智能城市 運用新科技 讓城市生活更美好

　　摘要

　　作為建設(shè)更高效的可持續(xù)發(fā)展社會的重要戰(zhàn)略，智能城市生態(tài)系統(tǒng)及其新一波創(chuàng)新應(yīng)用引起業(yè)界廣泛關(guān)注。智能城市需要智能路燈、智能電能表、智能燃?xì)獗?、智能傳感器?jié)點、智能建筑、智能駐車、電動交通和智能垃圾收集等先進(jìn)技術(shù)。意法半導(dǎo)體掌握最先進(jìn)的半導(dǎo)體制造工藝，擁有各種物聯(lián)網(wǎng)半導(dǎo)體解決方案，并深入了解公用事業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)成要素，因此，意法半導(dǎo)體在滿足智能城市需求方面占據(jù)優(yōu)勢。

　　簡介

　　物聯(lián)網(wǎng)簡稱IoT,是由智能設(shè)備節(jié)點互聯(lián)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，這些網(wǎng)絡(luò)節(jié)點多數(shù)情況下是低功耗、低成本的傳感器節(jié)點，可直接感測數(shù)據(jù)，并將信息傳送到互聯(lián)網(wǎng)云端，全程無需人工干預(yù)。云端負(fù)責(zé)采集、處理和保護(hù)數(shù)據(jù)信息，并向指定人員分享信息，或者為公用事業(yè)機(jī)構(gòu)提供數(shù)據(jù)服務(wù)。物聯(lián)網(wǎng)的主要目標(biāo)是運用科技手段提高人們的生活品質(zhì)。

　　物聯(lián)網(wǎng)概念覆蓋四大應(yīng)用領(lǐng)域：穿戴技術(shù)、智能家居、智能汽車和智能城市。因為拉動物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用增長，智能城市應(yīng)用開始引起業(yè)界關(guān)注。

　　智能城市包括智能樓宇、智能電表、路燈監(jiān)控、交通管理、智能駐車、環(huán)境監(jiān)測、智能垃圾收集、智能遠(yuǎn)程醫(yī)護(hù)服務(wù)。

　　穿戴技術(shù)涉及智能眼鏡、智能手環(huán)、智能手表等健身保健產(chǎn)品。

　　智能家居包括智能照明、智能家電和智能電源插座等監(jiān)控電能并確保家居安全的電器產(chǎn)品。

　　本文不討論智能汽車。

　　智能表計

　　智能表計是智能城市中最早出的概念。集中抄表(AMR)和高級表計架構(gòu)(AMI)讓智能表計在智能城市概念中扮演重要角色。高級表計架構(gòu)可在在用戶表計與相關(guān)公共服務(wù)機(jī)構(gòu)之間雙向傳輸數(shù)據(jù)，交換能源使用信息和本地能源產(chǎn)量信息。有了這項技術(shù)后，公共服務(wù)機(jī)構(gòu)可實時遠(yuǎn)程抄表，采集所有計量表計的能源使用數(shù)據(jù)，確定總體能源負(fù)載曲線，動態(tài)選擇能源供應(yīng)協(xié)議中的階梯價格，監(jiān)視并維護(hù)整個系統(tǒng)運行，同時預(yù)防網(wǎng)絡(luò)故障和能源損耗。

　　在這種情況下，通信是智能表計架構(gòu)的關(guān)鍵構(gòu)件，電力線通信(PLC)或無線通信技術(shù)能夠讓智能表計向數(shù)據(jù)集中器上傳信息，定期向公共服務(wù)機(jī)構(gòu)分享數(shù)據(jù)。

　　電能表

　　電力線通信(PLC)技術(shù)通常用于電能表。意法半導(dǎo)體擁有20余年的電力線通信技術(shù)研發(fā)經(jīng)驗，為市場提供不電的電力線調(diào)制解調(diào)器(PLM)。STarGRID產(chǎn)品家族是一個電力線調(diào)制解調(diào)器平臺，提供兼容不同網(wǎng)線協(xié)議的窄帶PLM通信解決方案，例如，ST7570、ST7580、ST7590分別支持IEC 61334-5-1、METERS AND MORE?、PRIME協(xié)議。METERS AND MORE?協(xié)議是一個由非贏利性的電力行業(yè)聯(lián)合會管理的開放式技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，會員包括歐美亞的科技公司和供電企業(yè)。

