پروتکل NMEA 2000 توضیح داده شده است: چگونه شبکه‌های دریایی داده‌ها را به اشتراک می‌گذارند

در هر اسکله مدرنی که قدم بزنید، قایق‌هایی را خواهید یافت که در آن‌ها دستگاه نقشه‌کشی اطلاعات موتور را نشان می‌دهد، خلبان خودکار اطلاعات حسگر باد را می‌خواند و باتری وضعیت شارژ خود را به نمایشگر سکان گزارش می‌دهد - همه این‌ها از طریق یک کابل واحد که از بدنه عبور می‌کند. فناوری پشت این ادغام، NMEA 2000® است، پروتکل ارتباطی که به زبان مشترک الکترونیک دریایی تبدیل شده است.

این راهنما توضیح می‌دهد که پروتکل NMEA 2000 چگونه کار می‌کند: شبکه‌ای که روی آن اجرا می‌شود، سیستم پیامی که استفاده می‌کند، نحوه‌ی اتصال دستگاه‌ها به شبکه و آنچه برای مشارکت یک سیستم باتری لیتیومی لازم است. چه در حال برنامه‌ریزی برای تعمیر لوازم الکترونیکی باشید و چه در حال تعیین الزامات ارتباطی برای یک پروژه باتری OEM، درک این پروتکل اولین قدم به سوی سیستمی است که در آن همه چیز با همه چیز دیگر ارتباط برقرار می‌کند.

NMEA 2000 چیست؟

NMEA 2000 یک پروتکل ارتباطی استاندارد است که به دستگاه‌های الکترونیکی دریایی - نمایشگرها، حسگرها، موتورها و سیستم‌های باتری - اجازه می‌دهد تا داده‌ها را از طریق یک شبکه واحد به اشتراک بگذارند. این پروتکل که توسط انجمن ملی الکترونیک دریایی توسعه داده شده است، بر اساس فناوری CAN bus (شبکه منطقه‌ای کنترل‌کننده) ساخته شده است و به تجهیزات تولیدکنندگان مختلف اجازه می‌دهد تا بدون سیم‌کشی سفارشی بین هر جفت دستگاه، اطلاعات را تبادل کنند.

NMEA 2000® یک علامت تجاری ثبت شده از انجمن ملی الکترونیک دریایی (NMEA)، نهاد مستقر در ایالات متحده است که استانداردهای الکترونیک دریایی را توسعه داده و نگهداری می‌کند. این پروتکل یک شبکه کم‌هزینه، دو جهته، چند فرستنده و چند گیرنده را تعریف می‌کند: هر دستگاه دارای گواهینامه می‌تواند داده ارسال و دریافت کند، شبکه خود را پیکربندی می‌کند و هیچ کنترل‌کننده مرکزی وجود ندارد که همه چیز به آن وابسته باشد.

نکته آخر بیش از آنچه به نظر می‌رسد اهمیت دارد. در یک شبکه NMEA 2000، اگر یک دستگاه از کار بیفتد، بقیه به ارتباط خود ادامه می‌دهند. این را با سیم‌کشی نقطه به نقطه قدیمی مقایسه کنید، که در آن اغلب یک دستگاه واحد در وسط زنجیره داده قرار می‌گرفت - و وقتی آن دستگاه از کار می‌افتاد، هر دستگاهی که به داده‌های آن وابسته بود، از کار می‌افتاد.

در عمل، مالکان و سازندگان قایق از NMEA 2000 برای قرار دادن داده‌های ناوبری، پارامترهای موتور، سطح باک، حسگرهای محیطی و - به طور فزاینده‌ای - داده‌های باتری در یک ستون فقرات مشترک استفاده می‌کنند که از هر نمایشگر سازگار روی قایق قابل مشاهده است.

