作者：Jeff Shepard

　　無(wú)線通信，包括本地網(wǎng)絡(luò)和云連接，是一系列智能能源和公用事業(yè)系統(tǒng)的基本要素，包括電表、關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施、綠色能源系統(tǒng)、電動(dòng)汽車、電網(wǎng)現(xiàn)代化、智能電網(wǎng)和智能城市。這些應(yīng)用通常涉及邊緣連接，需要低延遲、可預(yù)測(cè)和安全的通信，可以使用 IEEE 802.15.4、Zigbee、藍(lán)牙和其他協(xié)議提供支持。在某些情況下，他們可以從低功耗、高吞吐量的無(wú)線協(xié)議中受益，例如 IEEE 802.11 g/n 標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)可在室外約 300 米內(nèi)提供高數(shù)據(jù)速率網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)。

　　此外，這些無(wú)線設(shè)備必須符合美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì) (FCC) 標(biāo)準(zhǔn)、歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì) (ETSI) 要求、歐洲 EN 300 328 和 EN 62368-1、加拿大創(chuàng)新、科學(xué)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展 (ISED)、日本總務(wù)省 (MIC) 等。設(shè)計(jì)無(wú)線連接并獲得所需的認(rèn)證可能非常耗時(shí)，導(dǎo)致成本增加并延長(zhǎng)上市時(shí)間。相反，設(shè)計(jì)人員可以轉(zhuǎn)向預(yù)先設(shè)計(jì)和認(rèn)證的無(wú)線通信模塊和開(kāi)發(fā)平臺(tái)，這些模塊和開(kāi)發(fā)平臺(tái)可以輕松集成到智能能源和公用事業(yè)設(shè)備中。

　　本文首先回顧了本地網(wǎng)絡(luò)和云連接的幾種通信選項(xiàng)和體系結(jié)構(gòu)，包括有線和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)選項(xiàng)。然后它提供了幾個(gè)無(wú)線平臺(tái) 迪吉, 硅實(shí)驗(yàn)室, 萊爾德連接, 英飛凌和 意法半導(dǎo)體 用于為智能能源和公用事業(yè)部署安全可靠的無(wú)線連接，包括開(kāi)發(fā)環(huán)境以加快設(shè)計(jì)過(guò)程。

　　重大機(jī)遇與挑戰(zhàn)

　　大挑戰(zhàn)往往伴隨著大機(jī)遇。在智慧城市基礎(chǔ)設(shè)施中部署智能能源和公用事業(yè)時(shí)，情況肯定如此。首先，需要有效地整合現(xiàn)有和老化的基礎(chǔ)設(shè)施。然后，需要部署地理位置分散且技術(shù)異構(gòu)、高效且強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)。最后，這些網(wǎng)絡(luò)有望提供靈活性，以應(yīng)對(duì)未來(lái)的技術(shù)發(fā)展，如智能和聯(lián)網(wǎng)車輛的出現(xiàn)。

　　例如，先進(jìn)的自動(dòng)化交通管理系統(tǒng)可以提高安全性，改善能源使用，并減少汽車、公共汽車和其他車輛對(duì)環(huán)境的影響。在這種情況下，集中式流量管理系統(tǒng)通過(guò)高帶寬光纖和無(wú)線回程通信連接到網(wǎng)絡(luò)。其他系統(tǒng)元素包括(圖1)：

　　在本地級(jí)別支持啟用 IP 的設(shè)備的以太網(wǎng)和蜂窩路由器。在某些情況下，添加以太網(wǎng)供電 (PoE) 以擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)效用并控制成本。

　　傳統(tǒng)設(shè)備可以通過(guò)專用連接和串行端口進(jìn)行集成。

　　本地Wi-Fi和藍(lán)牙設(shè)備可以使用匿名數(shù)據(jù)監(jiān)控交通密度和行人。生成的數(shù)據(jù)可以在本地進(jìn)行分析，并發(fā)送到中央交通管理系統(tǒng)進(jìn)行決策和更高級(jí)別的控制功能。

