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摘要 作為建設更高效的可持續發(fā)展社會(huì )的重要戰略，智能城市生態(tài)系統及其新一波創(chuàng )新應用引起業(yè)界廣泛關(guān)注。智能城市需要智能路燈、智能電能表、智能燃氣表、智能傳感器節點(diǎn)、智能建筑、智能駐車(chē)、電動(dòng)交通和智能垃圾收集等先進(jìn)技術(shù)。意法半導體掌握最先進(jìn)的半導體制造工藝，擁有各種物聯(lián)網(wǎng)半導體解決方案，并深入了解公用事業(yè)生態(tài)系統的構成要素，因此，意法半導體在滿(mǎn)足智能城市需求方面占據優(yōu)勢。 簡(jiǎn)介 物聯(lián)網(wǎng)簡(jiǎn)稱(chēng)IoT,是由智能設備節點(diǎn)互聯(lián)構成的網(wǎng)絡(luò )，這些網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)多數情況下是低功耗、低成本的傳感器節點(diǎn)，可直接感測數據，并將信息傳送到互聯(lián)網(wǎng)云端，全程無(wú)需人工干預。云端負責采集、處理和保護數據信息，并向指定人員分享信息，或者為公用事業(yè)機構提供數據服務(wù)。物聯(lián)網(wǎng)的主要目標是運用科技手段提高人們的生活品質(zhì)。 物聯(lián)網(wǎng)概念覆蓋四大應用領(lǐng)域：穿戴技術(shù)、智能家居、智能汽車(chē)和智能城市。因為拉動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)應用增長(cháng)，智能城市應用開(kāi)始引起業(yè)界關(guān)注。 智能城市包括智能樓宇、智能電表、路燈監控、交通管理、智能駐車(chē)、環(huán)境監測、智能垃圾收集、智能遠程醫護服務(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(chē)。 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(AMI)讓智能表計在智能城市概念中扮演重要角色。高級表計架構可在在用戶(hù)表計與相關(guān)公共服務(wù)機構之間雙向傳輸數據，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)機構可實(shí)時(shí)遠程抄表，采集所有計量表計的能源使用數據，確定總體能源負載曲線(xiàn)，動(dòng)態(tài)選擇能源供應協(xié)議中的階梯價(jià)格，監視并維護整個(gè)系統運行，同時(shí)預防網(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的關(guān)鍵構件，電力線(xiàn)通信(PLC)或無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)能夠讓智能表計向數據集中器上傳信息，定期向公共服務(wù)機構分享數據。 電能表 電力線(xiàn)通信(PLC)技術(shù)通常用于電能表。意法半導體擁有20余年的電力線(xiàn)通信技術(shù)研發(fā)經(jīng)驗，為市場(chǎng)提供不電的電力線(xiàn)調制解調器(PLM)。STarGRID產(chǎn)品家族是一個(gè)電力線(xiàn)調制解調器平臺，提供兼容不同網(wǎng)線(xiàn)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(gè)由非贏(yíng)利性的電力行業(yè)聯(lián)合會(huì )管理的開(kāi)放式技術(shù)標準，會(huì )員包括歐美亞的科技公司和供電企業(yè)。 最近，意法半導體推出了STCOMET智能電表和PLC二合一系統芯片,該芯片集成了電力線(xiàn)通信調制解調器、高性能ARM Cortex M4應用處理器和電能計量功能，其中，內部電力線(xiàn)通信調制解調器架構支持最高500 KHz的PRIME、 G3、IEEE 1901.2、METERS AND MORE®等窄帶PLC通信協(xié)議；電能計量子系統兼容1級、0.5級和0.2級交流電表計量精度。 燃氣表 智能燃氣表是電池供電，所以通常采用無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。意大利開(kāi)始在全國大規模安裝智能燃氣表。新表通過(guò)500mW 的RF 169MHz無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)連接到數據集中器。信息交換使用WMBUS(無(wú)線(xiàn)表計總線(xiàn))和 DLMS/COSEM通信協(xié)議。 