NMEA 2000 در مقابل NMEA 0183: چه چیزی تغییر کرده است

قبل از NMEA 2000، الکترونیک دریایی بر سر NMEA 0183، یک پروتکل سریال که در اوایل دهه 1980 معرفی شد، بحث می‌کرد. NMEA 0183 هنوز در بسیاری از کشتی‌ها یافت می‌شود و درک این تفاوت، دلیل حرکت این صنعت به سمت دیگری را توضیح می‌دهد.

NMEA 0183 یک پروتکل سریال نقطه به نقطه است. یک دستگاه - "گوینده" - جملات متنی ASCII را با سرعت ۴۸۰۰ بیت در ثانیه (نوع پرسرعت ۳۸۴۰۰ بیت در ثانیه بعداً اضافه شد، عمدتاً برای داده‌های ردیابی کشتی AIS) به یک یا چند "شنونده" منتقل می‌کند. یک شنونده فقط می‌تواند از یک گوینده واحد دریافت کند، بنابراین اتصال بسیاری از ابزارها به معنای مالتی‌پلکسرها، بافرها و نمودارهای سیم‌کشی بود که با اضافه شدن هر دستگاه، دردسرسازتر می‌شدند.

NMEA 2000 آن مدل را با یک شبکه واقعی جایگزین کرد:

ویژگی	ان‌ام‌ای‌ای ۰۱۸۳	ان‌ام‌ای‌ای ۲۰۰۰
معماری	گوینده → شنونده به صورت نقطه به نقطه	شبکه چندرسانه‌ای، همه دستگاه‌ها صحبت می‌کنند و گوش می‌دهند
لایه فیزیکی	سریال (سیگنالینگ به سبک RS-422/RS-232)	گذرگاه CAN، جفت پیچ‌خورده تفاضلی
سرعت	۴۸۰۰ باود (نوع پرسرعت ۳۸۴۰۰)	۲۵۰ کیلوبیت بر ثانیه
قالب داده	جملات متنی ASCII (حداکثر ۸۲ کاراکتر)	فریم‌های دودویی فشرده
استاندارد بین‌المللی	کمیسیون مستقل انتخابات ۶۱۱۶۲-۱	کمیسیون مستقل انتخابات ۶۱۱۶۲-۳
اضافه کردن دستگاه	سیم‌کشی جدید، احتمال استفاده از مالتی‌پلکسر	کابل را به ستون فقرات بیندازید
رفتار شکست	خرابی گوینده زنجیره را می‌شکند	شبکه بدون گره خراب ادامه می‌یابد

این دو استاندارد با هم سازگار نیستند. یک دستگاه NMEA 0183 نمی‌تواند مستقیماً به شبکه NMEA 2000 متصل شود؛ نصب‌های ترکیبی به یک دستگاه دروازه‌ای نیاز دارند که بین این دو ارتباط برقرار کند. برای ساخت و سازها و تعمیرات جدید، NMEA 2000 انتخاب پیش‌فرض است - به همین دلیل است که سیستم‌های باتری طراحی شده برای استفاده دریایی به طور فزاینده‌ای نیاز به استفاده از آن دارند.

نحوه عملکرد پروتکل: گذرگاه CAN و PGNها

در زیر بدنه، NMEA 2000 بر اساس شبکه ناحیه کنترل (CAN) ساخته شده است - همان فناوری گذرگاه که دهه‌هاست در سیستم‌های خودرو و صنعتی اثبات شده است - و با سرعت 250 کیلوبیت بر ثانیه کار می‌کند. آنچه NMEA 2000 علاوه بر CAN خام اضافه می‌کند، یک لایه کاربردی استاندارد است که به شدت تحت تأثیر SAE J1939 (خانواده پروتکل ارتباطی مورد استفاده در کامیون‌ها و وسایل نقلیه سنگین) قرار دارد: یک واژگان مشترک که به هر دستگاه می‌گوید بایت‌های روی سیم در واقع به چه معناست.

