作者：Jeff Shepard

　　無線通信，包括本地網絡和云連接，是一系列智能能源和公用事業系統的基本要素，包括電表、關鍵基礎設施、綠色能源系統、電動汽車、電網現代化、智能電網和智能城市。這些應用通常涉及邊緣連接，需要低延遲、可預測和安全的通信，可以使用 IEEE 802.15.4、Zigbee、藍牙和其他協議提供支持。在某些情況下，他們可以從低功耗、高吞吐量的無線協議中受益，例如 IEEE 802.11 g/n 標準，該標準可在室外約 300 米內提供高數據速率網絡訪問。

　　此外，這些無線設備必須符合美國聯邦通信委員會 (FCC) 標準、歐洲電信標準協會 (ETSI) 要求、歐洲 EN 300 328 和 EN 62368-1、加拿大創新、科學和經濟發展 (ISED)、日本總務省 (MIC) 等。設計無線連接并獲得所需的認證可能非常耗時，導致成本增加并延長上市時間。相反，設計人員可以轉向預先設計和認證的無線通信模塊和開發平臺，這些模塊和開發平臺可以輕松集成到智能能源和公用事業設備中。

　　本文首先回顧了本地網絡和云連接的幾種通信選項和體系結構，包括有線和無線網絡選項。然后它提供了幾個無線平臺 迪吉, 硅實驗室, 萊爾德連接, 英飛凌和 意法半導體 用于為智能能源和公用事業部署安全可靠的無線連接，包括開發環境以加快設計過程。

　　重大機遇與挑戰

　　大挑戰往往伴隨著大機遇。在智慧城市基礎設施中部署智能能源和公用事業時，情況肯定如此。首先，需要有效地整合現有和老化的基礎設施。然后，需要部署地理位置分散且技術異構、高效且強大的網絡。最后，這些網絡有望提供靈活性，以應對未來的技術發展，如智能和聯網車輛的出現。

　　例如，先進的自動化交通管理系統可以提高安全性，改善能源使用，并減少汽車、公共汽車和其他車輛對環境的影響。在這種情況下，集中式流量管理系統通過高帶寬光纖和無線回程通信連接到網絡。其他系統元素包括(圖1)：

　　在本地級別支持啟用 IP 的設備的以太網和蜂窩路由器。在某些情況下，添加以太網供電 (PoE) 以擴展網絡效用并控制成本。

　　傳統設備可以通過專用連接和串行端口進行集成。

　　本地Wi-Fi和藍牙設備可以使用匿名數據監控交通密度和行人。生成的數據可以在本地進行分析，并發送到中央交通管理系統進行決策和更高級別的控制功能。

　　交通攝像頭、雷達或激光雷達等傳感器和其他數據源的組合由本地高級固態交通控制器 (ASTC) 使用，并移動到集中管理中心以實時優化交通流量。

　　圖 1：智慧城市中的自動交通管理范圍從行人和車輛的 Wi-Fi 檢測到交通攝像頭和 ASTC 控制器以及集中式交通管理和控制中心。(圖片來源：數碼)

　　可以使用以下方法提高整體能源效率、公共安全和減少城市道路對環境的影響：

　　通過結合本地和集中控制，近乎實時地修改交通流量和信號定時，檢測并最大限度地減少擁堵。

　　調整信號定時，以支持公共汽車和其他形式的公共交通的高效和按時運行。

　　可以實時為急救人員提供優化的路線，以加快他們的到達速度，并最大限度地減少對公共安全的整體影響。

　　未來的智慧城市

　　今天的智慧城市仍然主要是一項正在進行的工作。有充足的改進和進步機會。未來的智慧城市將越來越關注綜合能源效率和提高生活質量。電動汽車(e-vehicle)和智能或自動駕駛汽車將成為常態。它們將被集成到智能住房、智能充電基礎設施、智能交付系統和端到端交通系統中，包括火車、輕軌和公共汽車，以及用于“最后一英里旅行”的電動機器人出租車。

　　居民將使用智能手機進行越來越多的用途，包括購買公共汽車和火車票，加快流程并進一步減少交通對環境的影響。雖然交通將繼續是電動汽車的主要用途，但它并不是唯一的用途。

　　商用車輛，如卡車、公共汽車、貨車和送貨車，以及建筑設備，約占一氧化碳的四分之一2 據英飛凌稱，一個城市的排放量約占溫室氣體(GHG)總排放量的5%。除了為乘用車和電動自行車充電外，還需要開發集成充電基礎設施，以容納這些商用車中的大型電池。充電基礎設施需要相互連接和集中控制，以最大限度地提高各種類型車輛及其用例的充電速度。

　　為了支持減少對環境的影響，提高生活質量和能源的有效利用，將需要復雜的實時無線網絡來監控分散的可再生能源，微電網和儲能的運行，優化能源利用，管理水和廢水的使用，并管理廣泛的運輸和其他系統。這些實時網絡必須健壯且延遲最小(圖 2)。為了支持智慧城市基礎設施，設計人員需要能夠快速開發、部署和更新復雜通信網絡和連接設備的工具。

　　圖 2：智慧城市服務將依靠強大的實時無線網絡來連接各種應用。(圖片來源：英飛凌)

　　通過無線模塊實現安全聯網

　　為了快速部署安全網絡，設計人員可以求助于 Digi 的 XBee RR 無線模塊 基于 EFR32MG21B020F1024IM32-BR Silicon Labs 的無線片上系統 (SoC)，包括一個 80 MHz ARM Cortex-M33 內核和一個集成安全子系統。XBee 模塊利用多種無線協議和頻段(如 Zigbee、802.15.4 和 DigiMesh)以及低功耗藍牙 (BLE) 來支持各種網絡架構。DigiMesh是一種點對點網狀網絡協議，可以降低使用Zigbee進行點對多點配置的復雜性。這些模塊支持 BLE 和連接到另一個 BLE 設備.

