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智慧城市:运用新科技,让城市生活更美好
 

【作者: Filippo Colaianni】2016年02月02日 星期二

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物联网(The Internet of Things, IoT)是由智慧设备节点互联构成的网路,这些网路节点多数情况下是低功耗、低成本的感测器节点,可直接感测资料,并将资讯传送到网际网路云端,全程无需人工干预。云端负责采集、处理和保护资料资讯,并向指定人员分享资讯,或者为公用事业机构提供资料服务。物联网的主要目标是运用科技的手段提高人们的生活品质。


物联网概念覆​​盖四大应用领域:穿戴式技术、智慧家居、智慧汽车和智慧城市。因为牵动物联网应用成长,智慧城市应用开始引起业界关注。其中,智慧城市包括智慧建筑、智慧电表、路灯监控、交通管理、智慧停车、环境监控、智慧垃圾收集、智慧远端医护服务;穿戴式技术涉及智慧眼镜、智慧手环、智慧手表等健身保健产品;智慧家居则包括智慧照明、智慧家电和智慧电源插座等监控电能,并确保家居安全的电器产品。至于智慧汽车,本文将不纳入讨论。


智慧电表

智慧电表是智慧城市中最早出现的概念。自动读表系统(Automatic Meter Reading, AMR)和先进读表基础建设架构(Advance Meter Infrastructure AMI)让智慧电表在智慧城市概念中扮演重要的角色。高级电表架构可在用户电表与相关公共服务机构之间双向传输资料,交换能源使用资讯和本地能源产量资讯。有了这项技术后,公共服务机构可即时远端读表,采集所有计量电表的能源使用资料,确定总体能源负载曲线,动态选择能源供应协定中的阶梯价格,监控并维护整个系统执行,同时预防网路故障和能源损耗。


在这种情况下,通讯是智慧电表架构的关键组成元件,电力线通讯(PLC)或无线通讯技术能够让智慧电表向资料集中器上传资讯,定期向公共服务机构分享资料。


电力表

电力线通讯(PLC)技术通常用于电力表。意法半导体能够为市场提供不同的电力线通讯数据机(PLM)选项。 STarGRID产品家族是一个电力线数据机平台,提供相容不同网线协议的窄频PLM通讯解决方案,例如ST7570、ST7580、ST7590分别支援IEC 61334-5-1、METERS AND MORE、PRIME协议。 METERS AND MORE协议是一个由非营利性的电力产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智慧电表和PLC二合一系统晶片,该晶片整合了电力线通讯数据机、高性能ARM Cortex M4应用处理器和电能计量功能,其中,内部电力线通讯数据机架构支援最高500 KHz的PRIME、G3、IEEE 1901.2、METERS AND MORE等窄频(Narrow-Band)PLC通讯协议;电能计量子系统相容1级、0.5级和0.2级AC电表量精准度。


燃气表

智慧燃气表是电池供电,所以通常采用无线通讯技术。义大利开始在全国大规模安装智慧燃气表。新表透过500mW 的RF 169MHz无线通讯技术连接到资料集中器。资讯交换使用WMBUS(无线电表汇流排)和 DLMS/COSEM通讯协定。



图1 : 智慧电表应用示意图
图1 : 智慧电表应用示意图

无线电表汇流排是一个开放式自动读表系统标准。设备语言报文规范(DLMS)和电能计量配套技术规范(COSEM)实现了资料集中器与电表交换资料所用的抽象层。意法半导体的SPI RIT1射频晶片实现了这些通讯协议。作为超低功耗的射频收发器,SPI RIT1工作在150MHz-920MHz频段,输出的功率最高16dBm,灵敏度为-118dBm。为了能够在智慧燃气内工作,收发器还需外接一个功率放大器,将最大输出功率提高到27dBm。意法半导体开发了与欧洲EN 13757-3:2013和EN13757-4:2013标准相容的WMBUS韧体协易堆叠,如果客户要求,意法半导体还提供相关的C原始程式码,代码执行在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。