　　交通攝像頭、雷達(dá)或激光雷達(dá)等傳感器和其他數(shù)據(jù)源的組合由本地高級(jí)固態(tài)交通控制器 (ASTC) 使用，并移動(dòng)到集中管理中心以實(shí)時(shí)優(yōu)化交通流量。

　　圖 1：智慧城市中的自動(dòng)交通管理范圍從行人和車輛的 Wi-Fi 檢測(cè)到交通攝像頭和 ASTC 控制器以及集中式交通管理和控制中心。(圖片來(lái)源：數(shù)碼)

　　可以使用以下方法提高整體能源效率、公共安全和減少城市道路對(duì)環(huán)境的影響：

　　通過(guò)結(jié)合本地和集中控制，近乎實(shí)時(shí)地修改交通流量和信號(hào)定時(shí)，檢測(cè)并最大限度地減少擁堵。

　　調(diào)整信號(hào)定時(shí)，以支持公共汽車和其他形式的公共交通的高效和按時(shí)運(yùn)行。

　　可以實(shí)時(shí)為急救人員提供優(yōu)化的路線，以加快他們的到達(dá)速度，并最大限度地減少對(duì)公共安全的整體影響。

　　未來(lái)的智慧城市

　　今天的智慧城市仍然主要是一項(xiàng)正在進(jìn)行的工作。有充足的改進(jìn)和進(jìn)步機(jī)會(huì)。未來(lái)的智慧城市將越來(lái)越關(guān)注綜合能源效率和提高生活質(zhì)量。電動(dòng)汽車(e-vehicle)和智能或自動(dòng)駕駛汽車將成為常態(tài)。它們將被集成到智能住房、智能充電基礎(chǔ)設(shè)施、智能交付系統(tǒng)和端到端交通系統(tǒng)中，包括火車、輕軌和公共汽車，以及用于“最后一英里旅行”的電動(dòng)機(jī)器人出租車。

　　居民將使用智能手機(jī)進(jìn)行越來(lái)越多的用途，包括購(gòu)買(mǎi)公共汽車和火車票，加快流程并進(jìn)一步減少交通對(duì)環(huán)境的影響。雖然交通將繼續(xù)是電動(dòng)汽車的主要用途，但它并不是唯一的用途。

　　商用車輛，如卡車、公共汽車、貨車和送貨車，以及建筑設(shè)備，約占一氧化碳的四分之一2 據(jù)英飛凌稱，一個(gè)城市的排放量約占溫室氣體(GHG)總排放量的5%。除了為乘用車和電動(dòng)自行車充電外，還需要開(kāi)發(fā)集成充電基礎(chǔ)設(shè)施，以容納這些商用車中的大型電池。充電基礎(chǔ)設(shè)施需要相互連接和集中控制，以最大限度地提高各種類型車輛及其用例的充電速度。

　　為了支持減少對(duì)環(huán)境的影響，提高生活質(zhì)量和能源的有效利用，將需要復(fù)雜的實(shí)時(shí)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)來(lái)監(jiān)控分散的可再生能源，微電網(wǎng)和儲(chǔ)能的運(yùn)行，優(yōu)化能源利用，管理水和廢水的使用，并管理廣泛的運(yùn)輸和其他系統(tǒng)。這些實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)必須健壯且延遲最小(圖 2)。為了支持智慧城市基礎(chǔ)設(shè)施，設(shè)計(jì)人員需要能夠快速開(kāi)發(fā)、部署和更新復(fù)雜通信網(wǎng)絡(luò)和連接設(shè)備的工具。

　　圖 2：智慧城市服務(wù)將依靠強(qiáng)大的實(shí)時(shí)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)來(lái)連接各種應(yīng)用。(圖片來(lái)源：英飛凌)

