芯耀
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智慧城市一度被認為是一個面向未來的想法，更多的是一種概念的描述，可能歷經(jīng)幾代人都無法實現(xiàn)。隨著新技術(shù)的飛速發(fā)展和大規(guī)模應用，很多智慧城市的概念逐步落地，置身其中的我們甚至已經(jīng)開始享受智慧城市生活。
那么，是什么造就了今天智慧城市建設的快速發(fā)展呢？原因可能有多種，但快速、高效、大容量的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）無線連接技術(shù)的進步無疑起到了關(guān)鍵作用。這些無線技術(shù)是智慧城市快速部署的重要環(huán)節(jié)，是打通數(shù)字連接的關(guān)鍵技術(shù)，它們大幅拓寬了智慧城市的邊界，通過智慧城市網(wǎng)絡建設彌合了生活中的數(shù)字鴻溝。
智慧城市背后的物聯(lián)網(wǎng)無線技術(shù)
智慧城市的核心是將構(gòu)成快節(jié)奏、高效運作的城市中的所有人、信息、資源和網(wǎng)絡連接起來，從衛(wèi)生設施到交通信號燈系統(tǒng)等等一切都可以連接起來，形成一個更大的互聯(lián)生態(tài)系統(tǒng)。智慧城市中的眾多應用是推動該領(lǐng)域需求和發(fā)展的動力，而這些應用程序在運行中必須借助一系列網(wǎng)絡技術(shù)才能達成其工作目標。選擇正確的無線解決方案,是能否成功部署物聯(lián)網(wǎng)設備的關(guān)鍵。
目前，市場上有眾多不同的物聯(lián)網(wǎng)無線技術(shù)，每種技術(shù)都有其獨特的功能和適用場景。在選擇時，設計人員通常會從傳輸速度、功耗、范圍和成本等幾個方面進行綜合考量。
回顧物聯(lián)網(wǎng)無線技術(shù)的發(fā)展，在過去的25年里，藍牙、Wi-Fi、Zigbee和近場通信（NFC）等短程無線連接技術(shù)自誕生以來都經(jīng)歷了重大變革，產(chǎn)品不斷地更新迭代，大大提高了性能、效率、可靠性、安全性和可擴展性，同時帶來了額外的功能增強，并因此形成了一個龐大的互聯(lián)設備生態(tài)系統(tǒng)。近年來，超寬帶（UWB）等新的連接技術(shù)也開始進入物聯(lián)網(wǎng)市場，有望在廣泛的應用中帶來新的用例和用戶體驗。
短距無線通信技術(shù)：藍牙和BLE
在智慧城市和物聯(lián)網(wǎng)應用中，藍牙和BLE是極靠近消費端的短距無線通信技術(shù)，旨在支持小型消費物聯(lián)網(wǎng)應用，主要用于從智能手表等健身和醫(yī)療可穿戴設備到家庭安全系統(tǒng)等智能家居設備。在智慧城市應用中，藍牙和BLE可用于停車管理和電動汽車充電等應用，甚至博物館和畫廊等用于發(fā)布本地信息的公共設施中也開始大量采用藍牙和BLE。
藍牙和BLE技術(shù)的關(guān)鍵特征是速度合理，能夠以極低功耗運行。因此，連接單元可以長時間由電池供電，且成本低廉。不過，藍牙的覆蓋范圍有限，對于與智能手機或其他設備的本地交互可能足夠了。如果解決方案還需要一些更廣泛的連接，就需要借助蜂窩網(wǎng)絡來實現(xiàn)網(wǎng)絡覆蓋。
智能充電樁是智能交通的重要應用，是全面實現(xiàn)智慧城市的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。當智能手機與充電樁的嵌入式藍牙配對后，在應用軟件的幫助下即可對電動汽車進行充電。手機通過藍牙與充電樁通信，可以完成整個充電過程的控制和充電過程的實時監(jiān)控。
