智能城市: 运用新科技，让城市生活更美好
发布时间：2016-4-1 11:01
发布者：eechina
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摘要 作为建设更高效的可持续发展社会的重要战略，智能城市生态系统及其新一波创新应用引起业界广泛关注。智能城市需要智能路灯、智能电能表、智能燃气表、智能传感器节点、智能建筑、智能驻车、电动交通和智能垃圾收集等先进技术。意法半导体掌握最先进的半导体制造工艺，拥有各种物联网半导体解决方案，并深入了解公用事业生态系统的构成要素，因此，意法半导体在满足智能城市需求方面占据优势。 简介 物联网简称IoT,是由智能设备节点互联构成的网络，这些网络节点多数情况下是低功耗、低成本的传感器节点，可直接感测数据，并将信息传送到互联网云端，全程无需人工干预。云端负责采集、处理和保护数据信息，并向指定人员分享信息，或者为公用事业机构提供数据服务。物联网的主要目标是运用科技手段提高人们的生活品质。 物联网概念覆盖四大应用领域：穿戴技术、智能家居、智能汽车和智能城市。因为拉动物联网应用增长，智能城市应用开始引起业界关注。 智能城市包括智能楼宇、智能电表、路灯监控、交通管理、智能驻车、环境监测、智能垃圾收集、智能远程医护服务。 穿戴技术涉及智能眼镜、智能手环、智能手表等健身保健产品。 智能家居包括智能照明、智能家电和智能电源插座等监控电能并确保家居安全的电器产品。 本文不讨论智能汽车。 智能表计 智能表计是智能城市中最早出的概念。集中抄表(AMR)和高级表计架构(AMI)让智能表计在智能城市概念中扮演重要角色。高级表计架构可在在用户表计与相关公共服务机构之间双向传输数据，交换能源使用信息和本地能源产量信息。有了这项技术后，公共服务机构可实时远程抄表，采集所有计量表计的能源使用数据，确定总体能源负载曲线，动态选择能源供应协议中的阶梯价格，监视并维护整个系统运行，同时预防网络故障和能源损耗。 在这种情况下，通信是智能表计架构的关键构件，电力线通信(PLC)或无线通信技术能够让智能表计向数据集中器上传信息，定期向公共服务机构分享数据。 电能表 电力线通信(PLC)技术通常用于电能表。意法半导体拥有20余年的电力线通信技术研发经验，为市场提供不电的电力线调制解调器(PLM)。STarGRID产品家族是一个电力线调制解调器平台，提供兼容不同网线协议的窄带PLM通信解决方案，例如，ST7570、ST7580、ST7590分别支持IEC 61334-5-1、METERS AND MORE®、PRIME协议。METERS AND MORE®协议是一个由非赢利性的电力行业联合会管理的开放式技术标准，会员包括欧美亚的科技公司和供电企业。 最近，意法半导体推出了STCOMET智能电表和PLC二合一系统芯片,该芯片集成了电力线通信调制解调器、高性能ARM Cortex M4应用处理器和电能计量功能，其中，内部电力线通信调制解调器架构支持最高500 KHz的PRIME、 G3、IEEE 1901.2、METERS AND MORE®等窄带PLC通信协议；电能计量子系统兼容1级、0.5级和0.2级交流电表计量精度。 燃气表 智能燃气表是电池供电，所以通常采用无线通信技术。意大利开始在全国大规模安装智能燃气表。新表通过500mW 的RF 169MHz无线通信技术连接到数据集中器。信息交换使用WMBUS(无线表计总线)和 DLMS/COSEM通信协议。 
图1 –智能表计应用示意图 无线表计总线是一个开放式集中抄表标准。设备语言报文规范(DLMS)和电能计量配套技术规范(COSEM)实现了数据集中器与电表交换数据所用的抽象层。意法半导体的SPI RIT1实现了这些通信协议，是一款具有市场竞争力的射频芯片。作为超低功耗的射频收发器，SPI RIT1工作在150MHz-920MHz频段,输出功率最高16dBm，灵敏度为-118dBm。为了能够在智能燃气内工作，收发器还需外接一个功放，将最大输出功率提高到27dBm。意法半导体开发了兼容欧洲EN13757-3:2013和EN13757-4:2013标准的WMBUS固件协议栈，如果客户要求，意法半导体还提供相关的C源代码，代码运行在STM32L1和PIRIT1组成的开发平台上。