شرح بروتوكول NMEA 2000: كيف تتبادل الشبكات البحرية البيانات

تجوّل في أرصفة أي مرسى حديث وستجد قوارب تعرض فيها أجهزة رسم الخرائط بيانات المحرك، ويقرأ نظام القيادة الآلية بيانات مستشعر الرياح، وتُبلغ بطارياتها عن حالة شحنها لشاشة قمرة القيادة - كل ذلك عبر كابل واحد يمر عبر هيكل القارب. تعتمد هذه التقنية المتكاملة على بروتوكول NMEA 2000®، وهو بروتوكول الاتصال الذي أصبح لغة مشتركة في الإلكترونيات البحرية.

يشرح هذا الدليل آلية عمل بروتوكول NMEA 2000: الشبكة التي يعمل عليها، ونظام الرسائل المستخدم، وكيفية انضمام الأجهزة إلى الشبكة، ومتطلبات مشاركة نظام بطاريات الليثيوم. سواء كنت تخطط لتحديث إلكترونيات أو تحديد متطلبات الاتصال لمشروع بطاريات من مصنّع المعدات الأصلية، فإن فهم البروتوكول هو الخطوة الأولى نحو نظام تتواصل فيه جميع الأجهزة مع بعضها البعض.

ما هو معيار NMEA 2000؟

بروتوكول NMEA 2000 هو بروتوكول اتصال موحد يسمح للأجهزة الإلكترونية البحرية - كالشاشات وأجهزة الاستشعار والمحركات وأنظمة البطاريات - بتبادل البيانات عبر شبكة واحدة. وقد طُوّر هذا البروتوكول من قِبل الرابطة الوطنية للإلكترونيات البحرية، وهو مبني على تقنية ناقل CAN (شبكة منطقة التحكم)، ويتيح للأجهزة من مختلف الشركات المصنعة تبادل المعلومات دون الحاجة إلى أسلاك مخصصة بين كل زوج من الأجهزة.

NMEA 2000® هي علامة تجارية مسجلة للجمعية الوطنية للإلكترونيات البحرية (NMEA)، وهي هيئة أمريكية تُعنى بتطوير وصيانة معايير الإلكترونيات البحرية. يُعرّف هذا البروتوكول شبكة منخفضة التكلفة، ثنائية الاتجاه، متعددة المرسلات والمستقبلات: حيث يمكن لأي جهاز معتمد إرسال واستقبال البيانات، وتُهيئ الشبكة نفسها تلقائيًا، ولا يوجد جهاز تحكم مركزي يعتمد عليه كل شيء.

تُعدّ هذه النقطة الأخيرة أكثر أهمية مما تبدو عليه. ففي شبكة NMEA 2000، إذا تعطل جهاز واحد، تستمر بقية الأجهزة في التواصل. قارن ذلك بالأسلاك القديمة من نقطة إلى نقطة، حيث كان جهاز واحد غالبًا ما يقع في منتصف سلسلة البيانات، وعندما يتعطل هذا الجهاز، تتوقف جميع الأجهزة التي تعتمد على بياناته عن العمل.

من الناحية العملية، يستخدم مالكو القوارب وبناة القوارب معيار NMEA 2000 لوضع بيانات الملاحة، ومعلمات المحرك، ومستويات الخزانات، وأجهزة الاستشعار البيئية، وبيانات البطارية - بشكل متزايد - على عمود فقري مشترك واحد، يمكن رؤيته من أي شاشة عرض متوافقة على متن القارب.

مقارنة بين معيار NMEA 2000 ومعيار NMEA 0183: ما الذي تغير؟

قبل معيار NMEA 2000، كانت الأجهزة الإلكترونية البحرية تتواصل عبر بروتوكول NMEA 0183، وهو بروتوكول تسلسلي تم تقديمه في أوائل الثمانينيات. ولا يزال بروتوكول NMEA 0183 موجودًا في العديد من السفن، وفهم الفرق يفسر سبب تطور الصناعة.

بروتوكول NMEA 0183 هو بروتوكول تسلسلي من نقطة إلى نقطة. يقوم جهاز واحد - يُسمى "المرسل" - بإرسال جمل نصية ASCII بسرعة 4800 باود (تمت إضافة نسخة عالية السرعة بسرعة 38400 باود لاحقًا، بشكل أساسي لبيانات تتبع السفن AIS) إلى جهاز واحد أو أكثر من "المستقبلين". لا يمكن للمستقبل استقبال البيانات إلا من جهاز واحد فقط، لذا فإن توصيل العديد من الأجهزة استلزم استخدام مُضاعِفات الإرسال، والمخازن المؤقتة، ومخططات الأسلاك التي ازدادت تعقيدًا مع كل جهاز إضافي.