　　最近，意法半導(dǎo)體推出了STCOMET智能電表和PLC二合一系統(tǒng)芯片,該芯片集成了電力線通信調(diào)制解調(diào)器、高性能ARM Cortex M4應(yīng)用處理器和電能計量功能，其中，內(nèi)部電力線通信調(diào)制解調(diào)器架構(gòu)支持最高500 KHz的PRIME、 G3、IEEE 1901.2、METERS AND MORE?等窄帶PLC通信協(xié)議;電能計量子系統(tǒng)兼容1級、0.5級和0.2級交流電表計量精度。

　　燃?xì)獗?/p>

　　智能燃?xì)獗硎请姵毓╇?，所以通常采用無線通信技術(shù)。意大利開始在全國大規(guī)模安裝智能燃?xì)獗?。新表通過500mW 的RF 169MHz無線通信技術(shù)連接到數(shù)據(jù)集中器。信息交換使用WMBUS(無線表計總線)和 DLMS/COSEM通信協(xié)議。

　　圖1 –智能表計應(yīng)用示意圖

　　無線表計總線是一個開放式集中抄表標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)備語言報文規(guī)范(DLMS)和電能計量配套技術(shù)規(guī)范(COSEM)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)集中器與電表交換數(shù)據(jù)所用的抽象層。意法半導(dǎo)體的SPI RIT1實現(xiàn)了這些通信協(xié)議，是一款具有市場競爭力的射頻芯片。作為超低功耗的射頻收發(fā)器，SPI RIT1工作在150MHz-920MHz頻段,輸出功率最高16dBm，靈敏度為-118dBm。為了能夠在智能燃?xì)鈨?nèi)工作，收發(fā)器還需外接一個功放，將最大輸出功率提高到27dBm。意法半導(dǎo)體開發(fā)了兼容歐洲EN13757-3:2013和EN13757-4:2013標(biāo)準(zhǔn)的WMBUS固件協(xié)議棧，如果客戶要求，意法半導(dǎo)體還提供相關(guān)的C源代碼，代碼運行在STM32L1和PIRIT1組成的開發(fā)平臺上。STM32L1是一系列超低功耗的ARM Cortex M3微控制器，用戶還可以選用STM32L0或STM32L4微控制器，這兩款產(chǎn)品分別搭載ARM Cortex M0+和M4處理器內(nèi)核。

　　智能照明

　　智能路燈是目前不少地區(qū)政府關(guān)注的最新的智能城市發(fā)展趨勢之一，智能路燈有助于改進(jìn)耗電量和路燈維護(hù)問題，同時能夠為市政服務(wù)機(jī)構(gòu)提供多項服務(wù)。智能街道照明系統(tǒng)可以遠(yuǎn)程控制路燈，并根據(jù)公路交通參與者活動狀況和雨、霧霾、霧等自然環(huán)境條件，自動調(diào)整路燈亮度。此外，系統(tǒng)還可以監(jiān)視每支燈的狀態(tài)、壽命、耗電量等信息，以及每個燈桿的垂直梯度。當(dāng)機(jī)動車撞到燈桿或燈具出現(xiàn)異常運動時，系統(tǒng)還能檢測到加速度數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到操作員，從而節(jié)省大量的維修成本，同時大幅降低燈具更換率。

　　圖2 –智能路燈應(yīng)用示意圖

　　在智能城市中，路燈將會為市政服務(wù)機(jī)構(gòu)提供多項服務(wù)。除城市照明外，市政服務(wù)機(jī)構(gòu)還管理大量的其它市政服務(wù)，而公共照明網(wǎng)絡(luò)配備各種傳感器和先進(jìn)通信系統(tǒng)，可為市政服務(wù)機(jī)構(gòu)提供新型服務(wù)，例如，交通監(jiān)測、出行效率、公路安全、空氣質(zhì)量監(jiān)測、天氣監(jiān)測、電動交通管理等。

　　除高效的路燈控制驅(qū)動產(chǎn)品及技術(shù)外，傳感器和通信系統(tǒng)同樣發(fā)揮重要作用。意法半導(dǎo)體是智能傳感器市場公認(rèn)的領(lǐng)導(dǎo)品牌，擁有智能路燈系統(tǒng)所需的全部產(chǎn)品，其中，先進(jìn)傳感器包括加速度計(LIS2DS12)、壓力傳感器(LPS25HB)、濕溫傳感器(HTS221)和麥克風(fēng)(MP34Dxx)。為了便于用戶評測傳感器性能，x-NUCLEO-IKS01A1評估板上安裝了環(huán)境慣性感測模塊，兼容Arduino UNO R3排針。

