摘要：随着物联网技术的不断渗透，全球数十亿乃至数百亿的设备正在被联网，实现前所未有的数据采集、传输与智能控制。未来，当卫星物联网能让整个地球表面完成无缝连接，IoT 技术还有哪些方向可以“卷”？物联网通信技术初创公司 CSignum 给出的答案是——水下、冰川、土壤
随着物联网技术的不断渗透，全球数十亿乃至数百亿的设备正在被联网，实现前所未有的数据采集、传输与智能控制。未来，当卫星物联网能让整个地球表面完成无缝连接，IoT 技术还有哪些方向可以“卷”？物联网通信技术初创公司 CSignum 给出的答案是——水下、冰川、土壤、岩石和混凝土之间。
前不久，CSignum 宣布完成 600 万英镑（约合5700 万人民币）的 A 轮融资。该公司宣称已开发出一项创新的无线通信技术，能够通过专利的电磁场信号（EMFS），在水、冰、土壤等介质中传输数据，实现与地面网络的连接。本轮融资由 Archangels、Par Equity 和 Scottish Enterprise 联合领投，所得资金将用于加速其 EM-2 产品组合的市场拓展，并推进水下无线通信网络的开发。
据介绍，CSignum 当前的客户遍布英国、欧盟和美国市场，其技术可广泛应用于水质与环境监测、船底无线监测，以及海上风电场和油气平台等关键水下基础设施的安全防护等场景。此外，CSignum 还通过其“CSignum 云”平台，向客户提供数据仪表盘和分析服务。
Archangels 投资经理 Dan McKiddie 表示：“CSignum 开发出了一项真正独特的技术突破，这可能会改变那些依赖水下作业可靠数据的行业格局。我们期待着支持管理团队扩大业务规模，并颠覆全球水下通信市场。”
预计水下通信市场规模将从 2024 年的 51 亿美元翻一番，到 2032 年增至 102 亿美元。以此为背景，本文将介绍 CSignum 专利技术的创新之处，以及其在拓展更多物联网场景方面的可能。
电磁场信号通信：填补连接性空白的关键技术
无论是近海油气平台、深海勘探、海洋养殖，还是环境监测，可靠无缝的水下通信对于保障操作的成功、安全与效率至关重要。同样，发展地下通信能力也极为关键，例如在雨水排水系统中部署传感器，实现联动监控，这也是水下与地下物联网融合产生价值的关键场景。
然而，水下和地下环境存在独特挑战，会妨碍传统通信方式的正常运行。
文献资料显示，电磁波在海水中的传输衰减较大，表现出明显的频率相关性，常见的 2.4 GHz 无线蓝牙模块在水下仅能传播数十厘米。此外，水下环境具有独特的物理特征，盐浓度、压力、温度、风浪等因素导致海水中的电磁波衰减较为严重（且衰减程度随着电磁波频率的增加而急剧增加），因而电磁波在水下的传播距离受限。尽管超低频电磁波（30~300 Hz）可在海水中传输超过100m，但需要大规模的发射天线基站、大尺寸的接收天线，对于体积较小的水下平台而言并无实用价值。
除了介质本身带来的阻碍外，还存在定位问题。例如，在河流或水道旁部署调制解调器等设备时，其体积和访问受限可能导致需要从地方政府或居民处获得复杂许可。同时，本地活动可能损坏敏感设备、扰动传感器，造成高频率维护。
正因如此，CSignum 团队开创了真正的多域通信方案，将海洋、大气与陆地连接起来，采用其专利的低频电磁场信号（EMFS）系统，其宣称该项创新的技术目前是为数不多的、能够自主可靠地跨越水—气边界进行数据传输的方案之一。
低频电磁通信使得 CSignum EM-2 可突破声学、光学和有线水下通信的限制，实现数据可靠地穿越水-气界面，从水面以下传输至岸边或河岸，甚至可穿透冰层或从地下位置实时传输至地面。
EM-2 是目前唯一使用电磁场传输数据的技术，可安装于离岸结构（如石油和天然气平台或海上风电机组）的水线以上位置，并通过卫星通信系统（如 Iridium）实现远程互联网接入，同时与安装在水下结构上的另一台 EM-2 设备建立通信。即使是在飞溅区和浅水环境这类海底通信最恶劣的条件下，它也能与水下传感系统配对，将用户的数据从水下无线传输到顶部基站。
EM-2 具备如下特点：
·性能不受水中生物污垢、浑浊度或环境噪音的影响
·轻松安装并与各种传感器组集成
·对水生生物无不良影响
·双向点对点通信现已推出；多点连接和中继功能即将推出
利用电磁场传输数据，其传输距离可达 170 米（558 英尺），使用外部天线可扩展至 230 米（755 英尺），使用声学网关选件则可达 2 公里（1.25 英里），从而能够在各种咸水和淡水场景中成功部署和运行水下监测设备。
同样，CSignum 基于电磁场的通信方法也可用于地下通信，能够有效穿透各种地层，包括水、冰层或地下结构（例如水下隧道或雨水渠），实现数据传输。
水下物联网通信能力增强：深刻影响多个领域
随着电磁场信号（EMFS）等创新技术的突破，水下物联网通信能力获得了前所未有的提升，这一进展将深刻改变多个关键行业的运作模式——
水质监测