استبدلت NMEA 2000 ذلك النموذج بشبكة حقيقية:

ميزة	NMEA 0183	NMEA 2000
بنيان	اتصال مباشر بين طرفين، متحدث واحد ← مستمعون	شبكة متعددة النقاط، جميع الأجهزة تتحدث وتستمع
الطبقة المادية	التسلسلي (إشارات على نمط RS-422/RS-232)	ناقل CAN، زوج ملتوي تفاضلي
سرعة	4800 باود (38400 نسخة عالية السرعة)	250 كيلوبت/ثانية
تنسيق البيانات	جمل نصية ASCII (بحد أقصى 82 حرفًا)	إطارات ثنائية مضغوطة
معيار دولي	IEC 61162-1	IEC 61162-3
إضافة جهاز	تمديد أسلاك جديد، وربما جهاز إرسال متعدد الإرسال	قم بتوصيل الكابل بالعمود الفقري
سلوك الفشل	يؤدي فشل المتحدث إلى قطع السلسلة	تستمر الشبكة بدون العقدة المعطلة

المعياران غير متوافقين. لا يمكن لجهاز NMEA 0183 الانضمام مباشرةً إلى شبكة NMEA 2000؛ تتطلب التركيبات المختلطة جهاز بوابة يترجم بين المعيارين. بالنسبة للسفن الجديدة والمُجددة، يُعد NMEA 2000 الخيار الافتراضي، ولهذا السبب، تزداد الحاجة إلى أنظمة البطاريات المصممة للاستخدام البحري لاستخدامه.

كيفية عمل البروتوكول: ناقل CAN و PGNs

يعتمد نظام NMEA 2000 في جوهره على شبكة منطقة التحكم (CAN)، وهي نفس تقنية ناقل البيانات التي أثبتت كفاءتها لعقود في أنظمة السيارات والأنظمة الصناعية، وتعمل بسرعة 250 كيلوبت/ثانية. ويضيف NMEA 2000 إلى شبكة CAN طبقة تطبيق موحدة متأثرة بشكل كبير بمعيار SAE J1939 (مجموعة بروتوكولات الاتصال المستخدمة في الشاحنات والمركبات الثقيلة): وهي عبارة عن مفردات مشتركة تُعرّف كل جهاز بمعنى البايتات المنقولة عبر الشبكة.

يتم تنظيم تلك المفردات فيأرقام مجموعات المعلمات (PGNs)كل PGN عبارة عن نوع رسالة محدد: يحمل أحدها موقع GPS، وآخر سرعة دوران المحرك، وثالث عمق الماء. تنتقل الرسائل كإطارات CAN باستخدام مُعرّف 29 بت وحقل بيانات 8 بايت؛ تُقسّم الرسائل الأكبر حجمًا على عدة إطارات ويُعاد تجميعها بواسطة جهاز الاستقبال. ولأن كل جهاز معتمد يُفسّر PGN بنفس الطريقة، يمكن لشاشة Garmin قراءة البيانات من بوابة محرك Yamaha ومستشعر خزان تابع لجهة خارجية دون الحاجة إلى تنسيق بين أي من هاتين الشركتين.

بالنسبة لأنظمة البطاريات، تقوم مجموعة محددة من شبكات PGN بالعمل:

• PGN 127508 – حالة البطاريةالجهد والتيار ودرجة الحرارة لبطارية
• PGN 127506 – الحالة التفصيلية لمركز البيانات: حالة الشحن، الحالة الصحية، والوقت المتبقي
• PGN 127513 – حالة تكوين البطاريةمعلومات عن الجهد الاسمي والتركيب الكيميائي والسعة

تنتقل حالات الإنذار والتحذير بشكل منفصل، من خلال رسائل التنبيه الموحدة للشبكة (PGN 126983) - وهي الطريقة التي يصبح بها عطل البطارية تحذيرًا مرئيًا ومسموعًا في قمرة القيادة بدلاً من كونه علامة صامتة داخل البطارية.

عندما يقوم نظام إدارة البطارية (BMS) أو بوابة البطارية بإرسال هذه البيانات (PGNs) إلى الشبكة، يمكن لأي شاشة عرض على متن السفينة تدعم هذه البيانات عرض جهد البطارية، وسحب التيار، وحالة الشحن، دون الحاجة إلى إضافة شاشة مراقبة بطارية منفصلة في قمرة القيادة. يتم تخصيص رقم تعريف لكل بطارية، وهو ما يميز الشبكة بين بطارية التخزين وبطارية التشغيل، ويعرضهما بشكل منفصل.

