陽世榮

（中國艦船研究設計中心，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化水平[1]。隨著計算機技術、自動控制技術及信息技術的發(fā)展和應用，船舶綜合監(jiān)控的自動化水平不斷提升，通過實時監(jiān)測船舶內各種設備運行參數(shù)、艙室環(huán)境參數(shù)以及人員狀況，并及時采取控制干預措施，從而有力保障了船舶航行的安全性、可靠性和經(jīng)濟性[2-3]。由于船舶綜合監(jiān)控涉及的監(jiān)控對象遍布全船，因此相關的測量、控制及其通信傳輸網(wǎng)絡也遍布全船，現(xiàn)有的監(jiān)控系統(tǒng)均采用現(xiàn)場布線方式來構建監(jiān)控網(wǎng)絡，隨著現(xiàn)代船舶監(jiān)控規(guī)模和監(jiān)控節(jié)點的不斷增加，現(xiàn)場布線數(shù)量也隨之增加，必然導致成本增加和維護不便。當前日益發(fā)展和應用成熟的無線通信技術能夠較好地解決上述問題，并且特別適用于某些移動監(jiān)控場合。

由于船舶內部存在機艙、電子設備艙以及液艙、油艙等多種復雜環(huán)境，有的艙室電磁干擾強度大，有的艙室電磁敏感度特別高，大量自動化設備、電子設備的應用也導致船舶內部電磁環(huán)境和電磁干擾問題日趨復雜[4]，因此對無線通信的電磁兼容性要求極為嚴格，另外，船艙內過道空間狹窄、曲折，對無線電磁波的傳輸有很大影響[5]。通常的基于電磁波的無線通信技術難以滿足船舶內部復雜環(huán)境下的無線通信應用需求。本文介紹的LiFi（light fidelity） 技術采用可見光作為傳輸載體實現(xiàn)無線通信，并利用遍布全船的照明電網(wǎng)構建LiFi 與電力載波通信網(wǎng)絡，能夠較好地解決復雜電磁環(huán)境下的無線通信問題，且能降低建設成本。本文首先闡述LiFi工作原理及技術優(yōu)勢，分析其在船舶綜合監(jiān)控中的應用場景，并提出具體的應用技術方案，最后展望其應用前景。

1 LiFi 工作原理及技術優(yōu)勢

LiFi 是一種利用可見光為傳輸載體實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ偶夹g[6]，又稱為光保真技術。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)由調制編碼電路轉換成驅動信號，驅動發(fā)光二極管（light-emitting diode，LED）發(fā)出高頻明暗閃爍的可見光編碼信息，燈亮表示“1”，燈滅表示“0”，由于LED 光源閃爍頻率極高，人的肉眼無法察覺其閃爍；可見光接收器接收到可見光編碼信息，通過解調解碼電路即可恢復出發(fā)送的數(shù)據(jù)，從而完成了數(shù)據(jù)經(jīng)可見光的無線發(fā)送和接收。

由于LiFi 采用可見光而非電磁波作為信號傳輸載體，因此相比于普通的無線通信技術，LiFi 的技術優(yōu)勢如下所述：

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

（2） 可見光不存在電磁干擾和電磁敏感問題，可直接應用于船舶機艙、電子設備艙等復雜電磁環(huán)境場合，甚至可以用于水下機器人協(xié)同作業(yè)等電磁波無法傳播的場合[7]。

（3）傳輸速率高，可達50 Gbit/s。

（4）安全性高，可見光沿直線傳播，不會穿透艙壁或墻體等障礙物，杜絕了電磁信號泄露的問題。

2 LiFi 技術應用場景分析

船舶綜合監(jiān)控應用無線通信主要面臨兩大難題：一是船舶內部的各種艙室數(shù)量眾多，一般采用鋼結構艙壁，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，通常的電磁波無線通信穿透性較差，必須在每個艙室內設置無線網(wǎng)絡基站和通信電纜，建設工作量和投資較大；二是部分艙室，如機艙、電子設備艙的電磁環(huán)境復雜，電磁波無線通信難以滿足電磁兼容性要求。如前文所述，LiFi 自身的技術優(yōu)勢特別適合于解決電磁波無線通信應用于船舶綜合監(jiān)控時面臨的技術難題，并且，當今船舶已廣泛應用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能夠低成本的快速構建全船LiFi 通信網(wǎng)絡。典型的LiFi 應用場景如圖2所示。

圖2 典型的LiFi 應用場景示意圖Fig.2 Schematic diagram of typical LiFi application scenario

圖2中的移動用戶和照明燈具均集成了圖1所示的調制編碼電路、LED 光源以及可見光接收器、解調解碼電路，從而實現(xiàn)移動用戶與照明燈具之間的LiFi 通信；照明燈具通過電力載波通信，利用照明電網(wǎng)電力線傳輸數(shù)據(jù)給上位機，從而構建適用于船舶綜合監(jiān)控的無線通信網(wǎng)絡。其中，電力載波通信是指利用現(xiàn)有電力線纜通過載波方式將模擬或數(shù)字信號進行高速傳播的技術，其最大特點是不需要重新架設通信網(wǎng)絡，只要有電纜就能進行數(shù)據(jù)傳遞，是電力系統(tǒng)特有的通信方式，已廣泛應用于工業(yè)控制、電能管理、智能家居等領域[10-11]。因此，圖2所示典型應用場景的信息流程為：上位機發(fā)出的數(shù)據(jù)通過電力載波通信，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光，船舶內部的移動用戶接收可見光信息并解碼恢復出上位機傳遞的數(shù)據(jù)；用戶的反饋信息同樣可經(jīng)由可見光發(fā)送給LED 照明燈具，由照明燈具自帶的可見光接收器感知，然后解碼成數(shù)據(jù)再通過照明電網(wǎng)電力線載波通信傳遞給上位機接收。

