隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷滲透，全球數(shù)十億乃至數(shù)百億的設(shè)備正在被聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)前所未有的數(shù)據(jù)采集、傳輸與智能控制。未來，當(dāng)衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)能讓整個地球表面完成無縫連接，IoT 技術(shù)還有哪些方向可以“卷”？物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)初創(chuàng)公司 CSignum 給出的答案是——水下、冰川、土壤、巖石和混凝土之間。
前不久，CSignum 宣布完成 600 萬英鎊（約合5700 萬人民幣）的 A 輪融資。該公司宣稱已開發(fā)出一項(xiàng)創(chuàng)新的無線通信技術(shù)，能夠通過專利的電磁場信號（EMFS），在水、冰、土壤等介質(zhì)中傳輸數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)與地面網(wǎng)絡(luò)的連接。本輪融資由 Archangels、Par Equity 和 Scottish Enterprise 聯(lián)合領(lǐng)投，所得資金將用于加速其 EM-2 產(chǎn)品組合的市場拓展，并推進(jìn)水下無線通信網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)。
據(jù)介紹，CSignum 當(dāng)前的客戶遍布英國、歐盟和美國市場，其技術(shù)可廣泛應(yīng)用于水質(zhì)與環(huán)境監(jiān)測、船底無線監(jiān)測，以及海上風(fēng)電場和油氣平臺等關(guān)鍵水下基礎(chǔ)設(shè)施的安全防護(hù)等場景。此外，CSignum 還通過其“CSignum 云”平臺，向客戶提供數(shù)據(jù)儀表盤和分析服務(wù)。
Archangels 投資經(jīng)理 Dan McKiddie 表示：“CSignum 開發(fā)出了一項(xiàng)真正獨(dú)特的技術(shù)突破，這可能會改變那些依賴水下作業(yè)可靠數(shù)據(jù)的行業(yè)格局。我們期待著支持管理團(tuán)隊(duì)擴(kuò)大業(yè)務(wù)規(guī)模，并顛覆全球水下通信市場?！?/p>
預(yù)計水下通信市場規(guī)模將從 2024 年的 51 億美元翻一番，到 2032 年增至 102 億美元。以此為背景，本文將介紹 CSignum 專利技術(shù)的創(chuàng)新之處，以及其在拓展更多物聯(lián)網(wǎng)場景方面的可能。
電磁場信號通信：填補(bǔ)連接性空白的關(guān)鍵技術(shù)
無論是近海油氣平臺、深?？碧?、海洋養(yǎng)殖，還是環(huán)境監(jiān)測，可靠無縫的水下通信對于保障操作的成功、安全與效率至關(guān)重要。同樣，發(fā)展地下通信能力也極為關(guān)鍵，例如在雨水排水系統(tǒng)中部署傳感器，實(shí)現(xiàn)聯(lián)動監(jiān)控，這也是水下與地下物聯(lián)網(wǎng)融合產(chǎn)生價值的關(guān)鍵場景。
然而，水下和地下環(huán)境存在獨(dú)特挑戰(zhàn)，會妨礙傳統(tǒng)通信方式的正常運(yùn)行。
文獻(xiàn)資料顯示，電磁波在海水中的傳輸衰減較大，表現(xiàn)出明顯的頻率相關(guān)性，常見的 2.4 GHz 無線藍(lán)牙模塊在水下僅能傳播數(shù)十厘米。此外，水下環(huán)境具有獨(dú)特的物理特征，鹽濃度、壓力、溫度、風(fēng)浪等因素導(dǎo)致海水中的電磁波衰減較為嚴(yán)重（且衰減程度隨著電磁波頻率的增加而急劇增加），因而電磁波在水下的傳播距離受限。盡管超低頻電磁波（30~300 Hz）可在海水中傳輸超過100m，但需要大規(guī)模的發(fā)射天線基站、大尺寸的接收天線，對于體積較小的水下平臺而言并無實(shí)用價值。
除了介質(zhì)本身帶來的阻礙外，還存在定位問題。例如，在河流或水道旁部署調(diào)制解調(diào)器等設(shè)備時，其體積和訪問受限可能導(dǎo)致需要從地方政府或居民處獲得復(fù)雜許可。同時，本地活動可能損壞敏感設(shè)備、擾動傳感器，造成高頻率維護(hù)。
正因如此，CSignum 團(tuán)隊(duì)開創(chuàng)了真正的多域通信方案，將海洋、大氣與陸地連接起來，采用其專利的低頻電磁場信號（EMFS）系統(tǒng)，其宣稱該項(xiàng)創(chuàng)新的技術(shù)目前是為數(shù)不多的、能夠自主可靠地跨越水—?dú)膺吔邕M(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆桨钢弧?/strong>
低頻電磁通信使得 CSignum EM-2 可突破聲學(xué)、光學(xué)和有線水下通信的限制，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可靠地穿越水-氣界面，從水面以下傳輸至岸邊或河岸，甚至可穿透冰層或從地下位置實(shí)時傳輸至地面。
