隨著物聯網技術的不斷滲透，全球數十億乃至數百億的設備正在被聯網，實現前所未有的數據采集、傳輸與智能控制。未來，當衛星物聯網能讓整個地球表面完成無縫連接，IoT 技術還有哪些方向可以“卷”？物聯網通信技術初創公司 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。該公司宣稱已開發出一項創新的無線通信技術，能夠通過專利的電磁場信號（EMFS），在水、冰、土壤等介質中傳輸數據，實現與地面網絡的連接。本輪融資(zi)由(you) Archangels、Par Equity 和(he) Scottish Enterprise 聯合(he)領投，所(suo)得資(zi)金(jin)將(jiang)用于(yu)加速其 EM-2 產品組(zu)合(he)的市場(chang)拓展，并推進水下無線通信網絡的開發。
據介紹(shao)，CSignum 當前的客(ke)戶遍布英國、歐(ou)盟(meng)和美國市場(chang)，其技術可廣(guang)泛(fan)應用于水質與(yu)環境監測、船底(di)無(wu)線監測，以及海上風電場(chang)和油(you)氣平臺等(deng)關鍵(jian)水下基礎設施的安全防(fang)護等(deng)場(chang)景(jing)。此外，CSignum 還通過其“CSignum 云”平臺，向客(ke)戶提供數據儀表盤和分析(xi)服(fu)務。
Archangels 投資經理(li) Dan McKiddie 表示：“CSignum 開發(fa)出了(le)一(yi)項真(zhen)正獨(du)特的技(ji)術突破，這可(ke)能會改變那些依賴水(shui)下(xia)作業可(ke)靠數(shu)據的行業格(ge)局(ju)。我們期待(dai)著支持管理(li)團隊擴大業務規模(mo)，并顛覆全球水(shui)下(xia)通信市場。”
預計水下通信市場規模將從 2024 年的 51 億美元翻一番，到 2032 年增至 102 億美元。以此(ci)為背景(jing)，本文將介紹 CSignum 專利技(ji)術的創新(xin)之處，以及其在拓展更多物聯(lian)網場景(jing)方(fang)面的可(ke)能。
電磁場信號通信：填補連接性空白的關鍵技術
無論是近海(hai)油氣(qi)平(ping)臺、深海(hai)勘探、海(hai)洋養殖，還是環境監(jian)測(ce)，可靠(kao)無縫的(de)水(shui)下(xia)通信對于(yu)保障操作的(de)成功、安全(quan)與(yu)效率至關重要。同樣，發展地下(xia)通信能力(li)也極(ji)為關鍵，例如在(zai)雨水(shui)排水(shui)系統(tong)中部(bu)署傳(chuan)感器(qi)，實現聯動(dong)監(jian)控，這也是水(shui)下(xia)與(yu)地下(xia)物聯網融合產生(sheng)價值的(de)關鍵場景(jing)。
然(ran)而，水下和(he)地下環境存在獨特挑戰(zhan)，會妨礙傳統通(tong)信方式(shi)的正常運(yun)行。
文獻資(zi)料(liao)顯示，電(dian)(dian)磁(ci)波(bo)在(zai)海水(shui)中的(de)傳(chuan)(chuan)輸衰減(jian)(jian)較大，表現出明顯的(de)頻率相關性，常見的(de) 2.4 GHz 無(wu)線藍牙模(mo)(mo)塊在(zai)水(shui)下(xia)(xia)僅能傳(chuan)(chuan)播數十厘米。此外(wai)，水(shui)下(xia)(xia)環境具(ju)有獨特(te)的(de)物理特(te)征，鹽濃(nong)度(du)(du)、壓力、溫度(du)(du)、風(feng)浪等因(yin)素導致海水(shui)中的(de)電(dian)(dian)磁(ci)波(bo)衰減(jian)(jian)較為嚴重(zhong)（且衰減(jian)(jian)程度(du)(du)隨(sui)著電(dian)(dian)磁(ci)波(bo)頻率的(de)增(zeng)加而急劇增(zeng)加），因(yin)而電(dian)(dian)磁(ci)波(bo)在(zai)水(shui)下(xia)(xia)的(de)傳(chuan)(chuan)播距離(li)受限。