آن واژگان به صورت زیر سازماندهی شده‌اندشماره‌های گروه پارامتر (PGN)هر PGN یک نوع پیام تعریف‌شده است: یک PGN موقعیت GPS، دیگری دور موتور و دیگری عمق آب را حمل می‌کند. پیام‌ها به صورت فریم‌های CAN با استفاده از یک شناسه ۲۹ بیتی و یک فیلد داده ۸ بایتی ارسال می‌شوند؛ پیام‌های بزرگتر در چندین فریم تقسیم شده و توسط گیرنده دوباره مونتاژ می‌شوند. از آنجا که هر دستگاه دارای گواهینامه PGNها را به یک روش تفسیر می‌کند، یک نمایشگر Garmin می‌تواند داده‌ها را از یک گیت‌وی موتور Yamaha و یک حسگر مخزن شخص ثالث بخواند، بدون اینکه هیچ یک از این تولیدکنندگان با یکدیگر هماهنگ باشند.

برای سیستم‌های باتری، گروه خاصی از PGNها این کار را انجام می‌دهند:

• PGN 127508 – وضعیت باتری: ولتاژ، جریان و دما برای یک نمونه باتری
• PGN 127506 – وضعیت دقیق DC: وضعیت شارژ، وضعیت سلامت و زمان باقی مانده
• PGN 127513 – وضعیت پیکربندی باتریاطلاعات ولتاژ اسمی، ترکیب شیمیایی و ظرفیت

شرایط هشدار و آلارم به طور جداگانه و از طریق پیام‌رسانی استاندارد شبکه (PGN 126983) منتقل می‌شوند - به این ترتیب است که یک نقص باتری به جای یک پرچم خاموش در داخل خودرو، به یک هشدار قابل مشاهده و شنیدنی در پشت فرمان تبدیل می‌شود.

وقتی یک سیستم مدیریت باتری (BMS) یا درگاه باتری، این PGNها را به شبکه منتقل می‌کند، هر نمایشگر روی برد که از این PGNها پشتیبانی کند، می‌تواند ولتاژ بسته باتری، جریان مصرفی و وضعیت شارژ را نشان دهد - بدون اینکه صفحه نمایش مانیتور باتری جداگانه‌ای در راس آن قرار گیرد. به هر باتری یک شماره نمونه اختصاص داده می‌شود، که به این ترتیب یک شبکه، باتری خانگی را از باتری اصلی متمایز کرده و آنها را جداگانه نمایش می‌دهد.

این لایه PGN دقیقاً نقطه‌ای است که الکترونیک باتری لیتیومی با الکترونیک دریایی تلاقی می‌کند و جایی است که پروژه‌های یکپارچه‌سازی موفق می‌شوند یا متوقف می‌شوند. BMS که همه چیز را اندازه‌گیری می‌کند اما چیزی را منتقل نمی‌کند، داده‌های دقیق را در جایی قرار می‌دهد که هیچ‌کس نمی‌تواند آن را ببیند؛ BMS که PGNهای باتری را پیاده‌سازی می‌کند، آن داده‌ها را بخشی از کشتی می‌کند.

معماری شبکه NMEA 2000

از نظر فیزیکی، یک شبکه NMEA 2000 از یک توپولوژی ساده و انعطاف‌ناپذیر پیروی می‌کند - و این انعطاف‌ناپذیری یک ویژگی است، زیرا شبکه‌ها را قابل پیش‌بینی می‌کند.

[نمودار اصلی اینجا - توپولوژی شبکه که ستون فقرات، ترمینال‌ها، کابل‌های دراپ و دستگاه‌هایی شامل MFD، گیت موتور، حسگرها و یک بانک باتری لیتیومی با BMS را نشان می‌دهد. متن جایگزین: "نمودار شبکه NMEA 2000 با سیستم باتری متصل از طریق کابل دراپ"]

این شبکه از چهار عنصر ساخته شده است:

ستون فقراتکابل اصلیِ عبوری از کشتی است. هر دستگاهی به آن متصل می‌شود؛ هیچ دستگاهی مستقیماً به دستگاه دیگر متصل نیست.