تُمثل طبقة PGN هذه نقطة التقاء إلكترونيات بطاريات الليثيوم مع الإلكترونيات البحرية، وهي التي تُحدد نجاح أو فشل مشاريع التكامل. فنظام إدارة البطارية الذي يقيس كل شيء دون إرسال أي بيانات يضع بيانات دقيقة في مكان لا يمكن لأحد رؤيتها؛ أما نظام إدارة البطارية الذي يُفعّل بروتوكولات PGN الخاصة بالبطارية فيجعل تلك البيانات جزءًا لا يتجزأ من السفينة.

بنية شبكة NMEA 2000

من الناحية الفيزيائية، تتبع شبكة NMEA 2000 بنية بسيطة وصلبة - وهذه الصلابة هي ميزة، لأنها تجعل الشبكات قابلة للتنبؤ.

[الرسم التخطيطي الأصلي هنا - مخطط طوبولوجيا الشبكة يوضح العمود الفقري، والموصلات الطرفية، وكابلات التوصيل، والأجهزة بما في ذلك شاشة العرض متعددة الوظائف، وبوابة المحرك، وأجهزة الاستشعار، وبنك بطاريات الليثيوم مع نظام إدارة البطارية. نص بديل: "مخطط شبكة NMEA 2000 مع نظام البطارية المتصل عبر كابل التوصيل"]

تتكون الشبكة من أربعة عناصر:

العمود الفقريهو الكابل الرئيسي الذي يمر عبر السفينة. كل جهاز متصل به؛ لا يوجد جهاز متصل مباشرة بجهاز آخر.

مقاومات الإنهاءقم بتغطية طرفي العمود الفقري. تتطلب إشارات ناقل CAN إنهاءً عند كل طرف من أطراف الجذع لمنع انعكاسات الإشارة - يُعدّ وجود طرف إنهاء مفقود أو مزدوج سببًا شائعًا لخلل في الشبكة.

كابلات التوصيليتم توصيل كل جهاز بالشبكة الرئيسية عبر موصلات على شكل حرف T. يحدد المعيار أقصى أطوال لكل من الشبكة الرئيسية والفروع الفردية، مما يحافظ على توقيت الإشارة ضمن المواصفات مع نمو الشبكات.

قوة الشبكةيتم توفير الطاقة عبر الشبكة الرئيسية نفسها. تحمل كابلات NMEA 2000 مصدر طاقة خاص بها لواجهات الشبكة للأجهزة المتصلة، بشكل منفصل عن أحمال التيار المستمر الرئيسية للسفينة.

تستخدم الأجهزة موصلات قياسية ذات 5 دبابيس (عادةً Micro-C) على كابلات زوجية ملتوية محمية، باستخدام إشارات تفاضلية لمقاومة الضوضاء - وهي ميزة مهمة في بيئة مليئة بالمولدات الكهربائية والمحولات وأجهزة الإرسال اللاسلكية.

بالنسبة لتركيب البطاريات، فإن لهذا التصميم المعماري دلالة عملية واحدة تستحق التخطيط المبكر: واجهة اتصال بنك البطاريات تحتاج إلى مسار كابل توصيل إلى العمود الفقري، والشبكات التي تحتوي على بنوك بطاريات متعددة تحتاج إلى تكوين أرقام مثيلاتها بحيث يظهر كل بنك كمصدر مميز على الشاشات.

ما هي الأجهزة التي تتصل بشبكة NMEA 2000؟

تأتي جميع فئات الإلكترونيات البحرية تقريبًا مزودة الآن بوصلة NMEA 2000:

شاشات العرض متعددة الوظائف (MFDs)تُعدّ أجهزة رسم الخرائط وشاشات العرض من كبرى العلامات التجارية للإلكترونيات البحرية هي مستهلكة بيانات الشبكة، حيث تقرأ هذه الأجهزة بيانات الشبكة المبرمجة (PGNs) وتعرضها للمشغل. وفي معظم السفن، تُعرض بيانات البطارية في نهاية المطاف على شاشة العرض متعددة الوظائف (MFD).

بوابات المحركترجمة بيانات المحرك الخاصة إلى الشبكة، ووضع سرعة الدوران وتدفق الوقود وإنذارات المحرك على نفس الشاشات مثل كل شيء آخر.