　　傳統(tǒng)公共照明系統(tǒng)升級到智能照明，通信技術(shù)是一個關(guān)鍵要素。無線通信或電力線通信是智能路燈系統(tǒng)中應(yīng)用最多的兩種通信技術(shù)。

　　6LoWPAN無線網(wǎng)絡(luò)

　　169MHz、433MHz或868MHz的Sub GHz的射頻通信技術(shù)是歐洲常用的無線通信技術(shù)。SPIRIT1就是一款工作在這三個頻段的 Sub GHz射頻收發(fā)器，高性能，低功耗，靈敏度為–118dBm;支持跳頻、天線分集和AES-128加密，有多種通信協(xié)議可選，其中Wireless M-Bus或6LoWPAN(基于低功耗無線個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的IPv6)是應(yīng)用最廣泛的無線通信協(xié)議。

　　互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組IETF開發(fā)的6LoWPAN通信協(xié)議通過低功耗無線網(wǎng)絡(luò)傳送IPv6分組數(shù)據(jù)，在互聯(lián)網(wǎng)云端為每個無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點分配一個唯一性的IP地址。

　　6LoWPAN通信層實現(xiàn)了RPL(低功耗有損耗IPv6網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議)，該協(xié)議為電池供電節(jié)點提供了高能效的動態(tài)路由通道，每個設(shè)備可通過網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)傳遞報文，從而擴(kuò)大了通信距離。網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)自動建立，自動處理。

　　開源操作系統(tǒng)Contiki提供一個開源版6LoWPAN協(xié)議棧，意法半導(dǎo)體為STM32平臺開發(fā)出一個Contiki 3.0端口。意法半導(dǎo)體的NUCLEO電路板與所支持的擴(kuò)展板配合使用，可以開發(fā)這個應(yīng)用。意法半導(dǎo)體6LoWPAN演示解決方案包括STM32L152RET6超低功耗微控制器開發(fā)板NUCLEO-L152RE和X-NUCLEO-IDS01A4擴(kuò)展板。X-NUCLEO-IDS01A4擴(kuò)展板是搭載SPSGRF-868射頻收發(fā)器的Shield接口擴(kuò)展板。SPSGRF-868是經(jīng)過認(rèn)證的低于1GHz的SPIRIT1射頻模塊。

　　路燈PLM網(wǎng)絡(luò)

　　電力線通信調(diào)制解調(diào)器簡稱PLM，可替代前文討論的智能路燈射頻網(wǎng)絡(luò)通信，我們在本文智能功率部分討論的PLM STarGRID系列產(chǎn)品可滿足智能路燈的通信需求。

　　圖3所示是意法半導(dǎo)體的STEVAL-IHP007V1電力線通信板，將其與HID或LED鎮(zhèn)流器模塊配套使用，可實現(xiàn)智能路燈控制系統(tǒng)。這塊板子搭載意法半導(dǎo)體的STM32F103 ARM Cortex‐M3微控制器和ST7580 PSK窄帶電力線調(diào)制解調(diào)器。ST7580的數(shù)據(jù)速率為28.8kbps，屬于意法半導(dǎo)體的STarGRID PLM產(chǎn)品家族。這塊評估板工作在CENELEC B頻段，內(nèi)置路燈專用數(shù)據(jù)鏈路層固件協(xié)議，實現(xiàn)了防沖突和重復(fù)算法。

　　圖3 –STEVAL-IHP007V1

　　智能家居 – 無線聯(lián)網(wǎng)

　　智能家居生態(tài)系統(tǒng)包括智能照明、智能家電、電源監(jiān)控智能插座、家庭安保系統(tǒng)。

　　圖4 –智能家居

　　如同智能城市中的智能路燈網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)通信是智能家居能否實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

　　意法半導(dǎo)體擁有大量的符合智能家居技術(shù)要求的網(wǎng)絡(luò)通信產(chǎn)品，例如：PLM、WiFi、Bluetooth Classic和Bluetooth 4.1、NFC/RFID和RF SubGHz。

　　圖5所示的STEVAL-IDI004V2是意法半導(dǎo)體的網(wǎng)絡(luò)通信演示解決方案，在一塊電路板上集成了前方列舉的所有通信技術(shù)。

　　STEVAL-IDI004V2是一個搭載STM32F103微控制器的無線通信網(wǎng)橋，集成了下面的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)：WiFi、BT 3.0、RF SubGHz 868MHz和NFC。