盡管超(chao)(chao)低頻電(dian)(dian)磁(ci)波(bo)（30~300 Hz）可在(zai)海水(shui)中傳(chuan)(chuan)輸超(chao)(chao)過(guo)100m，但(dan)需要大規(gui)模(mo)(mo)的(de)發射天(tian)線基站(zhan)、大尺寸的(de)接收天(tian)線，對于體積(ji)較小的(de)水(shui)下(xia)(xia)平(ping)臺而言(yan)并無(wu)實用價值。
除了介(jie)質本身帶來(lai)的阻(zu)礙外，還存在(zai)定位問題。例如，在(zai)河流或(huo)水道旁部署(shu)調制解調器等設(she)備時，其體積和訪問受限可(ke)能(neng)導致(zhi)需要從(cong)地方政府或(huo)居(ju)民處獲(huo)得(de)復雜(za)許可(ke)。同時，本地活動可(ke)能(neng)損(sun)壞(huai)敏(min)感設(she)備、擾動傳感器，造成高頻率維護。
正因如此，CSignum 團隊開創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，其宣稱該項創新的技術目前是為數不多的、能夠自主可靠地跨越水—氣邊界進行數據傳輸的方案之一。
低頻電磁通(tong)信使得 CSignum EM-2 可突破聲學、光學和有線(xian)水(shui)下通(tong)信的限制，實現數據可靠地(di)(di)穿越水(shui)-氣界(jie)面，從水(shui)面以下傳(chuan)(chuan)輸至(zhi)岸邊或(huo)河岸，甚至(zhi)可穿透冰層或(huo)從地(di)(di)下位置實時傳(chuan)(chuan)輸至(zhi)地(di)(di)面。
EM-2 是目前唯一使用電磁場傳輸數據的技術，可安裝于離岸結構（如石油和天然氣平臺或海上風電機組）的水線以上位置，并通過衛星通信系統（如 Iridium）實現遠程互聯網接入，同時與安裝在水下結構上的另一臺 EM-2 設備建立通信。即使是在飛濺區和淺水環境這類海底通信最惡劣的條件下，它也能與水下傳感系統配對，將用戶的數據從水下無線傳輸到頂部基站。
EM-2 具備如下(xia)特(te)點：
·性能不受水中生物污垢、渾濁度或環境噪音的影響·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(xiang)點(dian)對點(dian)通信現已推出(chu)；多點(dian)連接和(he)中繼功能即將推出(chu)
利用電磁場傳輸數據，其傳輸距離可達 170 米（558 英尺），使用外部天線可擴展至 230 米（755 英尺），使用聲學網關選件則可達 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行水下監測設備。
同樣(yang)，CSignum 基(ji)于(yu)電(dian)磁場的(de)通信方法也可用(yong)于(yu)地(di)下(xia)通信，能(neng)夠有效穿透各(ge)種(zhong)地(di)層，包括水(shui)、冰層或地(di)下(xia)結構（例如水(shui)下(xia)隧道或雨水(shui)渠），實現數據(ju)傳輸。
水下物聯網通信能力增強：深刻影響多個領域
隨著電磁場信號（EMFS）等創新(xin)技術(shu)的突破，水下物聯網通信能力(li)獲得了前所未(wei)有的提升，這一進展將深刻改變多個關鍵(jian)行業的運作模式——
水質監測
隨著(zhu)環境保護意識的增(zeng)強，水(shui)(shui)(shui)質監(jian)測在(zai)水(shui)(shui)(shui)資源(yuan)管理和(he)(he)污染防治中(zhong)變得尤為重要(yao)。實時、精準的水(shui)(shui)(shui)質數(shu)據不僅有助(zhu)于掌握水(shui)(shui)(shui)體生(sheng)態(tai)變化(hua)趨勢，還能為政府(fu)部門和(he)(he)企業提供(gong)科學決策依據，從而實現對(dui)飲用水(shui)(shui)(shui)源(yuan)地、河(he)流湖泊、水(shui)(shui)(shui)庫和(he)(he)地下(xia)水(shui)(shui)(shui)等(deng)水(shui)(shui)(shui)體的有效保護與可持續利用。
