)用場(chǎng)景，并提出具體的應(yīng)用技術(shù)方案，最后展望其應(yīng)用前景。

1 LiFi 工作原理及技術(shù)優(yōu)勢(shì)

LiFi 是一種利用可見(jiàn)光為傳輸載體實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ偶夹g(shù)[6]，又稱為光保真技術(shù)。LiFi 工作原理如圖1所示。

圖1 LiFi 工作原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of LiFi working principle

待發(fā)送的數(shù)據(jù)經(jīng)由調(diào)制編碼電路轉(zhuǎn)換成驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管（light-emitting diode，LED）發(fā)出高頻明暗閃爍的可見(jiàn)光編碼信息，燈亮表示“1”，燈滅表示“0”，由于LED 光源閃爍頻率極高，人的肉眼無(wú)法察覺(jué)其閃爍；可見(jiàn)光接收器接收到可見(jiàn)光編碼信息，通過(guò)解調(diào)解碼電路即可恢復(fù)出發(fā)送的數(shù)據(jù)，從而完成了數(shù)據(jù)經(jīng)可見(jiàn)光的無(wú)線發(fā)送和接收。

由于LiFi 采用可見(jiàn)光而非電磁波作為信號(hào)傳輸載體，因此相比于普通的無(wú)線通信技術(shù)，LiFi 的技術(shù)優(yōu)勢(shì)如下所述：

（1）可見(jiàn)光頻譜資源豐富，可見(jiàn)光頻譜寬度是無(wú)線電頻譜的10000 倍[6]，可以從根本上解決現(xiàn)有無(wú)線電通信頻譜資源緊張的問(wèn)題。

（2） 可見(jiàn)光不存在電磁干擾和電磁敏感問(wèn)題，可直接應(yīng)用于船舶機(jī)艙、電子設(shè)備艙等復(fù)雜電磁環(huán)境場(chǎng)合，甚至可以用于水下機(jī)器人協(xié)同作業(yè)等電磁波無(wú)法傳播的場(chǎng)合[7]。

（3）傳輸速率高，可達(dá)50 Gbit/s。

（4）安全性高，可見(jiàn)光沿直線傳播，不會(huì)穿透艙壁或墻體等障礙物，杜絕了電磁信號(hào)泄露的問(wèn)題。

2 LiFi 技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景分析

船舶綜合監(jiān)控應(yīng)用無(wú)線通信主要面臨兩大難題：一是船舶內(nèi)部的各種艙室數(shù)量眾多，一般采用鋼結(jié)構(gòu)艙壁，且有大量艙室為密閉環(huán)境，艙外通道狹窄曲折，因此在這種環(huán)境下，通常的電磁波無(wú)線通信穿透性較差，必須在每個(gè)艙室內(nèi)設(shè)置無(wú)線網(wǎng)絡(luò)基站和通信電纜，建設(shè)工作量和投資較大；二是部分艙室，如機(jī)艙、電子設(shè)備艙的電磁環(huán)境復(fù)雜，電磁波無(wú)線通信難以滿足電磁兼容性要求。如前文所述，LiFi 自身的技術(shù)優(yōu)勢(shì)特別適合于解決電磁波無(wú)線通信應(yīng)用于船舶綜合監(jiān)控時(shí)面臨的技術(shù)難題，并且，當(dāng)今船舶已廣泛應(yīng)用LED 光源作為照明燈具[8-9]，利用全船照明電網(wǎng)的LED 燈具以及電力載波通信技術(shù)能夠低成本的快速構(gòu)建全船LiFi 通信網(wǎng)絡(luò)。典型的LiFi 應(yīng)用場(chǎng)景如圖2所示。

圖2 典型的LiFi 應(yīng)用場(chǎng)景示意圖Fig.2 Schematic diagram of typical LiFi application scenario