STM32L1是一系列超低功耗的ARM Cortex M3微控制器，用户还可以选用STM32L0或STM32L4微控制器，这两款产品分别搭载ARM Cortex M0+和M4处理器内核。 智能照明 智能路灯是目前不少地区政府关注的最新的智能城市发展趋势之一，智能路灯有助于改进耗电量和路灯维护问题，同时能够为市政服务机构提供多项服务。智能街道照明系统可以远程控制路灯，并根据公路交通参与者活动状况和雨、雾霾、雾等自然环境条件，自动调整路灯亮度。此外，系统还可以监视每支灯的状态、寿命、耗电量等信息，以及每个灯杆的垂直梯度。当机动车撞到灯杆或灯具出现异常运动时，系统还能检测到加速度数据，并将数据发送到操作员，从而节省大量的维修成本，同时大幅降低灯具更换率。 
图2 –智能路灯应用示意图 在智能城市中，路灯将会为市政服务机构提供多项服务。除城市照明外，市政服务机构还管理大量的其它市政服务，而公共照明网络配备各种传感器和先进通信系统，可为市政服务机构提供新型服务，例如，交通监测、出行效率、公路安全、空气质量监测、天气监测、电动交通管理等。 除高效的路灯控制驱动产品及技术外，传感器和通信系统同样发挥重要作用。意法半导体是智能传感器市场公认的领导品牌，拥有智能路灯系统所需的全部产品，其中，先进传感器包括加速度计(LIS2DS12)、压力传感器(LPS25HB)、湿温传感器(HTS221)和麦克风(MP34Dxx)。为了便于用户评测传感器性能，x-NUCLEO-IKS01A1评估板上安装了环境惯性感测模块，兼容Arduino UNO R3排针。 传统公共照明系统升级到智能照明，通信技术是一个关键要素。无线通信或电力线通信是智能路灯系统中应用最多的两种通信技术。 6LoWPAN无线网络 169MHz、433MHz或868MHz的Sub GHz的射频通信技术是欧洲常用的无线通信技术。SPIRIT1就是一款工作在这三个频段的 Sub GHz射频收发器，高性能，低功耗，灵敏度为–118dBm;支持跳频、天线分集和AES-128加密，有多种通信协议可选，其中Wireless M-Bus或6LoWPAN（基于低功耗无线个人区域网络的IPv6）是应用最广泛的无线通信协议。 互联网工程任务组IETF开发的6LoWPAN通信协议通过低功耗无线网络传送IPv6分组数据，在互联网云端为每个无线网络节点分配一个唯一性的IP地址。 6LoWPAN通信层实现了RPL(低功耗有损耗IPv6网络路由协议)，该协议为电池供电节点提供了高能效的动态路由通道，每个设备可通过网格网络传递报文，从而扩大了通信距离。网格网络自动建立，自动处理。 开源操作系统Contiki提供一个开源版6LoWPAN协议栈，意法半导体为STM32平台开发出一个Contiki 3.0端口。意法半导体的NUCLEO电路板与所支持的扩展板配合使用，可以开发这个应用。意法半导体6LoWPAN演示解决方案包括STM32L152RET6超低功耗微控制器开发板NUCLEO-L152RE和X-NUCLEO-IDS01A4扩展板。X-NUCLEO-IDS01A4扩展板是搭载SPSGRF-868射频收发器的Shield接口扩展板。SPSGRF-868是经过认证的低于1GHz的SPIRIT1射频模块。 路灯PLM网络 电力线通信调制解调器简称PLM，可替代前文讨论的智能路灯射频网络通信，我们在本文智能功率部分讨论的PLM STarGRID系列产品可满足智能路灯的通信需求。 图3所示是意法半导体的STEVAL-IHP007V1电力线通信板，将其与HID或LED镇流器模块配套使用，可实现智能路灯控制系统。这块板子搭载意法半导体的STM32F103 ARM Cortex‐M3微控制器和ST7580 PSK窄带电力线调制解调器。ST7580的数据速率为28.8kbps，属于意法半导体的STarGRID PLM产品家族。这块评估板工作在CENELEC B频段，内置路灯专用数据链路层固件协议，实现了防冲突和重复算法。 
图3 –STEVAL-IHP007V1 智能家居 – 无线联网 智能家居生态系统包括智能照明、智能家电、电源监控智能插座、家庭安保系统。 