EM-2 是目前唯一使用電磁場傳輸數(shù)據(jù)的技術(shù)，可安裝于離岸結(jié)構(gòu)（如石油和天然氣平臺或海上風(fēng)電機(jī)組）的水線以上位置，并通過衛(wèi)星通信系統(tǒng)（如 Iridium）實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程互聯(lián)網(wǎng)接入，同時與安裝在水下結(jié)構(gòu)上的另一臺 EM-2 設(shè)備建立通信。即使是在飛濺區(qū)和淺水環(huán)境這類海底通信最惡劣的條件下，它也能與水下傳感系統(tǒng)配對，將用戶的數(shù)據(jù)從水下無線傳輸?shù)巾敳炕尽?/strong>
EM-2 具備如下特點(diǎn)：
·性能不受水中生物污垢、渾濁度或環(huán)境噪音的影響·輕松安裝并與各種傳感器組集成·對水生生物無不良影響·雙向點(diǎn)對點(diǎn)通信現(xiàn)已推出；多點(diǎn)連接和中繼功能即將推出
利用電磁場傳輸數(shù)據(jù)，其傳輸距離可達(dá) 170 米（558 英尺），使用外部天線可擴(kuò)展至 230 米（755 英尺），使用聲學(xué)網(wǎng)關(guān)選件則可達(dá) 2 公里（1.25 英里），從而能夠在各種咸水和淡水場景中成功部署和運(yùn)行水下監(jiān)測設(shè)備。
同樣，CSignum 基于電磁場的通信方法也可用于地下通信，能夠有效穿透各種地層，包括水、冰層或地下結(jié)構(gòu)（例如水下隧道或雨水渠），實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。
水下物聯(lián)網(wǎng)通信能力增強(qiáng)：深刻影響多個領(lǐng)域
隨著電磁場信號（EMFS）等創(chuàng)新技術(shù)的突破，水下物聯(lián)網(wǎng)通信能力獲得了前所未有的提升，這一進(jìn)展將深刻改變多個關(guān)鍵行業(yè)的運(yùn)作模式——
水質(zhì)監(jiān)測
隨著環(huán)境保護(hù)意識的增強(qiáng)，水質(zhì)監(jiān)測在水資源管理和污染防治中變得尤為重要。實(shí)時、精準(zhǔn)的水質(zhì)數(shù)據(jù)不僅有助于掌握水體生態(tài)變化趨勢，還能為政府部門和企業(yè)提供科學(xué)決策依據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)對飲用水源地、河流湖泊、水庫和地下水等水體的有效保護(hù)與可持續(xù)利用。
傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測多依賴人工取樣與實(shí)驗(yàn)室分析，存在響應(yīng)滯后、監(jiān)測覆蓋面有限、成本高等問題。而基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，通過部署多參數(shù)傳感器節(jié)點(diǎn)，結(jié)合無線通信和云平臺，可實(shí)現(xiàn)對 pH 值、溶解氧、電導(dǎo)率、濁度、重金屬離子等關(guān)鍵指標(biāo)的全天候、自動化監(jiān)測。特別是在水體環(huán)境復(fù)雜、易受污染擴(kuò)散影響的區(qū)域，如工業(yè)排放口、養(yǎng)殖區(qū)域、水源保護(hù)區(qū)等，配備水下通信能力的傳感器系統(tǒng)，能夠有效實(shí)現(xiàn)對污染源的快速定位、對突發(fā)事件的實(shí)時預(yù)警與響應(yīng)，極大提升水環(huán)境管理的主動性和精細(xì)化水平。
2024 年 12 月 3 日，CSignum 推出了其創(chuàng)新產(chǎn)品 EM-2Q，這是一款專用無線水質(zhì)監(jiān)測解決方案，旨在幫助企業(yè)滿足《英國環(huán)境法案 2021》（UK Environment Act 2021）等監(jiān)管要求。在監(jiān)管要求日益嚴(yán)格的背景下，EA21 明確要求高頻次地上傳水質(zhì)數(shù)據(jù)。
EM-2Q 是一款緊湊型可回收系統(tǒng)，配備 CSignum 的專利無線技術(shù)，可滿足環(huán)境監(jiān)測要求并確保參與工業(yè)水質(zhì)管理的任何組織遵守法規(guī)。該解決方案包括一個完全浸沒式的監(jiān)測站，監(jiān)測站將水質(zhì)傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦潭ɑ虮銛y式網(wǎng)關(guān)設(shè)備，該網(wǎng)關(guān)設(shè)備可以隱藏在視線之外，或部署在觸及不到的地方，從而避免因盜竊造成的損失以及因故意破壞或篡改造成的損壞。
EM-2Q 專利設(shè)計的關(guān)鍵優(yōu)勢包括：