圖1 –智能表計應用示意圖 無(wú)線(xiàn)表計總線(xiàn)是一個(gè)開(kāi)放式集中抄表標準。設備語(yǔ)言報文規范(DLMS)和電能計量配套技術(shù)規范(COSEM)實(shí)現了數據集中器與電表交換數據所用的抽象層。意法半導體的SPI RIT1實(shí)現了這些通信協(xié)議，是一款具有市場(chǎng)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。為了能夠在智能燃氣內工作，收發(fā)器還需外接一個(gè)功放，將最大輸出功率提高到27dBm。意法半導體開(kāi)發(fā)了兼容歐洲EN13757-3:2013和EN13757-4:2013標準的WMBUS固件協(xié)議棧，如果客戶(hù)要求，意法半導體還提供相關(guān)的C源代碼，代碼運行在STM32L1和PIRIT1組成的開(kāi)發(fā)平臺上。STM32L1是一系列超低功耗的ARM Cortex M3微控制器，用戶(hù)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處理器內核。 智能照明 智能路燈是目前不少地區政府關(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)耗電量和路燈維護問(wèn)題，同時(shí)能夠為市政服務(wù)機構提供多項服務(wù)。智能街道照明系統可以遠程控制路燈，并根據公路交通參與者活動(dòng)狀況和雨、霧霾、霧等自然環(huán)境條件，自動(dòng)調整路燈亮度。此外，系統還可以監視每支燈的狀態(tài)、壽命、耗電量等信息，以及每個(gè)燈桿的垂直梯度。當機動(dòng)車(chē)撞到燈桿或燈具出現異常運動(dòng)時(shí)，系統還能檢測到加速度數據，并將數據發(fā)送到操作員，從而節省大量的維修成本，同時(shí)大幅降低燈具更換率。
圖2 –智能路燈應用示意圖 在智能城市中，路燈將會(huì )為市政服務(wù)機構提供多項服務(wù)。除城市照明外，市政服務(wù)機構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，可為市政服務(wù)機構提供新型服務(wù)，例如，交通監測、出行效率、公路安全、空氣質(zhì)量監測、天氣監測、電動(dòng)交通管理等。 除高效的路燈控制驅動(dòng)產(chǎn)品及技術(shù)外，傳感器和通信系統同樣發(fā)揮重要作用。意法半導體是智能傳感器市場(chǎng)公認的領(lǐng)導品牌，擁有智能路燈系統所需的全部產(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(hù)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。 傳統公共照明系統升級到智能照明，通信技術(shù)是一個(gè)關(guān)鍵要素。無(wú)線(xiàn)通信或電力線(xiàn)通信是智能路燈系統中應用最多的兩種通信技術(shù)。 6LoWPAN無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。SPIRIT1就是一款工作在這三個(gè)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(xiàn)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(wú)線(xiàn)個(gè)人區域網(wǎng)絡(luò )的IPv6）是應用最廣泛的無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議。 互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組IETF開(kāi)發(fā)的6LoWPAN通信協(xié)議通過(guò)低功耗無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )傳送IPv6分組數據，在互聯(lián)網(wǎng)云端為每個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)分配一個(gè)唯一性的IP地址。 6LoWPAN通信層實(shí)現了RPL(低功耗有損耗IPv6網(wǎng)絡(luò )路由協(xié)議)，該協(xié)議為電池供電節點(diǎn)提供了高能效的動(dòng)態(tài)路由通道，每個(gè)設備可通過(guò)網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò )傳遞報文，從而擴大了通信距離。網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò )自動(dòng)建立，自動(dòng)處理。 開(kāi)源操作系統Contiki提供一個(gè)開(kāi)源版6LoWPAN協(xié)議棧，意法半導體為STM32平臺開(kāi)發(fā)出一個(gè)Contiki 3.0端口。意法半導體的NUCLEO電路板與所支持的擴展板配合使用，可以開(kāi)發(fā)這個(gè)應用。意法半導體6LoWPAN演示解決方案包括STM32L152RET6超低功耗微控制器開(kāi)發(fā)板NUCLEO-L152RE和X-NUCLEO-IDS01A4擴展板。X-NUCLEO-IDS01A4擴展板是搭載SPSGRF-868射頻收發(fā)器的Shield接口擴展板。SPSGRF-868是經(jīng)過(guò)認證的低于1GHz的SPIRIT1射頻模塊。 路燈PLM網(wǎng)絡(luò ) 電力線(xiàn)通信調制解調器簡(jiǎn)稱(chēng)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(mǎn)足智能路燈的通信需求。 圖3所示是意法半導體的STEVAL-IHP007V1電力線(xiàn)通信板，將其與HID或LED鎮流器模塊配套使用，可實(shí)現智能路燈控制系統。這塊板子搭載意法半導體的STM32F103 ARM Cortex‐M3微控制器和ST7580 PSK窄帶電力線(xiàn)調制解調器。ST7580的數據速率為28.8kbps，屬于意法半導體的STarGRID PLM產(chǎn)品家族。這塊評估板工作在CENELEC B頻段，內置路燈專(zhuān)用數據鏈路層固件協(xié)議，實(shí)現了防沖突和重復算法。
