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 Archangels、Par Equity 和 Scottish Enterprise 聯合(he)領投，所得(de)資(zi)金將用于加速其 EM-2 產(chan)品組合(he)的市場拓(tuo)展(zhan)，并推進水下無線通信網(wang)絡的開發。
據(ju)介(jie)紹(shao)，CSignum 當前的客戶遍布英國、歐(ou)盟和(he)美國市(shi)場(chang)，其技(ji)術可廣泛應(ying)用于水質(zhi)與環境監測(ce)、船底無(wu)線監測(ce)，以及(ji)海上風電場(chang)和(he)油氣平(ping)臺等(deng)關鍵水下基礎設施(shi)的安全防(fang)護等(deng)場(chang)景。此(ci)外，CSignum 還(huan)通過其“CSignum 云”平(ping)臺，向客戶提供數據(ju)儀(yi)表盤和(he)分析(xi)服務。
Archangels 投(tou)資(zi)經理 Dan McKiddie 表(biao)示：“CSignum 開發(fa)出了(le)一(yi)項真正獨特的(de)技(ji)術突破，這可能(neng)會改變那些依賴水(shui)下作業可靠數(shu)據的(de)行業格局(ju)。我們期待(dai)著支持管理團隊擴大(da)業務(wu)規(gui)模(mo)，并顛覆全球水(shui)下通信市場。”
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(yi)此為背景(jing)，本文將介紹 CSignum 專利技術的(de)創新之處，以(yi)及(ji)其(qi)在拓展(zhan)更(geng)多物(wu)聯網場景(jing)方面的(de)可能(neng)。
電磁場信號通信：填補連接性空白的關鍵技術
無論(lun)是(shi)近海(hai)油氣(qi)平臺、深海(hai)勘(kan)探、海(hai)洋養(yang)殖，還(huan)是(shi)環境監測，可靠(kao)無縫的水(shui)下(xia)通信(xin)對于保障操(cao)作的成(cheng)功、安全與效率至關重要(yao)。同(tong)樣(yang)，發(fa)展(zhan)地下(xia)通信(xin)能(neng)力(li)也(ye)極為關鍵，例如在雨(yu)水(shui)排水(shui)系統(tong)中部署傳感器(qi)，實現聯動監控，這也(ye)是(shi)水(shui)下(xia)與地下(xia)物聯網融合產生價(jia)值的關鍵場景。
然(ran)而(er)，水(shui)下(xia)和地下(xia)環境存在獨特挑戰(zhan)，會妨礙傳統通信方式(shi)的正常運行。
文獻資(zi)料顯(xian)示，電磁(ci)波在海(hai)水中的(de)(de)傳(chuan)(chuan)輸衰(shuai)減(jian)(jian)較大(da)，表現出明顯(xian)的(de)(de)頻率相關性，常(chang)見的(de)(de) 2.4 GHz 無線藍牙模塊在水下僅能傳(chuan)(chuan)播(bo)數十厘米。此外，水下環境具有獨特(te)的(de)(de)物理特(te)征(zheng)，鹽濃(nong)度(du)、壓力、溫度(du)、風浪等(deng)因(yin)(yin)素(su)導致海(hai)水中的(de)(de)電磁(ci)波衰(shuai)減(jian)(jian)較為嚴重（且(qie)衰(shuai)減(jian)(jian)程度(du)隨著電磁(ci)波頻率的(de)(de)增(zeng)加而急(ji)劇增(zeng)加），因(yin)(yin)而電磁(ci)波在水下的(de)(de)傳(chuan)(chuan)播(bo)距離(li)受限。盡(jin)管超低頻電磁(ci)波（30~300 Hz）可在海(hai)水中傳(chuan)(chuan)輸超過(guo)100m，但(dan)需要大(da)規模的(de)(de)發射天線基站、大(da)尺(chi)寸的(de)(de)接收天線，對(dui)于體積較小的(de)(de)水下平臺而言并無實用(yong)價(jia)值。
除了介(jie)質本身帶來的阻礙外，還(huan)存在定位問題。例如(ru)，在河流或水道旁(pang)部署調制(zhi)解(jie)調器(qi)等設備(bei)時，其體積和訪問受限可能(neng)導致需要從地(di)方政府或居民處獲得復(fu)雜許可。同時，本地(di)活動(dong)可能(neng)損(sun)壞(huai)敏(min)感設備(bei)、擾動(dong)傳(chuan)感器(qi)，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(dian)磁(ci)通(tong)信使得 CSignum EM-2 可突破(po)聲學、光(guang)學和有線水(shui)下通(tong)信的限制，實現數據可靠(kao)地穿越水(shui)-氣界面(mian)(mian)，從(cong)(cong)水(shui)面(mian)(mian)以下傳輸至(zhi)(zhi)岸邊或河(he)岸，甚至(zhi)(zhi)可穿透冰層或從(cong)(cong)地下位置(zhi)實時(shi)傳輸至(zhi)(zhi)地面(mian)(mian)。