　　智能手機連接可用于使用XBee移動應用程序配置和編程模塊。此外，開發人員可以使用與Windows，MacOS和Linux兼容的XCTU配置平臺。XCTU 使用圖形網絡視圖來簡化無線網絡配置，并使用 API 幀構建器開發工具快速構建 XBee API 幀。其他模塊的功能和選項包括：

　　封裝選項包括 13 毫米 (mm) x 19 mm 微型安裝器件，如 XBRR-24Z8UM、表面貼裝模塊，如 XBRR-24Z8PS-J，以及通孔配置，例如 XBRR-24Z8ST-J (圖3)

　　PRO版本經過FCC認證，可在北美使用，標準版本符合ETSI標準，適用于歐洲

　　低功耗和高功率模塊配置

　　室內/城市范圍可達 90 米 (m) (300 英尺)，具體取決于條件

　　根據條件，室外視線范圍可達 3200 米(2 英里)

　　集成的物聯網安全應用程序簡化了設備安全、設備標識和數據隱私的集成

　　圖 3：Digi XBee 無線模塊的封裝選項包括微型安裝(左)、表面安裝(中)和通孔(右)。(圖片來源：數碼鑰匙)

　　智能網關

　　Laird Connectivity 的 Sterling LWB+ 模塊，如 453-00084R 是專為無線物聯網設備和智能網關設計的高性能 2.4 GHz WLAN 和藍牙組合模塊。它們基于 AIROC CYW43439 英飛凌單芯片無線電IC，工作溫度范圍為-40°C至+85°C，適用于一系列智能公用事業以及智慧城市和能源應用。Sterling LWB+ 模塊擁有全球認證，包括 FCC、ISED、EU、MIC 和 AS/NZS。

　　Sterling LWB+ 模塊包括介質訪問控制 (MAC)、基帶和無線電，以及用于藍牙接口的獨立高速 UART。Laird Connectivity和英飛凌支持最新的Android和Linux驅動程序。集成的芯片天線具有抗失諧能力，簡化了系統設計和制造。Sterling LWB+ 系列是系統級封裝 (SIP)，提供走線引腳、集成芯片天線或 MHF4 連接器。它們還包括WPA / WPA2 / WPA3加密。這些模塊提供四種封裝樣式，以滿足各種系統設計和應用要求的需求(圖 4)。

　　圖 4：基本 Sterling LWB+ SIP(左)、帶 MHF 連接器的模塊(左二)、帶集成天線的模塊(左三)和卡邊緣連接器(右)。(圖片來源：Laird Connectivity)

　　Sterling-LWB+ 包括安全、高性能、安全的數字輸入和輸出 (SDIO)，支持與任何基于 Linux 或 Android 的系統輕松集成。為了加快無線物聯網設備和智能網關的開發，設計人員可以轉向 453-00084-K1 開發套件，其中包括 453-00084R 帶有集成 MHF 連接器的模塊(圖 5)。

　　圖 5：該開發板包括 Laird 的 453-00084R Sterling LWB+ 模塊，帶有集成的 MHF 連接器(圖片來源：Laird Connectivity)

　　無線工業級傳感器節點

　　無線傳感器節點是智慧城市中智能能源和公用事業的重要組成部分。為了幫助設計人員快速設計、原型設計和測試高級無線傳感器節點，意法半導體提供了 STEVAL-STWINKT1B 傳感器磁貼開發套件和參考設計。它包括一個 X-核安全A1A 支持物聯網設備身份驗證和安全數據管理的擴展板，一個 藍龍-M2SA 藍牙收發器模塊，以及 IMP23ABSUTR 微機電系統麥克風。MEMS麥克風設計用于與超低功耗板載微控制器配合使用，在從35 Hz到超聲波的寬振動頻率范圍內對9自由度(DoF)運動傳感數據進行振動分析。它還包括加速度計、陀螺儀、濕度傳感器、磁力計以及壓力和溫度傳感器。

　　SensorTile開發套件包括對一系列軟件包、固件庫和云儀表板應用程序的訪問，以加快全面的端到端物聯網傳感器系統的開發。集成模塊提供BLE連接，RS484收發器支持有線連接，并且 STEVAL-STWINWFV1 插件擴展板提供 Wi-Fi 連接。主板包括一個STMod+連接器，用于添加基于STM32系列微控制器的小尺寸子板。最后，該開發套件包括一個 480 mAh 鋰聚合物電池，一個 STLINK-V3MINI 獨立的調試和編程探頭，以及一個塑料盒(圖6)。

　　圖 6：STEVAL-STWINKT1B SensorTile 開發套件和參考設計包括一套全面的環境傳感器，并支持多種連接選項。(圖片來源：意法半導體)

　　總結

　　需要一系列無線連接協議來支持智慧城市中智能能源和公用事業系統的需求。這些系統可以提高能源效率，改善公共安全，支持更有效的水和能源使用，并減少一氧化碳。2 和溫室氣體排放。如圖所示，Wi-Fi、Zigbee和藍牙低功耗無線協議有多種無線模塊和開發環境，可以提供智能城市基礎設施中智能能源和公用事業所需的安全而強大的連接。