圖2中的移動(dòng)用戶和照明燈具均集成了圖1所示的調(diào)制編碼電路、LED 光源以及可見(jiàn)光接收器、解調(diào)解碼電路，從而實(shí)現(xiàn)移動(dòng)用戶與照明燈具之間的LiFi 通信；照明燈具通過(guò)電力載波通信，利用照明電網(wǎng)電力線傳輸數(shù)據(jù)給上位機(jī)，從而構(gòu)建適用于船舶綜合監(jiān)控的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)。其中，電力載波通信是指利用現(xiàn)有電力線纜通過(guò)載波方式將模擬或數(shù)字信號(hào)進(jìn)行高速傳播的技術(shù)，其最大特點(diǎn)是不需要重新架設(shè)通信網(wǎng)絡(luò)，只要有電纜就能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，是電力系統(tǒng)特有的通信方式，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、電能管理、智能家居等領(lǐng)域[10-11]。因此，圖2所示典型應(yīng)用場(chǎng)景的信息流程為：上位機(jī)發(fā)出的數(shù)據(jù)通過(guò)電力載波通信，經(jīng)照明電網(wǎng)電力線傳遞給分布全船的LED 照明燈具；LED 照明燈具發(fā)出加載了編碼信息的可見(jiàn)光，船舶內(nèi)部的移動(dòng)用戶接收可見(jiàn)光信息并解碼恢復(fù)出上位機(jī)傳遞的數(shù)據(jù)；用戶的反饋信息同樣可經(jīng)由可見(jiàn)光發(fā)送給LED 照明燈具，由照明燈具自帶的可見(jiàn)光接收器感知，然后解碼成數(shù)據(jù)再通過(guò)照明電網(wǎng)電力線載波通信傳遞給上位機(jī)接收。

LiFi 技術(shù)與船舶照明電網(wǎng)電力線載波通信相結(jié)合，為船舶綜合監(jiān)控提供了一個(gè)快捷經(jīng)濟(jì)的無(wú)線通信應(yīng)用解決方案，特別適用于艙內(nèi)人員及物品定位、移動(dòng)呼叫、日常巡檢信息交互、特殊艙室無(wú)線監(jiān)測(cè)報(bào)警等具體應(yīng)用場(chǎng)合。下面以人員定位為例做具體應(yīng)用場(chǎng)景說(shuō)明，船舶由于其環(huán)境特殊性，用常規(guī)手段進(jìn)行人員定位比較困難，而有效的人員定位對(duì)于考勤管理、訪客監(jiān)控及遇險(xiǎn)應(yīng)急救援具有重要意義[12]。應(yīng)用LiFi 技術(shù)和照明電網(wǎng)電力載波通信后，給船上每個(gè)人佩戴具有發(fā)射信息功能的LED 光源作為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，考慮到光線直線傳播特性，佩戴部位可置于頭部或者肩部，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)LED 光源周期性發(fā)送所佩戴人員的身份信息；當(dāng)船內(nèi)人員到達(dá)某個(gè)照明燈具附近時(shí)，燈具上的感光元件接收到人員身上發(fā)出的可見(jiàn)光，即可將該人員的身份信息及該燈具所在船艙位置信息通過(guò)照明電網(wǎng)電力線載波通信發(fā)送至上位機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)了全船人員的實(shí)時(shí)定位監(jiān)控。

3 應(yīng)用技術(shù)方案

船舶綜合監(jiān)控中的LiFi 應(yīng)用技術(shù)方案原理如圖3所示，主要包括LiFi 通信和電力載波通信兩大部分。

圖3 LiFi 應(yīng)用技術(shù)方案原理框圖Fig.3 Principle block diagram of LiFi application technology scheme

1）LiFi 通信

分布全船的LED 照明燈具與其光照范圍內(nèi)的移動(dòng)用戶采用LiFi 可見(jiàn)光通信。圖3中的移動(dòng)用戶和LED 照明燈具均配置LED 光源及其驅(qū)動(dòng)電路、感光元件及其光電轉(zhuǎn)換電路，由單片機(jī)控制器進(jìn)行輸入輸出控制及數(shù)據(jù)處理。LiFi 輸入輸出接口電路原理如圖4所示，其基本工作流程為：來(lái)源于照明電網(wǎng)電力線載波通信的數(shù)據(jù)發(fā)送至照明燈具單片機(jī)控制器，單片機(jī)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為輸出電平信號(hào)經(jīng)放大電路、調(diào)制電路和LED 驅(qū)動(dòng)電路，最后驅(qū)動(dòng)LED光源發(fā)出高頻閃爍可見(jiàn)光；移動(dòng)用戶的光電二極管將接收到的可見(jiàn)光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)濾波、放大后輸入解調(diào)電路，解調(diào)后的數(shù)據(jù)輸入單片機(jī)控制器，最后由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、處理并執(zhí)行控制輸出。移動(dòng)用戶的反饋信息通過(guò)上述工作流程也可回傳給照明燈具。

圖4 LiFi 輸入輸出電路原理框圖Fig.4 Principle block diagram of LiFi input and output circuit

圖4中的各個(gè)器件均可設(shè)計(jì)集成于集成電路板上，因此移動(dòng)端LiFi 通信模塊十分小巧輕便，便于人員隨身攜帶，也方便與普通的LED 照明燈具、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控設(shè)備、手持設(shè)備等集成。