مقاومت‌های انتهاییهر دو انتهای ستون فقرات را درپوش بگذارید. سیگنالینگ گذرگاه CAN برای جلوگیری از بازتاب سیگنال، نیاز به ترمینال در هر انتهای ترانک دارد - نبود یا دو ترمینال از دلایل رایج عملکرد نادرست شبکه است.

کابل‌های قطره‌ایهر دستگاه را از طریق کانکتورهای T به ستون فقرات متصل کنید. این استاندارد حداکثر طول را برای ستون فقرات و دراپ‌های جداگانه تعریف می‌کند، که با رشد شبکه‌ها، زمان‌بندی سیگنال را در محدوده مشخصات نگه می‌دارد.

قدرت شبکهکابل‌کشی NMEA 2000 جدا از بارهای DC اصلی کشتی، تغذیه برق خود را برای رابط‌های شبکه دستگاه‌های متصل انجام می‌دهد.

دستگاه‌ها از کانکتورهای استاندارد ۵ پین (معمولاً Micro-C) روی کابل زوج سیم به هم تابیده‌ی شیلددار استفاده می‌کنند و از سیگنال‌دهی تفاضلی برای مصونیت در برابر نویز بهره می‌برند - یک مزیت معنادار در محیطی پر از آلترناتور، اینورتر و فرستنده‌ی رادیویی.

برای نصب باتری، این معماری یک پیامد عملی دارد که ارزش برنامه‌ریزی اولیه را دارد: رابط ارتباطی بانک باتری به یک مسیر کابلی به ستون فقرات نیاز دارد و شبکه‌هایی با چندین بانک باتری باید شماره‌های نمونه خود را طوری پیکربندی کنند که هر بانک به عنوان یک منبع مجزا در نمایشگرها ظاهر شود.

چه دستگاه‌هایی به شبکه NMEA 2000 متصل می‌شوند؟

تقریباً هر دسته از تجهیزات الکترونیکی دریایی اکنون با اتصال NMEA 2000 عرضه می‌شوند:

نمایشگرهای چند منظوره (MFD)مصرف‌کنندگان داده‌های شبکه هستند - نمودارسازها و نمایشگرهای ابزار دقیق از برندهای اصلی لوازم الکترونیکی دریایی، PGNها را می‌خوانند و آنها را به اپراتور ارائه می‌دهند. در اکثر شناورها، MFD جایی است که در نهایت داده‌های باتری دیده می‌شود.

دروازه‌های موتورداده‌های اختصاصی موتور را به شبکه ترجمه می‌کند و دور موتور، جریان سوخت و آلارم‌های موتور را مانند سایر موارد روی همان نمایشگرها نمایش می‌دهد.

حسگرها— عمق، باد، GPS، دما، سطح باک، جریان سوخت — تولیدکنندگان داده شبکه هستند که هر کدام مجموعه PGN خود را منتقل می‌کنند.

خلبان خودکار و رادیوهر دو از داده‌های ناوبری استفاده می‌کنند و در مورد رادیوهای VHF با DSC (تماس انتخابی دیجیتال)، از داده‌های شبکه GPS برای تماس‌های اضطراری استفاده می‌کنند.

دستگاه‌های باتری و برقسریع‌ترین رشد را در بین این دسته‌ها دارند. مانیتورهای باتری، شنت‌ها، کنتورهای انرژی DC و سیستم‌های باتری لیتیومی با الکترونیک BMS با قابلیت ارتباط، گروه PGN باتری که در بالا توضیح داده شد را منتقل می‌کنند و نمایشگر سکان را به یک صفحه مدیریت توان تبدیل می‌کنند. اینکه نمایشگرهای دریایی چگونه داده‌های باتری لیتیومی را می‌خوانند و تفسیر می‌کنند، موضوع به اندازه کافی عمیقی است که ما آن را در راهنمای جداگانه‌ای پوشش می‌دهیم.چگونه الکترونیک دریایی داده‌های باتری لیتیومی را می‌خواند →