傳統的(de)(de)水(shui)質監(jian)(jian)測(ce)(ce)多依賴人工取(qu)樣與實(shi)驗(yan)室分析，存在響應滯后、監(jian)(jian)測(ce)(ce)覆蓋面有限、成本高等(deng)問題。而基于物聯網技(ji)術的(de)(de)智能(neng)水(shui)質監(jian)(jian)測(ce)(ce)系統，通過部署多參數傳感器節點，結(jie)合無(wu)線通信(xin)和云平(ping)臺，可實(shi)現對(dui) pH 值(zhi)、溶(rong)解(jie)氧、電導率、濁度、重金屬(shu)離子等(deng)關鍵指標的(de)(de)全天(tian)候、自動化(hua)監(jian)(jian)測(ce)(ce)。特別是在水(shui)體環境(jing)復雜、易受污(wu)染擴散影響的(de)(de)區(qu)(qu)(qu)域，如工業排放(fang)口、養殖區(qu)(qu)(qu)域、水(shui)源(yuan)保護區(qu)(qu)(qu)等(deng)，配備水(shui)下通信(xin)能(neng)力的(de)(de)傳感器系統，能(neng)夠有效實(shi)現對(dui)污(wu)染源(yuan)的(de)(de)快速定(ding)位、對(dui)突發事件的(de)(de)實(shi)時(shi)預(yu)警與響應，極大提升水(shui)環境(jing)管理的(de)(de)主動性和精(jing)細化(hua)水(shui)平(ping)。
2024 年 12 月 3 日，CSignum 推出了其創新產品 EM-2Q，這是一款專用無線水質監測解決方案，旨在幫助企業滿足《英國環境法案 2021》（UK Environment Act 2021）等監管要求。在監(jian)管要(yao)求(qiu)日益嚴格的背景下(xia)，EA21 明確要(yao)求(qiu)高頻(pin)次地(di)上傳(chuan)水質數據。
EM-2Q 是一款緊湊型可(ke)回收系統，配備 CSignum 的(de)專利無(wu)線技術，可(ke)滿足環境監(jian)測要求并確保參與工業水質(zhi)管理的(de)任何(he)組(zu)織(zhi)遵守(shou)法規。該解(jie)決方案包(bao)括一個(ge)完全浸沒(mei)式(shi)的(de)監(jian)測站，監(jian)測站將(jiang)水質(zhi)傳(chuan)(chuan)感器數據傳(chuan)(chuan)輸到固定或便攜式(shi)網關(guan)設備，該網關(guan)設備可(ke)以隱藏在視(shi)線之外，或部署在觸(chu)及不(bu)到的(de)地方，從而避免因盜(dao)竊造成的(de)損(sun)失(shi)以及因故(gu)意破壞或篡改造成的(de)損(sun)壞。
EM-2Q 專利(li)設計的關(guan)鍵(jian)優勢包括：
①無線通信優勢：EM-2Q 完全浸沒于水下，無需任何數據回收電纜，無線通信消除了對岸邊或河堤固定基礎設施的依賴，大幅降低設備被破壞、盜竊或篡改的風險。②穩定的水下數據傳輸：借助 CSignum 的電磁場信號傳輸技術（EMFS），EM-2Q 可穩定地將數據從水下傳送至水面設備，有效克服傳統有線或浮標數據傳輸方式常遇到的挑戰。③免潛水員回收技術：CSignum 獨創的氣囊回收技術允許設備通過遠程指令釋放內置氣囊，自行浮出水面，無需潛水作業，大幅節省人力和成本，并提高運行安全性。④多參數水質監測能力：EM-2Q 可兼(jian)容多種多參數水質傳感(gan)器，全面采集對(dui)環境(jing)合(he)規與生(sheng)態健康至關重要的數據指標，如 pH 值、溶解(jie)氧、濁(zhuo)度、電導率、營養鹽、重金屬(shu)離(li)子等(deng)。
船舶監測