　　通過(guò)無(wú)線模塊實(shí)現(xiàn)安全聯(lián)網(wǎng)

　　為了快速部署安全網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)人員可以求助于 Digi 的 XBee RR 無(wú)線模塊 基于 EFR32MG21B020F1024IM32-BR Silicon Labs 的無(wú)線片上系統(tǒng) (SoC)，包括一個(gè) 80 MHz ARM Cortex-M33 內(nèi)核和一個(gè)集成安全子系統(tǒng)。XBee 模塊利用多種無(wú)線協(xié)議和頻段(如 Zigbee、802.15.4 和 DigiMesh)以及低功耗藍(lán)牙 (BLE) 來(lái)支持各種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。DigiMesh是一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，可以降低使用Zigbee進(jìn)行點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)配置的復(fù)雜性。這些模塊支持 BLE 和連接到另一個(gè) BLE 設(shè)備.

　　智能手機(jī)連接可用于使用XBee移動(dòng)應(yīng)用程序配置和編程模塊。此外，開(kāi)發(fā)人員可以使用與Windows，MacOS和Linux兼容的XCTU配置平臺(tái)。XCTU 使用圖形網(wǎng)絡(luò)視圖來(lái)簡(jiǎn)化無(wú)線網(wǎng)絡(luò)配置，并使用 API 幀構(gòu)建器開(kāi)發(fā)工具快速構(gòu)建 XBee API 幀。其他模塊的功能和選項(xiàng)包括：

　　封裝選項(xiàng)包括 13 毫米 (mm) x 19 mm 微型安裝器件，如 XBRR-24Z8UM、表面貼裝模塊，如 XBRR-24Z8PS-J，以及通孔配置，例如 XBRR-24Z8ST-J (圖3)

　　PRO版本經(jīng)過(guò)FCC認(rèn)證，可在北美使用，標(biāo)準(zhǔn)版本符合ETSI標(biāo)準(zhǔn)，適用于歐洲

　　低功耗和高功率模塊配置

　　室內(nèi)/城市范圍可達(dá) 90 米 (m) (300 英尺)，具體取決于條件

　　根據(jù)條件，室外視線范圍可達(dá) 3200 米(2 英里)

　　集成的物聯(lián)網(wǎng)安全應(yīng)用程序簡(jiǎn)化了設(shè)備安全、設(shè)備標(biāo)識(shí)和數(shù)據(jù)隱私的集成

　　圖 3：Digi XBee 無(wú)線模塊的封裝選項(xiàng)包括微型安裝(左)、表面安裝(中)和通孔(右)。(圖片來(lái)源：數(shù)碼鑰匙)

　　智能網(wǎng)關(guān)

　　Laird Connectivity 的 Sterling LWB+ 模塊，如 453-00084R 是專為無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和智能網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)的高性能 2.4 GHz WLAN 和藍(lán)牙組合模塊。它們基于 AIROC CYW43439 英飛凌單芯片無(wú)線電IC，工作溫度范圍為-40°C至+85°C，適用于一系列智能公用事業(yè)以及智慧城市和能源應(yīng)用。Sterling LWB+ 模塊擁有全球認(rèn)證，包括 FCC、ISED、EU、MIC 和 AS/NZS。

　　Sterling LWB+ 模塊包括介質(zhì)訪問(wèn)控制 (MAC)、基帶和無(wú)線電，以及用于藍(lán)牙接口的獨(dú)立高速 UART。Laird Connectivity和英飛凌支持最新的Android和Linux驅(qū)動(dòng)程序。集成的芯片天線具有抗失諧能力，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)和制造。Sterling LWB+ 系列是系統(tǒng)級(jí)封裝 (SIP)，提供走線引腳、集成芯片天線或 MHF4 連接器。它們還包括WPA / WPA2 / WPA3加密。這些模塊提供四種封裝樣式，以滿足各種系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用要求的需求(圖 4)。