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 具備如下特點：
·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)(dian)對點(dian)(dian)通信現已推(tui)出(chu)(chu)；多點(dian)(dian)連接和中繼(ji)功能即將推(tui)出(chu)(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，CSignum 基(ji)于電磁場的通(tong)信(xin)方法也可(ke)用于地下通(tong)信(xin)，能夠有效穿透各種地層，包括水(shui)、冰(bing)層或地下結(jie)構（例(li)如水(shui)下隧道或雨(yu)水(shui)渠(qu)），實現(xian)數據傳輸。
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(xin)(xin)號（EMFS）等創新技術的(de)突(tu)破，水下物聯網通信(xin)(xin)能力獲(huo)得了前所未(wei)有(you)的(de)提升，這一進展將(jiang)深(shen)刻改(gai)變多個關鍵行(xing)業的(de)運作模式——
水質監測
隨(sui)著環(huan)境保護(hu)意(yi)識的(de)增強，水(shui)質監測在水(shui)資源管理和(he)(he)(he)污(wu)染防治中(zhong)變(bian)得尤為重要。實時、精準的(de)水(shui)質數(shu)據(ju)不僅有助(zhu)于掌握水(shui)體生(sheng)態變(bian)化趨勢，還(huan)能為政府(fu)部門和(he)(he)(he)企業提供科學決策依據(ju)，從而實現(xian)對飲用水(shui)源地(di)(di)、河(he)流湖泊、水(shui)庫和(he)(he)(he)地(di)(di)下水(shui)等水(shui)體的(de)有效保護(hu)與可持續利用。
傳統(tong)的(de)(de)(de)水(shui)質(zhi)監測多依賴人(ren)工取樣與實驗室分析，存在響(xiang)應(ying)滯(zhi)后(hou)、監測覆(fu)蓋面有限(xian)、成本高等(deng)問題。而基(ji)于(yu)物聯網技術的(de)(de)(de)智能水(shui)質(zhi)監測系統(tong)，通(tong)過(guo)部署多參數傳感(gan)器節點，結合無(wu)線通(tong)信和云平臺，可(ke)實現(xian)對 pH 值(zhi)、溶解氧(yang)、電導率、濁(zhuo)度、重金屬離子等(deng)關鍵指(zhi)標(biao)的(de)(de)(de)全天候(hou)、自動化(hua)監測。特別是在水(shui)體環境(jing)復雜、易受(shou)污(wu)染(ran)擴散影響(xiang)的(de)(de)(de)區域，如工業排放口、養殖區域、水(shui)源保護區等(deng)，配備水(shui)下(xia)通(tong)信能力的(de)(de)(de)傳感(gan)器系統(tong)，能夠有效(xiao)實現(xian)對污(wu)染(ran)源的(de)(de)(de)快速定位、對突發事(shi)件的(de)(de)(de)實時預(yu)警與響(xiang)應(ying)，極大提升水(shui)環境(jing)管理的(de)(de)(de)主動性和精細(xi)化(hua)水(shui)平。
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。在監管(guan)要求日益嚴格的背景(jing)下，EA21 明確要求高(gao)頻(pin)次地上傳水(shui)質數據。
EM-2Q 是(shi)一(yi)款緊湊型可(ke)(ke)回收系統，配備(bei)(bei) CSignum 的(de)(de)專利無線技術(shu)，可(ke)(ke)滿足(zu)環境監(jian)測(ce)要求并確保參(can)與工業(ye)水(shui)質管理(li)的(de)(de)任(ren)何組織遵守法規。該解(jie)決方案包括一(yi)個完全(quan)浸沒式(shi)的(de)(de)監(jian)測(ce)站(zhan)，監(jian)測(ce)站(zhan)將水(shui)質傳感(gan)器數據傳輸(shu)到固定或便攜式(shi)網關設備(bei)(bei)，該網關設備(bei)(bei)可(ke)(ke)以隱(yin)藏在視線之外，或部署(shu)在觸及(ji)不到的(de)(de)地方，從(cong)而(er)避(bi)免因盜竊造(zao)成的(de)(de)損失以及(ji)因故意破壞或篡(cuan)改造(zao)成的(de)(de)損壞。