随着环境保护意识的增强，水质监测在水资源管理和污染防治中变得尤为重要。实时、精准的水质数据不仅有助于掌握水体生态变化趋势，还能为政府部门和企业提供科学决策依据，从而实现对饮用水源地、河流湖泊、水库和地下水等水体的有效保护与可持续利用。
传统的水质监测多依赖人工取样与实验室分析，存在响应滞后、监测覆盖面有限、成本高等问题。而基于物联网技术的智能水质监测系统，通过部署多参数传感器节点，结合无线通信和云平台，可实现对 pH 值、溶解氧、电导率、浊度、重金属离子等关键指标的全天候、自动化监测。特别是在水体环境复杂、易受污染扩散影响的区域，如工业排放口、养殖区域、水源保护区等，配备水下通信能力的传感器系统，能够有效实现对污染源的快速定位、对突发事件的实时预警与响应，极大提升水环境管理的主动性和精细化水平。
2024 年 12 月 3 日，CSignum 推出了其创新产品 EM-2Q，这是一款专用无线水质监测解决方案，旨在帮助企业满足《英国环境法案 2021》（UK Environment Act 2021）等监管要求。在监管要求日益严格的背景下，EA21 明确要求高频次地上传水质数据。
EM-2Q 是一款紧凑型可回收系统，配备 CSignum 的专利无线技术，可满足环境监测要求并确保参与工业水质管理的任何组织遵守法规。该解决方案包括一个完全浸没式的监测站，监测站将水质传感器数据传输到固定或便携式网关设备，该网关设备可以隐藏在视线之外，或部署在触及不到的地方，从而避免因盗窃造成的损失以及因故意破坏或篡改造成的损坏。
EM-2Q 专利设计的关键优势包括：
①无线通信优势：EM-2Q 完全浸没于水下，无需任何数据回收电缆，无线通信消除了对岸边或河堤固定基础设施的依赖，大幅降低设备被破坏、盗窃或篡改的风险。
②稳定的水下数据传输：借助 CSignum 的电磁场信号传输技术（EMFS），EM-2Q 可稳定地将数据从水下传送至水面设备，有效克服传统有线或浮标数据传输方式常遇到的挑战。
③免潜水员回收技术：CSignum 独创的气囊回收技术允许设备通过远程指令释放内置气囊，自行浮出水面，无需潜水作业，大幅节省人力和成本，并提高运行安全性。
④多参数水质监测能力：EM-2Q 可兼容多种多参数水质传感器，全面采集对环境合规与生态健康至关重要的数据指标，如 pH 值、溶解氧、浊度、电导率、营养盐、重金属离子等。
船舶监测
船舶螺旋桨轴（推进轴）状态监测是实现智能航运与船舶设备健康管理（Condition-Based Maintenance, CBM）的关键环节，但该领域长期面临一系列技术与应用挑战。
具体而言，螺旋桨轴位于水下和轴舱之间的密闭空间中，需承受长时间旋转、高载荷、海水腐蚀、高湿度、高振动等多重因素。这使得传感器布设和维护困难，尤其是在推进轴旋转部分实现数据采集与传输具有很高的工程难度。而关键状态参数如轴系扭矩、振动、温度、润滑状态、轴承磨损等传统上依赖人工检修或定期停靠检测，难以实现实时数据采集与连续性分析。同时，船舶推进轴处于旋转结构中，有线方式无法实时采集和回传数据；而无线通信受金属遮蔽、船体结构干扰影响较大，可靠通信成为一大技术瓶颈。
2024 年 11 月，CSignum 与 Thordon Bearings 合作推出一款新型无线螺旋桨轴承磨损测量系统。这标志着螺旋桨轴状态监测领域的重大进步，为商业和海军航运收集重要数据提供了一种高效且更具成本效益的方法。该系统采用了 CSignum 的专利电磁场信号（EMFS）技术，可将水下传感器的数据无线传输至水线上方的监控设备，赋能 Thordon 的无线轴承状态监测系统（BCM-W）。
该系统可在船舶浮水状态或干船坞中便捷安装，传感器通过螺栓固定在艉管或“P/A 型支架”法兰上，与高性能水下通信调制解调器相连接。采集的轴承间隙数据随后被传输至上甲板舱壁上的水面数据接收设备，操作员可通过平板电脑或笔记本电脑下载并分析这些数据。
借助 Thordon BCM-W，船舶运营商能够轻松记录轴承磨损速率和间隙趋势，一旦出现表明轴系错位的异常变化，系统可以快速识别预警。
虽然 BCM-W 系统是为海水润滑轴承间隙监测而设计，但该技术平台也可与其他传感器集成，为船体水线以下区域提供更全面的感知能力。例如，它还可扩展用于监测温度、应变、盐度等多种参数，为船舶健康管理提供更立体的数据支撑。
参考资料：
What Is The CSignum EM-2?,CSignum
CSignum Unveils EM-2Q: A Breakthrough in Wireless Water Quality Monitoring,CSignum
Electromagnetic wireless is a key to extending the internet of things (IoT) below the surface,CSignum
CSignum Launches EM-2 Wireless Underwater Communications,CSignum
水下无线通信装备发展研究,中国工程科学
怎样实现水下远距离无线通信？这一技术给出方案,中国军网
来源：智次方