【宏虹分享】CAN匯流排於船舶通訊系統的應用解析:NMEA2000®協議架構、安全監測與遠端控制實務

CAN 匯流排(Controller Area Network)於 20 世紀 90 年代初開始導入船舶領域。1994 年,德國 MTU 公司成功開發基於 CAN 的 MCS-51 船舶監控系統,正式開啟 CAN 匯流排於船舶通訊中的實際應用。

隨著海事技術與船舶電子系統的快速演進,現代船舶類型日益多元,CAN 匯流排已廣泛應用於各類船舶的通訊與控制系統中,涵蓋遠端控制、安全監測與設備整合等需求。實際應用船型從小型娛樂船、拖船,到巡洋艦、破冰船與石油鑽井船,皆可見 CAN 匯流排的身影。

雖然部分大型船舶仍使用 J1939 協議透過 CAN 進行通訊,但海事產業已發展出專屬的通訊標準——NMEA 2000®。

NMEA 2000® 為國家海事電子協會(NMEA)所制定與維護的高層通訊協議,被視為海事電子系統的事實標準,主要用於整合船舶上的各類設備,包括 GPS、自動駕駛系統、深度探測儀、導航設備與引擎控制系統等。

自 1999 年起,NMEA 2000® 由多家廠商共同參與開發。Kvaser 為最早參與開發的 12 家公司之一,同時也是少數率先推出通過 NMEA 2000® 認證產品的廠商。

在技術架構上,NMEA 2000® 建立於 J1939(ISO 11783)之上,並加入快速封包傳輸機制與專為海事資料定義的 PGN 編碼。其網路拓樸採用主幹線設計,主線纜沿船艙鋪設,各設備節點透過支線連接至主幹,並以廣播方式進行通訊,有效降低反射問題,同時支援熱插拔節點。

在船舶系統中,CAN 匯流排扮演著多個關鍵子系統之間的通訊骨幹角色,CAN是柴油機引擎介面、發電和供電系統、燃油系統、潤滑系統、方向控制和各種具有網路功能的設備(例如雷達、魚群探測儀和海圖標繪儀)之間的鏈路,CAN系統設計不僅提供了一種高性能、耐輻射的強壯又可靠的網路,而且具有巨大的靈活性和成本效益。

船舶結構與安全監測系統多採分散式架構,由各類感測器、資料採集節點與上位電腦系統組成。感測器與採集節點會將數位化資料透過 CAN 匯流排傳送至上位系統,由電腦即時進行分析、判斷、告警與資料儲存。

透過 CAN 介面卡,電腦可直接連接至船舶 CAN 網路,完整擷取各感測節點的通訊資料。搭配介面卡所提供的 API,工程團隊可將 CAN 資料整合至既有的安全監測或控制軟體中,提升系統整合效率。

航行中的船舶往往需要進行遠端資訊處理,以確保整體航程的安全與效率。這些資訊包含船舶參數監控、航程分析、設備診斷、預測性維護與黑盒子資料記錄等。

CAN 記錄器可將通訊資料長時間儲存於 SD 卡中,即使在離線狀態下,也能持續記錄數週甚至數月的資料。當船舶重新連線至網路時,資料可自動上傳至伺服器。結合具備 Wi-Fi 功能的 CAN 記錄設備,船隊管理者得以集中收集與分析整個船隊的運行數據,並可透過 API 整合 GNSS/IMU 資料,比對 NMEA 2000® 通訊內容。

自 1985 年起,Kvaser 即專注於 CAN 技術的研發,至今已推出超過百款 CAN 相關產品,涵蓋多種海事應用場景。其 CAN 介面全面相容 NMEA 2000®,並支援 J1939、CANopen 與 DeviceNet 等通訊協議,長期以穩定性、耐用性與工程友善設計深受全球工程師信賴。

Solar Team Sneek 為一支來自荷蘭斯內克(Sneek)的太陽能船隊,致力於展示電動船舶與電動車的永續發展潛力。2022 年初,該團隊導入 Kvaser Ethercan HS,用於 CAN 匯流排資料的調試與遠端監控。

透過 Ethercan HS 將 CAN 與乙太網路橋接,並搭配 4G 數據機,團隊可將資料即時傳送至雲端。即使身處遠端,只需透過 VPN,即可即時監控電池電壓、電池溫度與太陽能逆變器等關鍵數據,並將資料儲存於 Prometheus 資料庫,再透過 Grafana 進行視覺化分析。

“Kvaser Ethercan HS的運行很順暢,我們用起來沒有任何問題。我們從Kvaser網站下載了驅動程式,並使用Kvaser CanKing檢查數據是否準確傳送。連接後,我們就很快設置好了Ethercan的配置,並通過以太網將數據即刻發送到運行我們自己軟體的筆記本電腦,再將數據記錄到Prometheus資料庫中,然後通過Grafana讀取數據。”

電氣工程師 Meindert de Groot

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除此之外,Kvaser還擁有專為極端環境設計的CAN分析儀和數據記錄器。例如:相容性強且堅固耐用的Kvaser Memorator R SemiPro(點擊瞭解)支持在惡劣環境中工作,能夠滿足海洋等應用場景的需求;羽量級高度耐用的Kvaser USBcan R v2(點擊瞭解)雙通道CAN匯流排分析儀,鋁合金外殼,耐用型聚氨酯塗層密封,防水防塵,具有抗振動,抗衝擊和抗跌落的特點;具備IP67等級外殼和加強型電隔離功能的Kvaser U100-X2(點擊瞭解)單通CAN/CAN FD轉USB通訊儀,提供5路M12型CAN連接器,適用於各種嚴苛的工作環境。

本篇文章轉載合作夥伴Kvaser文章