①無線通信優(yōu)勢：EM-2Q 完全浸沒于水下，無需任何數(shù)據(jù)回收電纜，無線通信消除了對岸邊或河堤固定基礎(chǔ)設(shè)施的依賴，大幅降低設(shè)備被破壞、盜竊或篡改的風(fēng)險。②穩(wěn)定的水下數(shù)據(jù)傳輸：借助 CSignum 的電磁場信號傳輸技術(shù)（EMFS），EM-2Q 可穩(wěn)定地將數(shù)據(jù)從水下傳送至水面設(shè)備，有效克服傳統(tǒng)有線或浮標(biāo)數(shù)據(jù)傳輸方式常遇到的挑戰(zhàn)。③免潛水員回收技術(shù)：CSignum 獨(dú)創(chuàng)的氣囊回收技術(shù)允許設(shè)備通過遠(yuǎn)程指令釋放內(nèi)置氣囊，自行浮出水面，無需潛水作業(yè)，大幅節(jié)省人力和成本，并提高運(yùn)行安全性。④多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測能力：EM-2Q 可兼容多種多參數(shù)水質(zhì)傳感器，全面采集對環(huán)境合規(guī)與生態(tài)健康至關(guān)重要的數(shù)據(jù)指標(biāo)，如 pH 值、溶解氧、濁度、電導(dǎo)率、營養(yǎng)鹽、重金屬離子等。
船舶監(jiān)測
船舶螺旋槳軸（推進(jìn)軸）狀態(tài)監(jiān)測是實(shí)現(xiàn)智能航運(yùn)與船舶設(shè)備健康管理（Condition-Based Maintenance, CBM）的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，但該領(lǐng)域長期面臨一系列技術(shù)與應(yīng)用挑戰(zhàn)。
具體而言，螺旋槳軸位于水下和軸艙之間的密閉空間中，需承受長時間旋轉(zhuǎn)、高載荷、海水腐蝕、高濕度、高振動等多重因素。這使得傳感器布設(shè)和維護(hù)困難，尤其是在推進(jìn)軸旋轉(zhuǎn)部分實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與傳輸具有很高的工程難度。而關(guān)鍵狀態(tài)參數(shù)如軸系扭矩、振動、溫度、潤滑狀態(tài)、軸承磨損等傳統(tǒng)上依賴人工檢修或定期?？繖z測，難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時數(shù)據(jù)采集與連續(xù)性分析。同時，船舶推進(jìn)軸處于旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)中，有線方式無法實(shí)時采集和回傳數(shù)據(jù)；而無線通信受金屬遮蔽、船體結(jié)構(gòu)干擾影響較大，可靠通信成為一大技術(shù)瓶頸。
2024 年 11 月，CSignum 與 Thordon Bearings 合作推出一款新型無線螺旋槳軸承磨損測量系統(tǒng)。這標(biāo)志著螺旋槳軸狀態(tài)監(jiān)測領(lǐng)域的重大進(jìn)步，為商業(yè)和海軍航運(yùn)收集重要數(shù)據(jù)提供了一種高效且更具成本效益的方法。該系統(tǒng)采用了 CSignum 的專利電磁場信號（EMFS）技術(shù)，可將水下傳感器的數(shù)據(jù)無線傳輸至水線上方的監(jiān)控設(shè)備，賦能 Thordon 的無線軸承狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)（BCM-W）。
該系統(tǒng)可在船舶浮水狀態(tài)或干船塢中便捷安裝，傳感器通過螺栓固定在艉管或“P/A 型支架”法蘭上，與高性能水下通信調(diào)制解調(diào)器相連接。采集的軸承間隙數(shù)據(jù)隨后被傳輸至上甲板艙壁上的水面數(shù)據(jù)接收設(shè)備，操作員可通過平板電腦或筆記本電腦下載并分析這些數(shù)據(jù)。
借助 Thordon BCM-W，船舶運(yùn)營商能夠輕松記錄軸承磨損速率和間隙趨勢，一旦出現(xiàn)表明軸系錯位的異常變化，系統(tǒng)可以快速識別預(yù)警。
雖然 BCM-W 系統(tǒng)是為海水潤滑軸承間隙監(jiān)測而設(shè)計，但該技術(shù)平臺也可與其他傳感器集成，為船體水線以下區(qū)域提供更全面的感知能力。例如，它還可擴(kuò)展用于監(jiān)測溫度、應(yīng)變、鹽度等多種參數(shù)，為船舶健康管理提供更立體的數(shù)據(jù)支撐。
參考資料：
What Is The CSignum EM-2?,CSignumCSignum Unveils EM-2Q: A Breakthrough in Wireless Water Quality Monitoring,CSignumElectromagnetic wireless is a key to extending the internet of things (IoT) below the surface,CSignumCSignum Launches EM-2 Wireless Underwater Communications,CSignum水下無線通信裝備發(fā)展研究,中國工程科學(xué)怎樣實(shí)現(xiàn)水下遠(yuǎn)距離無線通信？這一技術(shù)給出方案,中國軍網(wǎng)
