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，可能歷經幾代人都無法實現。隨著新技術的飛速發(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（IoT）無線連接技術的進步無疑起到了關鍵作用。這些無線技術是智慧城市快速部署的重要環(huán)節(jié)，是打通數字連接的關鍵技術，它們大幅拓寬了智慧城市的邊界，通過智慧城市網絡建設彌合了生活中的數字鴻溝。
智慧城市背后的物聯(lián)網無線技術
智慧城市的核心是將構成快節(jié)奏、高效運作的城市中的所有人、信息、資源和網絡連接起來，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絡技術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)網設備的關鍵。
目前，市場上有眾多不同的物聯(lián)網無線技術，每種技術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)網無線技術的發(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自誕生以來都經歷了重大變革，產品不斷地更新迭代，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）等新的連接技術也開始進入物聯(lián)網市場，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：藍牙和BLE
在智慧城市和物聯(lián)網應用中，藍牙和BLE是極靠近消費端的短距無線通信技術，旨在支持小型消費物聯(lián)網應用，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技術的關鍵特征是速度合理，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，就需要借助蜂窩網絡來實現網絡覆蓋。
智能充電樁是智能交通的重要應用，是全面實現智慧城市的關鍵環(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數據傳輸、位置服務和低功耗節(jié)點應用中實現可靠的通信和優(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內部結構（圖源：Silicon Labs）
廣域無線通信技術 LoRa和LoRaWAN
在智慧城市中，要實現對垃圾箱、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，使用一種特殊調制類型的信號來發(fā)送數據，并在低頻段工作，旨在使用很少的電力進行長距離數據傳輸。這種高效的無線遠程通信技術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。與蜂窩網絡等傳統(tǒng)通信方法不同，LoRa為廣域連接提供了一種經濟高效的解決方案。在智慧城市基礎設施中，LoRa技術常用于監(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據傳輸和接收的物理層信息。為了實現網絡管理、安全和物聯(lián)網設備管理的完整方法，LoRaWAN網絡是必要的。
LoRaWAN是一種在LoRa物理層之上運行的網絡協(xié)議，它定義了通信規(guī)則，以確保通過網絡進行高效和可擴展的數據傳輸，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，但大多數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，為公司提供了為物聯(lián)網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)議和網絡層，具有星形拓撲網絡結構。LoRaWAN網關充當LoRaWAN網絡和物聯(lián)網設備之間的橋梁，它們在單個網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)網網絡中的數據。
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網關。當LoRaWAN網關收集到這些信息后，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+內核以及Semtech SX126x sub-GHz無線電，是支持LoRa、(G)FSK、(G)MSK和BPSK調制的開放平臺。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——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。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，需要網關和蜂窩連接才能將數據發(fā)送到云平臺。
安全進入建筑物及其內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。當安全性成為關鍵考慮因素時，超寬帶（UWB）技術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，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產品，可在汽車、移動設備和物聯(lián)網設備之間實現安全的精密測距，其應用包括安全門禁、室內定位、設備間通信和物品跟蹤等。其中的Trimension SR150，專門針對物聯(lián)網設備的具體需求增加了到達角(AoA)技術，提高了精確度，非常適合各種大型基礎設施的UWB支持工具，如門禁裝置、室內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移動的人和物體。
圖6：恩智浦UWB產品Trimension SR150（圖源：NXP）
公共接入技術：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絡，而是由運營商通過4G和5G為用戶提供網絡接入，公共或私人Wi-Fi作為第三層網絡覆蓋其上。
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基礎設施無法實現大面積覆蓋的情況下，區(qū)域內的連接質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)域內實施高質量的Wi-Fi覆蓋。引入公共Wi-Fi接入不僅對當地居民有利，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字內容和交互式個性化內容，推送當地突發(fā)事件或交通更新通知等。當然，如果公共網絡管理不善，私人內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標準的產品，支持902MHz至928MHz之間高達32.5Mbps的數據速率，配備了超長距離PA、高線性LNA、T/R開關和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：貿澤電子）
本文小結
無線基礎設施是智慧城市的重要支柱，它實現了數據和通信的無縫連接。通過利用無線基礎設施，城市可以創(chuàng)建一個連接各種設備和系統(tǒng)的網絡，實現高效和有效的通信。有了無線網絡，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的連接和共享數據的能力提高了整體生產力，改善了居民的生活質量。
無線基礎設施的另一個關鍵優(yōu)勢是較高的成本效益。相比有線網絡，無線技術需要更少的物理組件，并減少了對廣泛布線基礎設施的需求。
當然，永遠不會有一種類型的連接技術能夠主導整個智慧城市的生態(tài)系統(tǒng)，多種通信網絡的異構組合共同發(fā)揮作用才能構建一個完善的互聯(lián)互通世界。
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