充電樁通信部分的設計并不復雜，市場上有大量的藍牙模塊可供選擇。Silicon Labs公司的EFR32BG22C112F352GM32是一款被很多藍牙模塊選用的SoC，它包含38.4MHz ARM Cortex-M33內(nèi)核，有出色的處理能力，集成的安全功能可提供快速加密、安全啟動加載以及調(diào)試訪問控制。憑借高達0dBm的大功率輸出和-98.9（1Mbit/s GFSK）dBm的卓越接收靈敏度，EFR32BG22C112F352GM32提供了強大的RF鏈路，以便在BLE數(shù)據(jù)傳輸、位置服務和低功耗節(jié)點應用中實現(xiàn)可靠的通信和優(yōu)勢能效。
為幫助設計人員快速執(zhí)行BLE物聯(lián)網(wǎng)應用的原型設計，Silicon Labs公司還準備了一個超低成本的小封裝開發(fā)與評估平臺EFR32xG22E Explorer，供選擇使用。
圖3：EFR32BG22C112F352GM32內(nèi)部結(jié)構(gòu)（圖源：Silicon Labs）
廣域無線通信技術(shù) LoRa和LoRaWAN
在智慧城市中，要實現(xiàn)對垃圾箱、路燈、公共交通、環(huán)境等諸多系統(tǒng)的智能控制，安全、可用、經(jīng)濟高效的通信連接是必不可少的環(huán)節(jié)。LoRa是一種遠程無線通信技術(shù)，使用一種特殊調(diào)制類型的信號來發(fā)送數(shù)據(jù)，并在低頻段工作，旨在使用很少的電力進行長距離數(shù)據(jù)傳輸。這種高效的無線遠程通信技術(shù)非常適合需要長時間運行而無需頻繁充電或更換的電池供電設備。與蜂窩網(wǎng)絡等傳統(tǒng)通信方法不同，LoRa為廣域連接提供了一種經(jīng)濟高效的解決方案。在智慧城市基礎(chǔ)設施中，LoRa技術(shù)常用于監(jiān)控街道照明、廢物管理系統(tǒng)和停車管理。
然而，LoRa本身只處理通信的數(shù)據(jù)傳輸和接收的物理層信息。為了實現(xiàn)網(wǎng)絡管理、安全和物聯(lián)網(wǎng)設備管理的完整方法，LoRaWAN網(wǎng)絡是必要的。
LoRaWAN是一種在LoRa物理層之上運行的網(wǎng)絡協(xié)議，它定義了通信規(guī)則，以確保通過網(wǎng)絡進行高效和可擴展的數(shù)據(jù)傳輸，幫助設備在較低功耗下進行長距離通信，尤其適合設備需要遠距離發(fā)送消息的情況，比如智慧城市中的環(huán)境監(jiān)測和街道照明系統(tǒng)。
雖然LoRa和LoRaWAN是兩種不同的技術(shù)，但大多數(shù)公司實際上不需要在兩者之間做出選擇。LoRa是一種底層無線技術(shù)，為公司提供了為物聯(lián)網(wǎng)用例供電所需的物理層。LoRaWAN則提供了可用于管理通信系統(tǒng)的協(xié)議和網(wǎng)絡層，具有星形拓撲網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。LoRaWAN網(wǎng)關(guān)充當LoRaWAN網(wǎng)絡和物聯(lián)網(wǎng)設備之間的橋梁，它們在單個網(wǎng)絡中能支持許多設備，是大規(guī)模智能設備部署的理想選擇。此外，LoRaWAN還可以通過端到端加密增強安全性，保護敏感物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)。