LiFi 技術與船舶照明電網(wǎng)電力線載波通信相結合，為船舶綜合監(jiān)控提供了一個快捷經(jīng)濟的無線通信應用解決方案，特別適用于艙內人員及物品定位、移動呼叫、日常巡檢信息交互、特殊艙室無線監(jiān)測報警等具體應用場合。下面以人員定位為例做具體應用場景說明，船舶由于其環(huán)境特殊性，用常規(guī)手段進行人員定位比較困難，而有效的人員定位對于考勤管理、訪客監(jiān)控及遇險應急救援具有重要意義[12]。應用LiFi 技術和照明電網(wǎng)電力載波通信后，給船上每個人佩戴具有發(fā)射信息功能的LED 光源作為移動節(jié)點，考慮到光線直線傳播特性，佩戴部位可置于頭部或者肩部，移動節(jié)點LED 光源周期性發(fā)送所佩戴人員的身份信息；當船內人員到達某個照明燈具附近時，燈具上的感光元件接收到人員身上發(fā)出的可見光，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照明電網(wǎng)電力線載波通信發(fā)送至上位機，從而實現(xiàn)了全船人員的實時定位監(jiān)控。

3 應用技術方案

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

圖3 LiFi 應用技術方案原理框圖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的移動用戶采用LiFi 可見光通信。圖3中的移動用戶和LED 照明燈具均配置LED 光源及其驅動電路、感光元件及其光電轉換電路，由單片機控制器進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控制器，單片機將數(shù)據(jù)轉換為輸出電平信號經(jīng)放大電路、調制電路和LED 驅動電路，最后驅動LED光源發(fā)出高頻閃爍可見光；移動用戶的光電二極管將接收到的可見光信號轉換為電信號，經(jīng)濾波、放大后輸入解調電路，解調后的數(shù)據(jù)輸入單片機控制器，最后由單片機進行數(shù)據(jù)分析、處理并執(zhí)行控制輸出。移動用戶的反饋信息通過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中的各個器件均可設計集成于集成電路板上，因此移動端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)場監(jiān)控設備、手持設備等集成。

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LiFi 通信基站。當船舶內部的LiFi 移動用戶進入某照明燈具的光照范圍時，即可接收該燈具經(jīng)可見光發(fā)布的信息，同時，移動用戶也可利用自己的光源向該燈具反饋信息，從而實現(xiàn)信息交互及定位。

2）電力載波通信

圖3中的上位機與船舶照明電網(wǎng)各照明燈具之間采用電力載波通信，其最大的優(yōu)勢在于：能夠利用現(xiàn)有的照明電網(wǎng)電力線纜傳輸信號，而無需另外敷設通信線纜，最大程度的減小了建設工作量、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)轉換為載波信號，經(jīng)耦合接口電路加載到照明電網(wǎng)電力線纜上對外傳輸；上位機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，將載波信號轉換為數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機的單片機控制器，單片機控制器完成數(shù)據(jù)處理后，經(jīng)串口通信發(fā)送給上位機的工控計算機進行集中顯示、分析、處理和存儲。上位機的控制指令通過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)可見光通信發(fā)送給船內LiFi 移動用戶。

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

需要說明的是，基于前文所述的LiFi 通信技術特點，在船舶綜合監(jiān)控中應用LiFi 技術尚需注意以下幾點：

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

（2）如果環(huán)境光源與LiFi 可見光的光譜頻段相同，當環(huán)境光源較強時可能影響LiFi 正常通信，因此船舶內部LiFi 移動用戶的發(fā)射光源和船舶照明光源的可見光頻段應錯開，另外，LiFi 不適用于船舶外部陽光直射區(qū)域。

4 結語

綜上所述，本文介紹的基于LiFi 和照明電網(wǎng)電力載波通信的無線通信技術方案能夠較好地解決船舶復雜環(huán)境下的無線通信電磁兼容性問題，并且無需重新敷設通信電纜，建設工作量較小、成本較低。LiFi 技術能夠為船舶綜合監(jiān)控的船內人員定位及物品定位、移動呼叫、日常巡檢信息交互、特殊艙室無線監(jiān)測報警等具體應用場景提供便捷、可行的技術解決方案，是船舶內部無線通信技術的重點發(fā)展方向。另一方面，基于LiFi 和照明電網(wǎng)電力載波通信的無線通信技術方案也適用于礦井、地下坑道、地下防空設施、長途隧道以及水下大型作業(yè)平臺等封閉區(qū)域的內部無線通信及定位等應用場景，有較為廣闊的應用前景。