　　圖 4：基本 Sterling LWB+ SIP(左)、帶 MHF 連接器的模塊(左二)、帶集成天線的模塊(左三)和卡邊緣連接器(右)。(圖片來(lái)源：Laird Connectivity)

　　Sterling-LWB+ 包括安全、高性能、安全的數(shù)字輸入和輸出 (SDIO)，支持與任何基于 Linux 或 Android 的系統(tǒng)輕松集成。為了加快無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和智能網(wǎng)關(guān)的開(kāi)發(fā)，設(shè)計(jì)人員可以轉(zhuǎn)向 453-00084-K1 開(kāi)發(fā)套件，其中包括 453-00084R 帶有集成 MHF 連接器的模塊(圖 5)。

　　圖 5：該開(kāi)發(fā)板包括 Laird 的 453-00084R Sterling LWB+ 模塊，帶有集成的 MHF 連接器(圖片來(lái)源：Laird Connectivity)

　　無(wú)線工業(yè)級(jí)傳感器節(jié)點(diǎn)

　　無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)是智慧城市中智能能源和公用事業(yè)的重要組成部分。為了幫助設(shè)計(jì)人員快速設(shè)計(jì)、原型設(shè)計(jì)和測(cè)試高級(jí)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)，意法半導(dǎo)體提供了 STEVAL-STWINKT1B 傳感器磁貼開(kāi)發(fā)套件和參考設(shè)計(jì)。它包括一個(gè) X-核安全A1A 支持物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備身份驗(yàn)證和安全數(shù)據(jù)管理的擴(kuò)展板，一個(gè) 藍(lán)龍-M2SA 藍(lán)牙收發(fā)器模塊，以及 IMP23ABSUTR 微機(jī)電系統(tǒng)麥克風(fēng)。MEMS麥克風(fēng)設(shè)計(jì)用于與超低功耗板載微控制器配合使用，在從35 Hz到超聲波的寬振動(dòng)頻率范圍內(nèi)對(duì)9自由度(DoF)運(yùn)動(dòng)傳感數(shù)據(jù)進(jìn)行振動(dòng)分析。它還包括加速度計(jì)、陀螺儀、濕度傳感器、磁力計(jì)以及壓力和溫度傳感器。

　　SensorTile開(kāi)發(fā)套件包括對(duì)一系列軟件包、固件庫(kù)和云儀表板應(yīng)用程序的訪問(wèn)，以加快全面的端到端物聯(lián)網(wǎng)傳感器系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。集成模塊提供BLE連接，RS484收發(fā)器支持有線連接，并且 STEVAL-STWINWFV1 插件擴(kuò)展板提供 Wi-Fi 連接。主板包括一個(gè)STMod+連接器，用于添加基于STM32系列微控制器的小尺寸子板。最后，該開(kāi)發(fā)套件包括一個(gè) 480 mAh 鋰聚合物電池，一個(gè) STLINK-V3MINI 獨(dú)立的調(diào)試和編程探頭，以及一個(gè)塑料盒(圖6)。

　　圖 6：STEVAL-STWINKT1B SensorTile 開(kāi)發(fā)套件和參考設(shè)計(jì)包括一套全面的環(huán)境傳感器，并支持多種連接選項(xiàng)。(圖片來(lái)源：意法半導(dǎo)體)

　　總結(jié)

　　需要一系列無(wú)線連接協(xié)議來(lái)支持智慧城市中智能能源和公用事業(yè)系統(tǒng)的需求。這些系統(tǒng)可以提高能源效率，改善公共安全，支持更有效的水和能源使用，并減少一氧化碳。2 和溫室氣體排放。如圖所示，Wi-Fi、Zigbee和藍(lán)牙低功耗無(wú)線協(xié)議有多種無(wú)線模塊和開(kāi)發(fā)環(huán)境，可以提供智能城市基礎(chǔ)設(shè)施中智能能源和公用事業(yè)所需的安全而強(qiáng)大的連接。