在許多環(huán)境中，LoRa和LoRaWAN是無縫協(xié)作的，通過遠程低功耗連接，促進了廣泛的物聯(lián)網(wǎng)應用。例如，在智能停車系統(tǒng)中，首先需要將一系列基于LoRa技術(shù)的傳感器安裝在停車位。這些傳感器可確定停車位是否為空，并將信息中繼到LoRaWAN網(wǎng)關(guān)。當LoRaWAN網(wǎng)關(guān)收集到這些信息后，會將其提供給應用服務器。接下來，在臺式機/筆記本電腦/移動設備上運行的GUI應用程序利用應用程序服務器提供的信息來顯示哪些車位是空的。駕駛員打開“智能停車應用程序”后，即可看到所有可用的停車位信息。
STMicroelectornics的STM32WL MCU系列是全球首款支持LoRa通信標準的片上系統(tǒng)（SoC），在超低功耗方面表現(xiàn)出色且不影響性能。其中的STM32WL5x微控制器基于運行頻率均為48MHz的Arm Cortex‐M4和Cortex-M0+內(nèi)核以及Semtech SX126x sub-GHz無線電，是支持LoRa、(G)FSK、(G)MSK和BPSK調(diào)制的開放平臺。此外，STM32WL5x還包含多種通信功能，包括至多43個GPIO、用于優(yōu)化功耗的集成SMPS、以及多種低功耗模式，極大限度地延長電池壽命。
除了具有無線和超低功耗特性，STM32WL5x微控制器還包含嵌入式安全硬件功能，如128/256位AES硬件加密、PCROP讀寫保護、采用橢圓曲線加密引擎的公鑰加密。為了便于快速輕松地進行基于完整STM32產(chǎn)品組合的應用開發(fā)，意法半導體還備有STM32WL55 Nucleo板，與STM32Cube生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成一致的軟件開發(fā)工具組合。
圖5：LoRa開發(fā)板STM32WL55 Nucleo（圖源：STMicroelectornics）
智慧城市中的非接觸通信技術(shù)——RFID和UWB
射頻識別（RFID）使用射頻信號高效準確地跟蹤和監(jiān)控物體和資產(chǎn)。RFID系統(tǒng)由帶有唯一標識號的標簽組成，這些標簽可以附著或嵌入到體育賽事的憑證徽章、可穿戴設備、掛在汽車上的停車標簽等物體上。RFID標簽通過無線方式交換信息，但不直接連接到互聯(lián)網(wǎng)，需要網(wǎng)關(guān)和蜂窩連接才能將數(shù)據(jù)發(fā)送到云平臺。
安全進入建筑物及其內(nèi)部是智慧城市中的一個重要課題，然而，簡單的RFID徽章很容易被復制。當安全性成為關(guān)鍵考慮因素時，超寬帶（UWB）技術(shù)在智慧城市中的應用不斷增多。UWB是一種無線載波通信技術(shù)，具有系統(tǒng)復雜度低、發(fā)射信號功率譜密度低、對信道衰落不敏感、截獲能力低以及定位精度高等優(yōu)點，它極難偽造，尤其適用于室內(nèi)等密集多徑場所的高速無線接入。當持有UWB設備的人體靠近時，汽車、前門或倉庫上的超寬帶門鎖會自動解鎖，飛行時間計算使得UWB不易受到基于信號放大的中繼攻擊。
Trimension是恩智浦（NXP）公司的UWB產(chǎn)品，可在汽車、移動設備和物聯(lián)網(wǎng)設備之間實現(xiàn)安全的精密測距，其應用包括安全門禁、室內(nèi)定位、設備間通信和物品跟蹤等。其中的Trimension SR150，專門針對物聯(lián)網(wǎng)設備的具體需求增加了到達角(AoA)技術(shù)，提高了精確度，非常適合各種大型基礎(chǔ)設施的UWB支持工具，如門禁裝置、室內(nèi)本地化設置和支付方案等。多個SR150 IC設備可放置在一個房間作為超寬帶錨，以幫助定位在房間內(nèi)移動的人和物體。
圖6：恩智浦UWB產(chǎn)品Trimension SR150（圖源：NXP）
公共接入技術(shù)：Wi-Fi和Wi-Fi HaLow
對于普通市民來說，通常不能將他們的智能手機或其他智能設備直接連接到骨干通信網(wǎng)絡，而是由運營商通過4G和5G為用戶提供網(wǎng)絡接入，公共或私人Wi-Fi作為第三層網(wǎng)絡覆蓋其上。