أجهزة الاستشعار— العمق، والرياح، ونظام تحديد المواقع العالمي (GPS)، ودرجة الحرارة، ومستوى الخزان، وتدفق الوقود — هي مصادر البيانات الخاصة بالشبكة، حيث يقوم كل منها بإرسال مجموعة بيانات PGN الخاصة به.

أجهزة القيادة الآلية وأجهزة الراديوكلاهما يستهلك بيانات الملاحة، وفي حالة أجهزة الراديو VHF المزودة بتقنية DSC (الاتصال الانتقائي الرقمي)، يستخدم بيانات نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) للشبكة لإجراء مكالمات الاستغاثة.

أجهزة تعمل بالبطارية والطاقةتُعدّ هذه الفئة الأسرع نموًا. تقوم أجهزة مراقبة البطاريات، والمحولات، وعدادات طاقة التيار المستمر، وأنظمة بطاريات الليثيوم المزودة بإلكترونيات إدارة البطاريات (BMS) القادرة على الاتصال، بنقل مجموعة بيانات PGN الخاصة بالبطارية المذكورة أعلاه، مما يحوّل شاشة قمرة القيادة إلى شاشة لإدارة الطاقة. يُعدّ فهم كيفية قراءة شاشات العرض البحرية لبيانات بطاريات الليثيوم وتفسيرها موضوعًا متعمقًا، لذا نتناوله في دليل مستقل.كيفية قراءة الأجهزة الإلكترونية البحرية لبيانات بطاريات الليثيوم →

إذا كنت تقوم بتقييم بطارية الليثيوم لقارب، فإن إمكانية الاتصال يجب أن تكون على قائمة التحقق إلى جانب السعة ومعدلات التفريغ - يغطي دليل اختيار بطارية الليثيوم البحرية لدينا كيفية مقارنتها ببقية المواصفات.دليل اختيار بطاريات الليثيوم البحرية →

الاعتماد والامتثال

من بين جوانب معيار NMEA 2000 التي قد تُفاجئ الكثير من المشترين: أنه ليس بروتوكولًا مفتوحًا يُمكن استخدامه كيفما يشاؤون. يُعدّ NMEA 2000 معيارًا مرخصًا، ويجب أن تكون جميع المنتجات التي تقرأ أو تُرسل بيانات NMEA 2000 معتمدة بموجب اتفاقية ترخيص NMEA 2000 (المصدر:NMEA). يمكن إجراء اختبار الاعتماد من قبل الشركة المصنعة باستخدام أدوات الاعتماد الخاصة بـ NMEA أو من قبل طرف ثالث، وتختلف رسوم ترخيص المعيار حسب الصناعة.

توجد الشهادات لسبب عملي: فهي ما يجعل وعد التوافق التشغيلي "أي جهاز، أي علامة تجارية" حقيقة واقعة. فالجهاز الحاصل على الشهادة يثبت أنه يرسل الرسائل الإلزامية بشكل صحيح، ويستجيب بشكل سليم لطلبات إدارة الشبكة، ولا يعطل عمل الشبكة لبقية الأجهزة.

بالنسبة لمصنعي المعدات الأصلية ومكاملي الأنظمة، يترتب على ذلك آثار تخطيطية. فعند تصميم نظام بطارية مزود بإمكانية الاتصال في قارب، تُعدّ عملية الاعتماد خطوة أساسية في مسار المنتج - مع متطلبات اختبار موثقة للأجهزة والبرامج - وليست مجرد إضافة لاحقة. ومن الضروري تحديد الجهة المسؤولة عن اعتماد ماذا، وفي أي مرحلة من مراحل المنتج النهائي، وذلك في المراحل الأولى من المشروع. نستعرض في دليلنا الخاص بتكامل المعدات الأصلية كيفية تعامل فرق مصنعي المعدات الأصلية عادةً مع تكامل الاتصالات ومسار الاعتماد.كيفية دمج مصنعي المعدات الأصلية لتقنية الاتصالات NMEA 2000 →

نظام NMEA 2000 وأنظمة بطاريات الليثيوم

أحدثت بطاريات فوسفات الحديد الليثيوم (LiFePO4) ثورة في إمكانيات الأنظمة الكهربائية البحرية، إذ وفرت سعة استخدام أكبر، وشحنًا أسرع، فضلًا عن كميات هائلة من البيانات المخزنة على متن السفينة بفضل إلكترونيات إدارة البطاريات المدمجة فيها. إلا أن هذه البيانات لا تُصبح ذات قيمة إلا عند وصولها إلى المشغل، وفي السفن المزودة بأنظمة إلكترونية متصلة بشبكة، تُعد شبكة NMEA 2000 هي المسار الأسرع والأكثر مباشرة للوصول إلى المشغل.