智慧照明

智慧路灯是目前不少地区政府关注的最新的智慧城市发展趋势之一,智慧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的服务。智慧街道照明系统可以远端控制路灯,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,自动调整路灯的亮度。此外,系统还可以监控每支灯的状态、寿命、耗电量等资讯,以及每个灯杆的垂直梯度。当汽机车撞到灯杆或灯具出现异常表验时,系统还能侦测到加速度数据,并将资料发送到操作员,从而节省大量的维修成本,同时大幅降低灯具的更换率。



图2 : 智慧路灯应用示意图
图2 : 智慧路灯应用示意图

在智慧城市中,路灯将会为市政服务机构提供多项的服务。除城市照明外,市政服务机构还管理大量的其它市政服务,而公共照明网路配备各种的感测器和先进通讯系统,可为市政服务机构提供新型服务,例如交通监控、出行效率、公路安全、空气品质监控、天气监控、e-mobility等。


除高效的路灯控制驱动产品及技术外,感测器和通讯系统同样发挥重要作用。意法半导体拥有智慧路灯系统所需的全部产品,其中,先进感测器包括加速度计(LIS2DS12)、压力感测器(LPS25HB)、温湿度感测器(HTS221)和麦克风(MP34Dxx)。为了便于使用者评测感测器性能,x-NUCLEO-IKS01A1评估板上安装了环境惯性感测模组,相容Arduino UNO R3排针。


传统公共照明系统升级到智慧照明,通讯技术是一个关键要素。无线通讯或电力线通讯是智慧路灯系统中应用最多的两种通讯技术。


6LoWPAN无线网路

169 MHz、433MHz或868MHz的Sub GHz的射频通讯技术是欧洲常用的无线通讯技术。


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;支援跳频、天线分集和AES-128加密,有多种通讯协议可选,其中Wireless M-Bus或6LoWPAN(基于低功耗无线个人区域网路的IPv6)是应用最广泛的无线通讯协定。


网际网路工程任务组IETF开发的6LoWPAN通讯协定透过低功耗无线网路传送IPv6分组资料,在网际网路云端为每个无线网路节点分配一个唯一性的IP位址。


6LoWPAN通讯层实现了RPL(低功耗有损耗IPv6网路路由式通讯协定),该协定为电池供电节点提供了高能效的动态路由通道,每个设备可透过网格网路传递封包,从而扩大了通讯距离。网格网路自动建立,自动处理。


开放式原始码作业系统Contiki提供一个开放式原始码版6LoWPAN协议堆叠,意法半导体为STM32平台开发出一个Contiki 3.0埠。意法半导体的NUCLEO电路板与所支援的扩展板配合使用,可以开发这个应用。意法半导体6LoWPAN展示解决方案包括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介面扩展板。 SPSGRF-868是经过认证的低于1GHz的SPIRIT1射频模组。


路灯PLM网路

电力线通讯数据机(PLM)可替代前文讨论的智慧路灯射频网路通讯,我们在本文智慧功率部分讨论的PLM STarGRID系列产品可满足智慧路灯的通讯需求。图3所示是意法半导体的STEVAL-IHP007V1电力线通讯板,将其与HID或LED整流器模组配套使用,可实现智慧路灯控制系统。这块板子搭载意法半导体的STM32F103 ARM Cortex?M3微控制器和ST7580 PSK窄频电力线数据机。 ST7580的资料速率为28.8kbps,属于意法半导体的STarGRID PLM产品系列。这块评估板工作在CENELEC B频段,内建路灯专用资料连结层韧体协议,实现了防冲突和重复演算法。


图3 : STEVAL-IHP007V1
图3 : STEVAL-IHP007V1

智慧家居 – 无线连网

智慧家居生态系统包括智慧照明、智慧家电、电源监控智慧插座、家庭安保系统。



图4 : 智慧家居
图4 : 智慧家居

如同智慧城市中的智慧路灯网路,网路通讯是智慧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慧家居技术要求的网路通讯产品,例如:PLM、Wi-Fi、Bluetooth Classic和Bluetooth 4.1、NFC/RFID和RF SubGHz。