在我們發(fā)展智慧城市的過程中，其中一個重要特征就是要能在互聯(lián)城市的任何地方為每個人提供普遍的、高質(zhì)量的私人或公共Wi-Fi接入。這是非常必要的，尤其是當4G或5G基礎(chǔ)設施無法實現(xiàn)大面積覆蓋的情況下，區(qū)域內(nèi)的連接質(zhì)量和可訪問性大幅下降。公共Wi-Fi在人口密度增加的時候尤其有益，比如在音樂會或除夕夜，公共Wi-Fi能使擁擠地區(qū)的互聯(lián)網(wǎng)接入變得更好。
在具體實施中，公共Wi-Fi通常由地方政府提供，由地方政府在特定區(qū)域內(nèi)實施高質(zhì)量的Wi-Fi覆蓋。引入公共Wi-Fi接入不僅對當?shù)鼐用裼欣?，對游客也非常有用，它可以改善所有公共連接服務的功能和整個城市生活。
地方政府和社區(qū)還可以通過智能應用程序和設備將該服務用于營銷和溝通目的。例如，向人群提供更多的數(shù)字內(nèi)容和交互式個性化內(nèi)容，推送當?shù)赝话l(fā)事件或交通更新通知等。當然，如果公共網(wǎng)絡管理不善，私人內(nèi)容可能會向公眾開放。因此，公共Wi-Fi的隱私問題也要予以考慮。
Wi-Fi HaLow是傳統(tǒng)Wi-Fi的演變，它結(jié)合了IEEE802.11ah標準，于2021年11月作為Wi-Fi聯(lián)盟的新認證發(fā)布。Wi-Fi HaLow工作在Sub-GHz頻段，在覆蓋范圍和功率效率方面超過了2.4GHz、5GHz和6GHz頻段的傳統(tǒng)Wi-Fi，可以說它重新定義了智慧城市和物聯(lián)網(wǎng)應用的無線連接邊界。Wi-Fi HaLow能從單個接入點連接8000多個設備，提供超過1km的長距離連接。
Morse Micro公司的MM6108-MF08651-US Wi-Fi HaLow模塊是一款符合IEEE 802.11ah標準的產(chǎn)品，支持902MHz至928MHz之間高達32.5Mbps的數(shù)據(jù)速率，配備了超長距離PA、高線性LNA、T/R開關(guān)和32MHz晶體振蕩器等功能，簡化了與外部主機的Wi-Fi HaLow連接，具有長距離、低功耗和卓越的射頻性能。
圖8：Wi-Fi HaLow模塊MM6108-MF08651-US （圖源：貿(mào)澤電子）
本文小結(jié)
無線基礎(chǔ)設施是智慧城市的重要支柱，它實現(xiàn)了數(shù)據(jù)和通信的無縫連接。通過利用無線基礎(chǔ)設施，城市可以創(chuàng)建一個連接各種設備和系統(tǒng)的網(wǎng)絡，實現(xiàn)高效和有效的通信。有了無線網(wǎng)絡，個人可以在移動中保持聯(lián)系，隨時隨地訪問信息和服務。這種移動性不僅限于個人設備，還包括智能汽車、公共交通甚至路燈和監(jiān)控攝像頭等基礎(chǔ)設施系統(tǒng)。
同樣，通過無線連接的自動化系統(tǒng)，可以更有效地管理電力和供水等公用事業(yè)?？绮煌块T的連接和共享數(shù)據(jù)的能力提高了整體生產(chǎn)力，改善了居民的生活質(zhì)量。
無線基礎(chǔ)設施的另一個關(guān)鍵優(yōu)勢是較高的成本效益。相比有線網(wǎng)絡，無線技術(shù)需要更少的物理組件，并減少了對廣泛布線基礎(chǔ)設施的需求。
當然，永遠不會有一種類型的連接技術(shù)能夠主導整個智慧城市的生態(tài)系統(tǒng)，多種通信網(wǎng)絡的異構(gòu)組合共同發(fā)揮作用才能構(gòu)建一個完善的互聯(lián)互通世界。
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