由于LED 照明燈具集成了LiFi 通信接口，并且遍布全船艙室和通道，可視為L(zhǎng)iFi 通信基站。當(dāng)船舶內(nèi)部的LiFi 移動(dòng)用戶進(jìn)入某照明燈具的光照范圍時(shí)，即可接收該燈具經(jīng)可見(jiàn)光發(fā)布的信息，同時(shí)，移動(dòng)用戶也可利用自己的光源向該燈具反饋信息，從而實(shí)現(xiàn)信息交互及定位。

2）電力載波通信

圖3中的上位機(jī)與船舶照明電網(wǎng)各照明燈具之間采用電力載波通信，其最大的優(yōu)勢(shì)在于：能夠利用現(xiàn)有的照明電網(wǎng)電力線纜傳輸信號(hào)，而無(wú)需另外敷設(shè)通信線纜，最大程度的減小了建設(shè)工作量、降低了成本。如圖3所示，電力載波通信的基本工程流程為照明燈具的單片機(jī)控制器將經(jīng)由LiFi 接口收到的數(shù)據(jù)，發(fā)送給電力載波通信控制模塊，電力載波通信控制模塊將接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為載波信號(hào)，經(jīng)耦合接口電路加載到照明電網(wǎng)電力線纜上對(duì)外傳輸；上位機(jī)端的電力載波通信控制模塊接收到照明電網(wǎng)電力線纜傳輸?shù)妮d波信號(hào)，將載波信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)的單片機(jī)控制器，單片機(jī)控制器完成數(shù)據(jù)處理后，經(jīng)串口通信發(fā)送給上位機(jī)的工控計(jì)算機(jī)進(jìn)行集中顯示、分析、處理和存儲(chǔ)。上位機(jī)的控制指令通過(guò)上述工作流程也可發(fā)送給各照明燈具，再由照明燈具經(jīng)可見(jiàn)光通信發(fā)送給船內(nèi)LiFi 移動(dòng)用戶。

由于電力載波通信在陸上照明系統(tǒng)中已得到了廣泛應(yīng)用，文獻(xiàn)[13]介紹的道路照明控制系統(tǒng)就是其典型的應(yīng)用案例，此外，已有諸多文獻(xiàn)闡述了電力載波通信接口電路設(shè)計(jì)方案，因此本文不再贅述。

需要說(shuō)明的是，基于前文所述的LiFi 通信技術(shù)特點(diǎn)，在船舶綜合監(jiān)控中應(yīng)用LiFi 技術(shù)尚需注意以下幾點(diǎn)：

（1）可見(jiàn)光沿直線傳播，如有障礙物遮擋光線，會(huì)造成通信中斷，因此移動(dòng)端的光源及感光元件均應(yīng)置于頂端，避免被遮擋。

（2）如果環(huán)境光源與LiFi 可見(jiàn)光的光譜頻段相同，當(dāng)環(huán)境光源較強(qiáng)時(shí)可能影響LiFi 正常通信，因此船舶內(nèi)部LiFi 移動(dòng)用戶的發(fā)射光源和船舶照明光源的可見(jiàn)光頻段應(yīng)錯(cuò)開(kāi)，另外，LiFi 不適用于船舶外部陽(yáng)光直射區(qū)域。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文介紹的基于LiFi 和照明電網(wǎng)電力載波通信的無(wú)線通信技術(shù)方案能夠較好地解決船舶復(fù)雜環(huán)境下的無(wú)線通信電磁兼容性問(wèn)題，并且無(wú)需重新敷設(shè)通信電纜，建設(shè)工作量較小、成本較低。LiFi 技術(shù)能夠?yàn)榇熬C合監(jiān)控的船內(nèi)人員定位及物品定位、移動(dòng)呼叫、日常巡檢信息交互、特殊艙室無(wú)線監(jiān)測(cè)報(bào)警等具體應(yīng)用場(chǎng)景提供便捷、可行的技術(shù)解決方案，是船舶內(nèi)部無(wú)線通信技術(shù)的重點(diǎn)發(fā)展方向。另一方面，基于LiFi 和照明電網(wǎng)電力載波通信的無(wú)線通信技術(shù)方案也適用于礦井、地下坑道、地下防空設(shè)施、長(zhǎng)途隧道以及水下大型作業(yè)平臺(tái)等封閉區(qū)域的內(nèi)部無(wú)線通信及定位等應(yīng)用場(chǎng)景，有較為廣闊的應(yīng)用前景。