作者：Jeff Shepard

包括本地網絡和云連接在內的無線通信是一系列智慧能源和公用事業系統的基本要素，具體包括各種能量計量儀表、關鍵基礎設施、綠色能源系統、電動汽車、電網現代化、智慧電網和智慧城市。這些應用往往涉及邊緣連接，需要使用IEEE 802.15.4、Zigbee、藍牙和其他協議來支持低延遲、可預測和安全的通信。在有些情況下，諸如 IEEE 802.11 g/n標準等低功耗、高吞吐量無線協議對于這些應用來說很有用。這類協議在室外約 300 m 范圍內提供高數據率網絡接入。

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標準，加拿大創新、科學和經濟發展 （ISED） 、日本總務省 （MIC）
以及其他的要求。無線連接的設計和獲得所需的認證可能很耗時，這將導致成本增加、延長上市時間。不過，設計者可以采用經過預先設計和已經獲得認證的無線通信模塊、開發平臺。這類模塊和平臺會很容易地集成到智慧能源和公用事業設備中。

本文首先回顧本地網絡和云連接的幾種通信選擇和架構，其中包括有線和無線網絡選擇。然后，介紹由 Digi、Silicon Labs、Laird Connectivity、Infineon 和 STMicroelectronics提供的幾種無線平臺以及加快設計過程所需的開發環境。這些平臺用于為智慧能源和公用事業部署安全、強大的無線連接。

大機遇、大挑戰

大挑戰往往伴隨著大機遇。在智慧城市基礎設施中部署智慧能源和公用事業時無疑就是這種情況。首先，需要有效地整合現有和老舊的基礎設施。然后，還需要部署地域上分散、技術上異質的高效、強大網絡。最后，期待這些網絡具有高靈活性，能應對未來技術的發展，如智慧和互連車輛出現等。

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

在本地支持 IP 接入設備的以太網和蜂窩路由器。在某些情況下，增加以太網供電 （PoE），以提高網絡利用率并控制成本。

傳統設備可以通過專用的連接和串行端口進行整合。

本地 Wi-Fi和藍牙設備可以使用匿名數據監測交通流量和行人。由此產生的數據可以在本地進行分析，并發送至中央交通管理系統進行決策，以執行更高層次的控制功能。

先進的本地固態交通控制器 （ASTC）會組合使用來自交通攝像頭、雷達或激光雷達等傳感器和其他數據源的數據，這類組合數據會發送至集中管理中心，用于實時優化交通流量。

可以通過以下方式加強城市道路的整體能源效率、公共安全并減少環境影響：

通過把本地和集中控制相結合，并以幾乎實時的方式修改交通流量和信號燈時間，以監測并最大限度地減少擁堵。

調整信號時間，以支持公交車和其他形式的公共交通的高效、按時運行。

可以為第一反應者提供實時優化路線，以加快其到達時間并盡量減少對公共安全的總體影響。

未來的智慧城市

今天的智慧城市絕大部分仍是一項正在進行中的工作。改進和進步的空間很大。未來的智慧城市將越來越注重綜合能源效率和提高生活質量。將來，電動汽車和智能或自主駕駛汽車會成為常態。這些車輛會被整合到智能住房、智能充電基礎設施、智能交付系統和端到端交通系統中，其中包括火車、輕軌和公交車，以及用于“最后一英里”的電動機器人出租車。

智能手機的用途會越來越廣泛，包括購買公交汽車票、火車票，同時加快上述過程并進一步減少交通帶來的環境影響。雖然運輸仍將是電動汽車的主要用途，但不會是唯一用途。

Infineon 公司表示，卡車、公共汽車、貨運和送貨車輛以及建筑設備等商用車輛的排放約占城市 CO2 排放量的四分之一，約占整個溫室氣體 （GHG）排放量的百分之五。除了為乘用車和電動自行車充電外，還需要開發綜合充電基礎設施，以滿足商用車車輛中大型電池地的充電需求。充電基礎設施將需要互聯并集中控制，以便針對不同類型的車輛及其使用情況最大限度地提高充電速度。

為了減小對環境的影響，提高生活質量并有效利用能源，需要使用復雜的實時無線網絡來監測分散的可再生能源、微電網和蓄能的運行情況，并優化能源利用，管理水和廢水利用，管理廣泛的運輸及其他系統。這些實時網絡必須是穩定可靠，具有最小延遲（圖2）。為了支持智慧城市的基礎設施，設計者需各種輔助工具，以便快速開發、部署和升級復雜通信網絡和連接設備。