船舶螺旋槳(jiang)軸（推進軸）狀態監測(ce)是實現智能航運與船舶設備健康管理（Condition-Based Maintenance, CBM）的關鍵(jian)環節，但該(gai)領域長期面臨(lin)一系列技術(shu)與應(ying)用挑戰。
具(ju)(ju)體而(er)言，螺旋(xuan)槳軸(zhou)位于水(shui)下(xia)和(he)(he)軸(zhou)艙之間(jian)的(de)密閉空間(jian)中，需承受長時間(jian)旋(xuan)轉、高載荷、海水(shui)腐(fu)蝕、高濕度(du)、高振動等多重因素。這使(shi)得傳(chuan)感器布設(she)和(he)(he)維護困(kun)難，尤其是在推進(jin)軸(zhou)旋(xuan)轉部分實(shi)(shi)現(xian)數(shu)據采(cai)集與(yu)傳(chuan)輸(shu)具(ju)(ju)有(you)很高的(de)工程(cheng)難度(du)。而(er)關鍵(jian)狀態參數(shu)如軸(zhou)系扭矩(ju)、振動、溫度(du)、潤滑狀態、軸(zhou)承磨損等傳(chuan)統(tong)上依賴人工檢(jian)修或定(ding)期停靠檢(jian)測，難以實(shi)(shi)現(xian)實(shi)(shi)時數(shu)據采(cai)集與(yu)連續性分析。同時，船舶推進(jin)軸(zhou)處于旋(xuan)轉結構中，有(you)線(xian)方式無(wu)法實(shi)(shi)時采(cai)集和(he)(he)回傳(chuan)數(shu)據；而(er)無(wu)線(xian)通信(xin)受金(jin)屬(shu)遮(zhe)蔽、船體結構干(gan)擾影響較大(da)(da)，可靠通信(xin)成為(wei)一(yi)大(da)(da)技術(shu)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。這標志著螺旋槳軸狀態監測領域的重大進步，為商業和海軍航運收集重要數據提供了一種高效且更具成本效益的方法。該系(xi)統采用了 CSignum 的(de)專利電磁場信號（EMFS）技術，可將水(shui)下傳(chuan)感器的(de)數(shu)據(ju)無(wu)線傳(chuan)輸至水(shui)線上(shang)方(fang)的(de)監(jian)控設備，賦能 Thordon 的(de)無(wu)線軸承狀態監(jian)測系(xi)統（BCM-W）。
該系統可(ke)(ke)在船(chuan)舶浮(fu)水狀(zhuang)態(tai)或(huo)干船(chuan)塢中便捷安裝，傳(chuan)感器(qi)通過螺栓(shuan)固定在艉管或(huo)“P/A 型支架(jia)”法蘭上，與高性能水下(xia)通信調制解調器(qi)相連接。采(cai)集的軸承間隙數(shu)據隨后被傳(chuan)輸至上甲(jia)板艙壁上的水面數(shu)據接收設備，操作員可(ke)(ke)通過平板電(dian)腦或(huo)筆記本電(dian)腦下(xia)載并(bing)分析這些(xie)數(shu)據。
借助 Thordon BCM-W，船舶(bo)運營(ying)商能夠輕松記(ji)錄軸承磨損(sun)速率和間隙趨勢，一旦出(chu)現表明軸系錯(cuo)位的異常變化，系統可以快速識別預(yu)警。
雖然(ran) BCM-W 系統是(shi)為(wei)海水(shui)潤(run)滑軸承間隙監(jian)(jian)測(ce)而設計(ji)，但該技術(shu)平臺也可(ke)與其他(ta)傳感(gan)器集成，為(wei)船體水(shui)線以下區域(yu)提(ti)供更全面的(de)感(gan)知能力(li)。例如，它還可(ke)擴(kuo)展用(yong)于監(jian)(jian)測(ce)溫(wen)度、應變、鹽度等多種參(can)數，為(wei)船舶(bo)健康(kang)管理提(ti)供更立體的(de)數據支撐(cheng)。
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展研究,中國工程科學怎樣實現水下遠距離無線通信？這一技術給出方案,中國軍網