اگر در حال ارزیابی یک باتری لیتیومی برای یک قایق هستید، قابلیت ارتباطی در کنار ظرفیت و رتبه‌بندی تخلیه در چک لیست قرار دارد - راهنمای انتخاب باتری لیتیومی دریایی ما نحوه سنجش آن در برابر بقیه مشخصات را پوشش می‌دهد.راهنمای انتخاب باتری لیتیوم دریایی →

صدور گواهینامه و انطباق

یکی از جنبه‌های NMEA 2000 که بسیاری از خریداران را شگفت‌زده می‌کند این است که این پروتکل، یک پروتکل متن‌باز و قابل استفاده نیست. NMEA 2000 یک استاندارد دارای مجوز است و تمام محصولاتی که داده‌های NMEA 2000 را می‌خوانند یا منتقل می‌کنند، ملزم به اخذ گواهینامه تحت توافقنامه مجوز NMEA 2000 هستند (منبع:ان‌ام‌ای‌ایآزمایش صدور گواهینامه می‌تواند توسط سازنده با استفاده از ابزار صدور گواهینامه NMEA یا توسط شخص ثالث انجام شود و هزینه‌های صدور مجوز استاندارد توسط صنعت طبقه‌بندی می‌شود.

صدور گواهینامه به یک دلیل عملی وجود دارد: این همان چیزی است که وعده قابلیت همکاری "هر دستگاهی، هر برندی" را واقعی می‌کند. یک دستگاه دارای گواهینامه نشان داده است که پیام‌های اجباری را به درستی ارسال می‌کند، به درخواست‌های مدیریت شبکه به درستی پاسخ می‌دهد و گذرگاه را برای دیگران مختل نمی‌کند.

برای سازندگان و یکپارچه‌سازان سیستم OEM، این موضوع پیامد برنامه‌ریزی دارد. وقتی یک سیستم باتری با قابلیت ارتباط برای یک قایق طراحی می‌شود، صدور گواهینامه یک گام تعریف‌شده در مسیر محصول است - با الزامات تست سخت‌افزار و نرم‌افزار مستند - نه یک اقدام بعدی. اینکه چه کسی، چه چیزی را و در کدام سطح از محصول نهایی تأیید می‌کند، سؤالی است که باید در اوایل پروژه حل شود. ما در راهنمای ادغام OEM خود، نحوه مدیریت معمول ادغام ارتباطات توسط تیم‌های OEM و مسیر صدور گواهینامه را بررسی می‌کنیم.چگونه تولیدکنندگان اصلی تجهیزات (OEM) ارتباط NMEA 2000 را ادغام می‌کنند →

سیستم‌های باتری NMEA 2000 و لیتیومی

باتری‌های لیتیوم آهن فسفات (LiFePO4) قابلیت‌های سیستم‌های الکتریکی دریایی را تغییر دادند - ظرفیت قابل استفاده بالاتر، شارژ سریع‌تر و - از طریق الکترونیک مدیریت باتری که حمل می‌کنند - داده‌های بسیار بیشتری را در کشتی فراهم کردند. اما این داده‌ها فقط زمانی ارزش ایجاد می‌کنند که به اپراتور برسند و در یک کشتی با الکترونیک شبکه‌ای، مستقیم‌ترین مسیر به اپراتور، شبکه NMEA 2000 است.

یک سیستم باتری لیتیومی از طریق BMS خود یا از طریق یک دروازه ارتباطی که داده‌های BMS را به PGN های استاندارد باتری تبدیل می‌کند، در شبکه مشارکت می‌کند. به محض اتصال به شبکه، وضعیت شارژ روی نمودار نمودار ظاهر می‌شود، شرایط ولتاژ پایین به جای اینکه به طور خاموش در محفظه باتری فعال شود، آلارم‌ها را در سمت راست فعال می‌کند و می‌توان چندین بانک باتری را در کنار هم از طریق شماره‌های نمونه آنها کنترل کرد.