يشارك نظام بطاريات الليثيوم في الشبكة عبر نظام إدارة البطارية (BMS) أو عبر بوابة اتصال تُترجم بيانات نظام إدارة البطارية إلى بيانات PGN القياسية للبطاريات. بمجرد الاتصال بالشبكة، تظهر حالة الشحن على جهاز رسم الخرائط، وتُطلق حالات انخفاض الجهد إنذارات في قمرة القيادة بدلاً من إطلاقها بصمت في حجرة البطارية، ويمكن مراقبة عدة مجموعات بطاريات جنبًا إلى جنب من خلال أرقامها التعريفية.

في مشاريع البطاريات المخصصة ومشاريع تصنيع المعدات الأصلية، تستحق متطلبات الاتصال نفس القدر من الدقة التي تُطبق على المتطلبات الكهربائية. وتتلخص الأسئلة التي تحدد نجاح التكامل فيما يلي: ما هي بروتوكولات الشبكة العامة (PGNs) التي يجب على النظام إرسالها؟ كم عدد البطاريات التي ستعمل بها السفينة؟ هل يتطلب المشروع اتصالاً شبكياً أصلياً أم بنية بوابة؟ هل تتم عملية الاعتماد على مستوى البطارية أم على مستوى نظام السفينة؟

يدعم فريق الهندسة في DALY تكامل اتصالات NMEA 2000 لمشاريع بطاريات السفن، مع إمكانية تعديل البروتوكول وفقًا لمتطلبات كل مشروع. إذا كنت تخطط لمشروع بطارية ليثيوم مخصص، فشاركنا نوع سفينتك، وتكوين البطارية، والبيانات التي تحتاج شاشات العرض إلى عرضها في مرحلة طلب عرض الأسعار (RFQ). سيرد فريق الهندسة لدينا بتوصية بشأن مخطط الاتصال وعرض سعر. إن تحديد مجموعة PGN، وتكوين النظام، ومسار الاعتماد مبكرًا هو ما يُحدث الفرق بين تكامل سلس وتكامل يحتاج إلى إعادة تصميم أثناء التجربة البحرية.

الأسئلة الشائعة

Q1على ماذا يستند بروتوكول NMEA 2000؟

يعتمد معيار NMEA 2000 على تقنية ناقل CAN (شبكة منطقة التحكم)، مع طبقة تطبيق بحرية موحدة متأثرة بمعيار SAE J1939. يوفر أساس CAN الشبكة المادية ومعالجة الأخطاء؛ وتحدد طبقة NMEA 2000 معنى الرسائل.

Q2هل NMEA 2000 هو نفسه ناقل CAN؟

لا، ناقل CAN هو تقنية الشبكة الأساسية؛ أما NMEA 2000 فهو معيار بروتوكول كامل مبني عليه. يمكن لجهازين استخدام CAN ومع ذلك لا يستطيعان فهم بعضهما البعض - تعريفات رسائل PGN في NMEA 2000 هي التي تُحقق التوافق بين الأجهزة البحرية.

Q3ما هي سرعة تشغيل بروتوكول NMEA 2000؟

يعمل NMEA 2000 بسرعة 250 كيلوبت/ثانية - أي أسرع بخمسين مرة تقريبًا من NMEA 0183 القياسي بسرعة 4800 باود، وهو سريع بما يكفي لنقل بيانات الملاحة والمحرك والبطارية لسفينة نموذجية على عمود فقري واحد.

Q4هل يمكن توصيل بطاريات الليثيوم بشبكة NMEA 2000؟

نعم. ينضم نظام بطاريات الليثيوم إلى الشبكة عبر نظام إدارة البطاريات (BMS) أو بوابة تنقل بيانات تعريف البطاريات القياسية (PGNs) - 127508 (حالة البطارية)، و127506 (الحالة التفصيلية للتيار المستمر)، و127513 (حالة تكوين البطارية) - مما يسمح للشاشات المتوافقة بعرض الجهد والتيار وحالة الشحن. يتم تحديد أسلوب التنفيذ (الواجهة الأصلية أو البوابة) لكل مشروع على حدة.

• بريد إلكتروني:dalybms@dalyelec.com

صفحة منتج نظام إدارة المباني الذكي:https://www.dalybms.com/smart-bms/