　　圖 5 –STEVAL-IDI004V2

　　·Wi-Fi模塊 - SPWF01SA.11: 經(jīng)過認(rèn)證(FCC, IC, CE)的2.4 GHz IEEE 802.11 b/g/n射頻模塊; 集成 TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和完整的TLS/SSL安全算法，通過AT指令為用戶提供友好的界面。

　　·Sub-GHz RF模塊 - SP1ML-868: 868 MHz ETSI認(rèn)證射頻模塊，基于低于1GHz的SPIRIT1射頻收發(fā)器和 STM32L1超低功耗微控制器，并集成平衡-不平衡變換器(BALF-SPI-01D3)和片上天線。

　　·藍(lán)牙模塊 - SPBT2632: Bluetooth? Classic 3.0版，內(nèi)置藍(lán)牙協(xié)議棧固件，包括SPP和iAP規(guī)范;提供AT指令界面，通過CE、FCC、IC、TELEC認(rèn)證。

　　·NFC讀寫器芯片 - CR95HF: NFC 13.56-MHz讀寫器，內(nèi)置多協(xié)議非接收發(fā)器，提供SPI和UART串行接口。

　　在這個通信平臺上，SP1MLRF SubGHz負(fù)責(zé)在6LoWPAN MESH協(xié)議網(wǎng)絡(luò)上傳輸和采集無線傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)信息。

　　圖6中的STEVAL-IDI003V2和STEVAl-IDI002V2評估板配合使用，可創(chuàng)建低功耗傳感器節(jié)點射頻網(wǎng)絡(luò)。

　　STEVAL-IDI002V2是一個射頻板，基于STM32L1超低功耗微控制器和SPIRIT1 RF SubGHz 低功耗收發(fā)器，在本演示解決方案中，射頻芯片的通信頻率調(diào)至868MHz。

　　圖6 –射頻節(jié)點

　　STEVAL-IDI003V2是一塊板載多個傳感器的評估板，通過一個11針接口連接射頻板。板載傳感器包括：

　　lHTS221濕溫傳感器：該傳感器尺寸緊湊，可測量相對濕度和溫度，通過SPI和I?C數(shù)字串行接口上傳測量數(shù)據(jù)。

　　lLPS25H MEMS壓力傳感器：該傳感器是壓阻式壓力傳感器，尺寸非常小，260-1260 hP絕對數(shù)字輸出。

　　lLIS3DH 3軸 "納安級" MEMS加速度計，超低功耗，高線性，I2C/SPI串行輸出。

　　低功耗射頻網(wǎng)絡(luò)節(jié)點還可使用x-NUCLEO方法連接到6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)，以提供不同的傳感器參數(shù)輸出。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點組件包括NUCLEO-L152RE、X-NUCLEO-IDS01A4和X-NUCLEO-IKS01A1。 (圖7)

　　圖7 –x-NUCLEO方法

　　無線網(wǎng)橋板(STEVAL-IDI004V2)和射頻傳感器節(jié)點(STEVAL-IDI003V2+STEVAL-IDI002V2)之間的通信是以下文提到的6LoWPAN Contiki 3.0 通信(IPv6)為基礎(chǔ)。

　　在無線網(wǎng)橋板上，6LoWPAN協(xié)議棧運行在SP1ML-868射頻模塊內(nèi)的STM32L1微控制器上。

　　當(dāng)智能手機(jī)通過藍(lán)牙連接到無線網(wǎng)橋板時，可以在專用的安卓應(yīng)用軟件上查看無線傳感器參數(shù)，如圖8所示。

　　圖8 –藍(lán)牙APP

　　每個射頻傳感器節(jié)點都被分配一個唯一性的IPv6地址或設(shè)備別名。

　　NFC界面可用于設(shè)置無線網(wǎng)橋板，例如，藍(lán)牙設(shè)備名稱、WiFi 的SSID/密碼和無線傳感器節(jié)點通道設(shè)置。

　　用戶也可以通過USB VCOM驅(qū)動，使用專用的PC圖形用戶界面來完成這個配置過程。

　　此外，WiFi可用于連接無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)云端，通過互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序從云端監(jiān)控所有的射頻傳感器節(jié)點參數(shù)。

　　結(jié)束語

　　意法半導(dǎo)體擁有業(yè)界最豐富的半導(dǎo)體產(chǎn)品組合和最先進(jìn)的半導(dǎo)體制造工藝，從傳感器、功放，到低功耗微控制器，再到安全I(xiàn)P模塊、模擬器件和接口芯片，意法半導(dǎo)體擁有構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)所需的全部組件。