برای پروژه‌های باتری سفارشی و OEM، الزامات ارتباطی به همان اندازه الزامات الکتریکی دقیق هستند. سوالاتی که موفقیت ادغام را تعیین می‌کنند، خاص هستند: سیستم باید کدام PGNها را ارسال کند؟ کشتی چند نمونه باتری را اجرا خواهد کرد؟ آیا پروژه به اتصال شبکه بومی یا معماری دروازه نیاز دارد؟ آیا صدور گواهینامه در سطح باتری انجام می‌شود یا در سطح سیستم کشتی؟

تیم مهندسی DALY از یکپارچه‌سازی ارتباطات NMEA 2000 برای پروژه‌های باتری دریایی پشتیبانی می‌کند و تطبیق پروتکل بر اساس الزامات پروژه امکان‌پذیر است. اگر در حال برنامه‌ریزی یک پروژه باتری لیتیومی سفارشی هستید، نوع کشتی، پیکربندی باتری و داده‌هایی را که نمایشگرهای شما باید در مرحله RFQ (درخواست قیمت) نشان دهند، به اشتراک بگذارید - تیم مهندسی ما با یک پیشنهاد طرح ارتباطی و یک قیمت پاسخ خواهد داد. تعریف زودهنگام مجموعه PGN، پیکربندی نمونه و مسیر صدور گواهینامه، تفاوت بین یکپارچه‌سازی‌ای است که در محل خود قرار می‌گیرد و یکپارچه‌سازی‌ای که در آزمایش دریایی دوباره طراحی می‌شود.

سوالات متداول

Q1پروتکل NMEA 2000 بر چه اساسی بنا شده است؟

NMEA 2000 بر اساس فناوری گذرگاه CAN (شبکه ناحیه کنترل‌کننده) ساخته شده است، با یک لایه کاربرد دریایی استاندارد که تحت تأثیر SAE J1939 قرار دارد. پایه CAN شبکه فیزیکی و مدیریت خطا را فراهم می‌کند؛ لایه NMEA 2000 معنای پیام‌ها را تعریف می‌کند.

Q2آیا NMEA 2000 همان گذرگاه CAN است؟

خیر. گذرگاه CAN فناوری شبکه زیربنایی است؛ NMEA 2000 یک استاندارد پروتکل کامل است که بر روی آن ساخته شده است. دو دستگاه می‌توانند هم از CAN استفاده کنند و هم نتوانند یکدیگر را درک کنند - تعاریف پیام PGN در NMEA 2000 چیزی است که قابلیت همکاری بین دستگاه‌های دریایی را ایجاد می‌کند.

Q3NMEA 2000 با چه سرعتی اجرا می‌شود؟

NMEA 2000 با سرعت ۲۵۰ کیلوبیت بر ثانیه کار می‌کند - تقریباً پنجاه برابر سریع‌تر از استاندارد NMEA 0183 با سرعت ۴۸۰۰ بیت بر ثانیه، و به اندازه کافی سریع است تا داده‌های ناوبری، موتور و باتری یک کشتی معمولی را روی یک ستون فقرات واحد حمل کند.

Q4آیا باتری‌های لیتیومی می‌توانند به شبکه NMEA 2000 متصل شوند؟

بله. یک سیستم باتری لیتیومی از طریق یک BMS یا دروازه‌ای که PGN های استاندارد باتری - 127508 (وضعیت باتری)، 127506 (وضعیت دقیق DC) و 127513 (وضعیت پیکربندی باتری) - را منتقل می‌کند، به شبکه متصل می‌شود و به نمایشگرهای سازگار اجازه می‌دهد ولتاژ، جریان و وضعیت شارژ را نشان دهند. رویکرد پیاده‌سازی (رابط یا دروازه بومی) برای هر پروژه تعریف می‌شود.

• ایمیل:dalybms@dalyelec.com

صفحه محصول هوشمند BMS:https://www.dalybms.com/smart-bms/