EM-2Q 專(zhuan)利設(she)計的關(guan)鍵優勢包(bao)括(kuo)：
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 可兼容(rong)多種多參數水(shui)質傳感器，全面采集對環境合規與(yu)生態(tai)健康(kang)至(zhi)關(guan)重要的數據指標，如(ru) pH 值(zhi)、溶解氧、濁度、電導率、營養鹽(yan)、重金屬(shu)離子等。
船舶監測
船舶(bo)螺旋(xuan)槳軸(zhou)(zhou)（推進軸(zhou)(zhou)）狀(zhuang)態(tai)監測是實現(xian)智(zhi)能航運與船舶(bo)設備健康管理（Condition-Based Maintenance, CBM）的(de)關(guan)鍵(jian)環節，但該領域(yu)長期面(mian)臨一系列(lie)技術與應用挑(tiao)戰。
具體(ti)而言，螺旋(xuan)(xuan)槳軸(zhou)(zhou)位(wei)于(yu)水下(xia)和(he)(he)軸(zhou)(zhou)艙(cang)之間的(de)密閉空間中(zhong)，需(xu)承受長(chang)時間旋(xuan)(xuan)轉(zhuan)、高(gao)載荷、海水腐蝕(shi)、高(gao)濕度(du)、高(gao)振(zhen)動等多(duo)重(zhong)因素。這(zhe)使(shi)得傳(chuan)感器布設和(he)(he)維護困難，尤其是在推進軸(zhou)(zhou)旋(xuan)(xuan)轉(zhuan)部(bu)分(fen)實現數據(ju)采(cai)(cai)集(ji)與傳(chuan)輸(shu)具有(you)很(hen)高(gao)的(de)工(gong)程難度(du)。而關鍵狀態參數如軸(zhou)(zhou)系扭(niu)矩(ju)、振(zhen)動、溫度(du)、潤滑狀態、軸(zhou)(zhou)承磨損等傳(chuan)統上依賴人(ren)工(gong)檢修或定(ding)期停靠檢測，難以實現實時數據(ju)采(cai)(cai)集(ji)與連續性(xing)分(fen)析。同時，船舶(bo)推進軸(zhou)(zhou)處于(yu)旋(xuan)(xuan)轉(zhuan)結(jie)構中(zhong)，有(you)線方式無法實時采(cai)(cai)集(ji)和(he)(he)回傳(chuan)數據(ju)；而無線通(tong)(tong)信受金(jin)屬(shu)遮蔽、船體(ti)結(jie)構干擾影(ying)響較大，可靠通(tong)(tong)信成為(wei)一大技術瓶頸。
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(yong)了 CSignum 的專利電磁場信號（EMFS）技術，可將水(shui)下傳感器的數據無(wu)線(xian)傳輸至水(shui)線(xian)上(shang)方的監(jian)控(kong)設備，賦能 Thordon 的無(wu)線(xian)軸承狀(zhuang)態監(jian)測系(xi)統（BCM-W）。
該(gai)系統(tong)可在船(chuan)舶浮水(shui)狀態或(huo)干船(chuan)塢中便捷安(an)裝，傳感器(qi)通(tong)(tong)過螺栓固(gu)定在艉管(guan)或(huo)“P/A 型支架”法(fa)蘭上(shang)，與高性能水(shui)下(xia)通(tong)(tong)信調制解調器(qi)相連接。采集的軸承間隙數據(ju)隨后被傳輸至上(shang)甲板艙(cang)壁上(shang)的水(shui)面數據(ju)接收設備，操作員(yuan)可通(tong)(tong)過平板電腦或(huo)筆(bi)記本(ben)電腦下(xia)載并分析這些數據(ju)。
借助 Thordon BCM-W，船舶(bo)運營商能夠輕松記錄軸承磨(mo)損速率(lv)和間隙趨勢，一旦出(chu)現(xian)表明(ming)軸系錯位的異(yi)常(chang)變(bian)化，系統(tong)可以快(kuai)速識(shi)別預警。
雖然 BCM-W 系(xi)統是為(wei)海水潤滑軸承間(jian)隙監(jian)測而(er)設計，但該技(ji)術(shu)平臺也可與(yu)其他傳感器集成，為(wei)船體水線以下(xia)區域提供更全面(mian)的感知能(neng)力。例如，它還(huan)可擴(kuo)展用于監(jian)測溫度、應變(bian)、鹽(yan)度等多(duo)種參數，為(wei)船舶健康管理提供更立體的數據支撐。
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