图5所示的STEVAL-IDI004V2是意法半导体的网路通讯展示解决方案,在一块电路板上整合了前方列举的所有通讯技术。 STEVAL-IDI004V2是一个搭载STM32F103微控制器的无线通讯桥接器,整合了下面的无线网路技术:Wi-Fi、BT 3.0、RF SubGHz 868MHz和NFC。



图5 : STEVAL-IDI004V2
图5 : STEVAL-IDI004V2

‧ Wi-Fi模组:SPWF01SA.11:经过认证(FCC, IC, CE)的2.4 GHz IEEE 802.11 b/g/n射频模组; 整合TCP/IP网路通讯协定和完整的TLS/SSL安全演算法,透过AT指令为使用者提供友好的介面。


‧ Sub-GHz RF模组:SP1ML-868:868MHz ETSI认证射频模组,基于低于1GHz的SPIRIT1射频收发器和STM32L1超低功耗微控制器,并整合平衡-不平衡变换器(BALF-SPI -01D3)和片上天线。


‧ 蓝牙模组:SPP T2632: Bluetooth Classic 3.0版,内建蓝牙协议堆叠韧体,包括SPP和iAP规范;提供AT指令介面,通过CE、FCC、IC、TELEC认证。


‧ NFC读写器晶片:CR95HF:NFC 13.56-MHz读写器内建多协定非接收发器,提供SPI和UART序列介面。


在这个通讯平台上,SP1MLRF SubGHz负责在6LoWPAN MESH协定网路上传输和采集无线感测器节点的资料资讯。


图6中的STEVAL-IDI003V2和STEVAl-IDI002V2评估板配合使用,可创建低功耗感测器节点射频网路。 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,在本展示解决方案中,射频晶片的通讯频率调至868MHz。



图6 : 射频节点
图6 : 射频节点

STEVAL-IDI003V2是一块板载多个感测器的评估板,透过一个11针脚介面连接射频板。板载感测器包括:


‧ 温湿度感测器(HTS221):该感测器尺寸紧凑,可测量相对湿度和温度,透过SPI和I2C数位序列介面上传测量资料。


‧ MEMS压力感测器(LPS25H):该感测器是压阻式压力感测器,尺寸非常小,260-1260 hP绝对数位输出。


‧ 3轴奈米级MEMS加速度计(LIS3DH):超低功耗,高线性,I2C/SPI串列输出。


低功耗射频网路节点还可使用x-NUCLEO方法连接到6LoWPAN网路,以提供不同的感测器参数输出。网路节点元件包括NUCLEO-L152RE、X-NUCLEO-IDS01A4和X-NUCLEO-IKS01A1。 (图7)



图7 : x-NUCLEO方法
图7 : x-NUCLEO方法

无线桥接器板(STEVAL-IDI004V2)和射频感测器节点(STEVAL-IDI003V2+STEVAL-IDI002V2)之间的通讯是以下文提到的6LoWPAN Contiki 3.0 通讯(IPv6)为基础。在无线桥接器板上,6LoWPAN协易堆叠执行在SP1ML-868射频模组内的STM32L1微控制器上。当智慧手机透过蓝牙连接到无线桥接器板时,可以在专用的Andr​​oid应用软体上查看无线感测器参数,如图8所示。


图8 : 蓝牙APP
图8 : 蓝牙APP

每个射频感测器节点都被分配一个唯一性的IPv6位址或设备别名。 NFC介面可用于设置无线桥接器板,例如蓝牙设备名称、Wi-Fi 的SSID/密码和无线感测器节点通道设置。用户也可以透过USB VCOM驱动,使用专用的个人电脑绘图使用者介面来完成这个配置过程。


此外,Wi-Fi可用于连接无线感测器网路和网际网路云端,透过网际网路应用程式从云端监控所有的射频感测器节点参数。


总结

从感测器、功率放大器到低功耗微控制器,再到安全IP模组、类比元件和介面晶片,意法半导体拥有构建物联网系统所需的全部元件。


(本文作者Filippo Colaianni任职于意法半导体)


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