圖3 –STEVAL-IHP007V1 智能家居 – 無(wú)線(xiàn)聯(lián)網(wǎng) 智能家居生態(tài)系統包括智能照明、智能家電、電源監控智能插座、家庭安保系統。
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(shí)現的關(guān)鍵技術(shù)之一。 意法半導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(gè)搭載STM32F103微控制器的無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)橋，集成了下面的無(wú)線(xiàn)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(guò)認證(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(guò)AT指令為用戶(hù)提供友好的界面。 •Sub-GHz RF模塊 - SP1ML-868: 868 MHz ETSI認證射頻模塊，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(xiàn)。 •藍牙模塊 - SPBT2632: Bluetooth® Classic 3.0版，內置藍牙協(xié)議棧固件，包括SPP和iAP規范；提供AT指令界面，通過(guò)CE、FCC、IC、TELEC認證。 •NFC讀寫(xiě)器芯片 - CR95HF: NFC 13.56-MHz讀寫(xiě)器，內置多協(xié)議非接收發(fā)器，提供SPI和UART串行接口。 在這個(gè)通信平臺上，SP1MLRF SubGHz負責在6LoWPAN MESH協(xié)議網(wǎng)絡(luò )上傳輸和采集無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)的數據信息。 圖6中的STEVAL-IDI003V2和STEVAl-IDI002V2評估板配合使用，可創(chuàng )建低功耗傳感器節點(diǎn)射頻網(wǎng)絡(luò )。 STEVAL-IDI002V2是一個(gè)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至868MHz。
圖6 –射頻節點(diǎn) STEVAL-IDI003V2是一塊板載多個(gè)傳感器的評估板，通過(guò)一個(gè)11針接口連接射頻板。板載傳感器包括： HTS221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(guò)SPI和I2C數字串行接口上傳測量數據。 LPS25H 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絕對數字輸出。 LIS3DH 3軸 "納安級" MEMS加速度計，超低功耗，高線(xiàn)性，I2C/SPI串行輸出。 低功耗射頻網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)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輸出。網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)組件包括NUCLEO-L152RE、X-NUCLEO-IDS01A4和X-NUCLEO-IKS01A1。 (圖7)
圖7 –x-NUCLEO方法 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋板(STEVAL-IDI004V2)和射頻傳感器節點(diǎn)(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。 在無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋板上，6LoWPAN協(xié)議棧運行在SP1ML-868射頻模塊內的STM32L1微控制器上。 當智能手機通過(guò)藍牙連接到無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋板時(shí)，可以在專(zhuān)用的安卓應用軟件上查看無(wú)線(xiàn)傳感器參數，如圖8所示。
圖8 –藍牙APP 每個(gè)射頻傳感器節點(diǎn)都被分配一個(gè)唯一性的IPv6地址或設備別名。 NFC界面可用于設置無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋板，例如，藍牙設備名稱(chēng)、WiFi 的SSID/密碼和無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)通道設置。 用戶(hù)也可以通過(guò)USB VCOM驅動(dòng)，使用專(zhuān)用的PC圖形用戶(hù)界面來(lái)完成這個(gè)配置過(guò)程。 此外，WiFi可用于連接無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )和互聯(lián)網(wǎng)云端，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)應用程序從云端監控所有的射頻傳感器節點(diǎn)參數。 結束語(yǔ) 意法半導體擁有業(yè)界最豐富的半導體產(chǎn)品組合和最先進(jìn)的半導體制造工藝，從傳感器、功放，到低功耗微控制器，再到安全IP模塊、模擬器件和接口芯片，意法半導體擁有構建物聯(lián)網(wǎng)系統所需的全部組件。 |