利用無線模塊實現安全聯網

為了快速部署安全網絡，設計者可以采用 Digi 的 XBee RR 無線模塊。這種模塊基于 Silicon Labs 的
EFR32MG21B020F1024IM32-BR 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），可支持廣泛的網絡架構。DigiMesh 是一種點對點的網狀網絡協議，可以降低使用 Zigbee 進行點對多點配置時帶來的復雜性。這些模塊支持 BLE和與另一個 BLE 設備的連接。

智能手機連接可用于使用 XBee 移動應用對模塊進行配置和編程。此外，開發者可以使用與 Windows、MacOS 和 Linux 兼容的 XCTU配置平臺。XCTU 使用圖形化網絡視圖來簡化無線網絡配置，并使用 API 框架構建器開發工具來快速構建 XBee API框架。其他的模塊功能和選項包括：

封裝選項包括 13 mm x 19 mm 微型安裝設備（如 XBRR-24Z8UM）、表面貼裝模塊（如 XBRR-24Z8PS-J）、通孔配置模塊（如XBRR-24Z8ST-J）（圖 3）。

專業 （PRO） 版通過了 FCC 認證，用于北美地區；標準版符合 ETSI 標準，用于歐洲地區。

低功率和高功率模塊的配置

室內/城市范圍可達 90 m （300 ft），視情況而定

根據條件，室外視距可達 3200 m（2 英里）。

集成物聯網安全應用簡化了設備安全、設備身份和數據隱私的整合

智能網關

Laird Connectivity 的 Sterling LWB+ 模塊（如 453-00084R）是高性能 2.4 GHz WLAN
和藍牙組合模塊，用于無線物聯網設備和智能網關。這類模塊基于 Infineon 的 AIROC CYW43439 單芯片無線電 IC，工作溫度為 -40°C 至+85°C，使其適用于各種智慧公用事業、智慧城市及能源應用。Sterling LWB+ 模塊獲得了包括 FCC、ISED、EU、MIC 和 AS/NZS在內的全球認證。

Sterling LWB+ 模塊包括介質訪問控制 （MAC）、基帶、無線電，以及一個用于藍牙接口的獨立高速 UART。Laird Connectivity和 Infineon 支持最新的 Android 和 Linux 驅動。集成片式天線抗失調，簡化了系統的設計和制造。Sterling LWB+系列是一種系統級封裝 （SIP），提供印制線引腳、集成片式天線或 MHF4 連接器該系列還具有 WPA/WPA2/WPA3加密功能。這些模塊具有四種封裝方式，可滿足不同系統的設計和應用要求（圖 4）。

Sterling-LWB+ 包括一個安全可靠的高性能數字輸入和輸出 （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，設計者可采用 453-00084-K1 開發套件。該套件包括具有集成 MHF 連接器的453-00084R 模塊（圖 5）。

無線工業級傳感器節點

無線傳感器節點是智慧城市中智慧能源和公用事業的重要組成部分。為了幫助設計者避免快速設計、原型開發和測試高級無線傳感器節點造成的復雜性，STMicroelectronics提供 STEVAL-STWINKT1B SensorTile 開發套件和參考設計。該套件包括一塊支持物聯網設備認證和安全數據管理的X-NUCLEO-SAFEA1A 擴展板，一個 BLUENRG-M2SA 藍牙收發模塊以及一個 IMP23ABSUTR MEMS 麥克風。MEMS麥克風采用能與超低功耗板載微控制器一起使用的設計，用于在 35 Hz 直至超聲頻率范圍內的 9 自由度 （DoF）運動傳感數據的振動分析。該套件還包括一個加速儀、陀螺儀、濕度傳感器、磁力計以及壓力和溫度傳感器。

SensorTile 開發工具包可以訪問一系列軟件包、固件庫和云端儀表板應用，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，而 STEVAL-STWINWFV1 插件擴展板則提供 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，該開發套件配備一塊 480 mAh 鋰聚合物電池、一個 STLINK-V3MINI獨立調試和編程探頭以及一個塑料盒（圖 6）。

結束語

要滿足智慧城市中的智慧能源和公用事業系統的需求，就需要一系列無線連接協議。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 CO2和溫室氣體排放。如圖所示，有各種 Wi-Fi、Zigbee和藍牙低能耗無線協議的無線模塊和開發環境，可以為智慧城市基礎設施中的智慧能源和公用事業提供安全、強大的連接功能。