图4 –智能家居 如同智能城市中的智能路灯网络，网络通信是智能家居能否实现的关键技术之一。 意法半导体拥有大量的符合智能家居技术要求的网络通信产品，例如：PLM、WiFi、Bluetooth Classic和Bluetooth 4.1、NFC/RFID和RF SubGHz。 图5所示的STEVAL-IDI004V2是意法半导体的网络通信演示解决方案，在一块电路板上集成了前方列举的所有通信技术。 STEVAL-IDI004V2是一个搭载STM32F103微控制器的无线通信网桥，集成了下面的无线网络技术：WiFi、BT 3.0、RF SubGHz 868MHz和NFC。 
图 5 –STEVAL-IDI004V2 •Wi-Fi模块 - SPWF01SA.11: 经过认证(FCC, IC, CE)的2.4 GHz IEEE 802.11 b/g/n射频模块; 集成 TCP/IP网络协议和完整的TLS/SSL安全算法，通过AT指令为用户提供友好的界面。 •Sub-GHz RF模块 - SP1ML-868: 868 MHz ETSI认证射频模块，基于低于1GHz的SPIRIT1射频收发器和 STM32L1超低功耗微控制器，并集成平衡-不平衡变换器(BALF-SPI-01D3)和片上天线。 •蓝牙模块 - SPBT2632: Bluetooth® Classic 3.0版，内置蓝牙协议栈固件，包括SPP和iAP规范；提供AT指令界面，通过CE、FCC、IC、TELEC认证。 •NFC读写器芯片 - CR95HF: NFC 13.56-MHz读写器，内置多协议非接收发器，提供SPI和UART串行接口。 在这个通信平台上，SP1MLRF SubGHz负责在6LoWPAN MESH协议网络上传输和采集无线传感器节点的数据信息。 图6中的STEVAL-IDI003V2和STEVAl-IDI002V2评估板配合使用，可创建低功耗传感器节点射频网络。 STEVAL-IDI002V2是一个射频板，基于STM32L1超低功耗微控制器和SPIRIT1 RF SubGHz 低功耗收发器，在本演示解决方案中，射频芯片的通信频率调至868MHz。 
图6 –射频节点 STEVAL-IDI003V2是一块板载多个传感器的评估板，通过一个11针接口连接射频板。板载传感器包括： HTS221湿温传感器：该传感器尺寸紧凑，可测量相对湿度和温度，通过SPI和I2C数字串行接口上传测量数据。 LPS25H MEMS压力传感器：该传感器是压阻式压力传感器，尺寸非常小，260-1260 hP绝对数字输出。 LIS3DH 3轴 "纳安级" MEMS加速度计，超低功耗，高线性，I2C/SPI串行输出。 低功耗射频网络节点还可使用x-NUCLEO方法连接到6LoWPAN网络，以提供不同的传感器参数输出。网络节点组件包括NUCLEO-L152RE、X-NUCLEO-IDS01A4和X-NUCLEO-IKS01A1。 (图7) 
图7 –x-NUCLEO方法 无线网桥板(STEVAL-IDI004V2)和射频传感器节点(STEVAL-IDI003V2+STEVAL-IDI002V2)之间的通信是以下文提到的6LoWPAN Contiki 3.0 通信(IPv6)为基础。 在无线网桥板上，6LoWPAN协议栈运行在SP1ML-868射频模块内的STM32L1微控制器上。 当智能手机通过蓝牙连接到无线网桥板时，可以在专用的安卓应用软件上查看无线传感器参数，如图8所示。 
图8 –蓝牙APP 每个射频传感器节点都被分配一个唯一性的IPv6地址或设备别名。 NFC界面可用于设置无线网桥板，例如，蓝牙设备名称、WiFi 的SSID/密码和无线传感器节点通道设置。 用户也可以通过USB VCOM驱动，使用专用的PC图形用户界面来完成这个配置过程。 此外，WiFi可用于连接无线传感器网络和互联网云端，通过互联网应用程序从云端监控所有的射频传感器节点参数。 结束语 意法半导体拥有业界最丰富的半导体产品组合和最先进的半导体制造工艺，从传感器、功放，到低功耗微控制器，再到安全IP模块、模拟器件和接口芯片，意法半导体拥有构建物联网系统所需的全部组件。 |
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