【導讀】智慧城市一度被認為是一個(gè)面向未來(lái)的想法，更多的是一種概念的描述，可能歷經(jīng)幾代人都無(wú)法實(shí)現。隨著(zhù)新技術(shù)的飛速發(fā)展和大規模應用，很多智慧城市的概念逐步落地，置身其中的我們甚至已經(jīng)開(kāi)始享受智慧城市生活。
智慧城市一度被認為是一個(gè)面向未來(lái)的想法，更多的是一種概念的描述，可能歷經(jīng)幾代人都無(wú)法實(shí)現。隨著(zhù)新技術(shù)的飛速發(fā)展和大規模應用，很多智慧城市的概念逐步落地，置身其中的我們甚至已經(jīng)開(kāi)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(wǎng)（IoT）無(wú)線(xiàn)連接技術(shù)的進(jìn)步無(wú)疑起到了關(guān)鍵作用。這些無(wú)線(xiàn)技術(shù)是智慧城市快速部署的重要環(huán)節，是打通數字連接的關(guān)鍵技術(shù)，它們大幅拓寬了智慧城市的邊界，通過(guò)智慧城市網(wǎng)絡(luò )建設彌合了生活中的數字?zhù)櫆稀?/p>
智慧城市背后的物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線(xiàn)技術(shù)
智慧城市的核心是將構成快節奏、高效運作的城市中的所有人、信息、資源和網(wǎng)絡(luò )連接起來(lái)，從衛生設施到交通信號燈系統等等一切都可以連接起來(lái)，形成一個(gè)更大的互聯(lián)生態(tài)系統。智慧城市中的眾多應用是推動(dòng)該領(lǐng)域需求和發(fā)展的動(dòng)力，而這些應用程序在運行中必須借助一系列網(wǎng)絡(luò )技術(shù)才能達成其工作目標。選擇正確的無(wú)線(xiàn)解決方案,是能否成功部署物聯(lián)網(wǎng)設備的關(guān)鍵。
目前，市場(chǎng)上有眾多不同的物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線(xiàn)技術(shù)，每種技術(shù)都有其獨特的功能和適用場(chǎng)景。在選擇時(shí)，設計人員通常會(huì )從傳輸速度、功耗、范圍和成本等幾個(gè)方面進(jìn)行綜合考量。
回顧物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線(xiàn)技術(shù)的發(fā)展，在過(guò)去的25年里，藍牙、Wi-Fi、Zigbee和近場(chǎng)通信（NFC）等短程無(wú)線(xiàn)連接技術(shù)自誕生以來(lái)都經(jīng)歷了重大變革，產(chǎn)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(shí)帶來(lái)了額外的功能增強，并因此形成了一個(gè)龐大的互聯(lián)設備生態(tài)系統。近年來(lái)，超寬帶（UWB）等新的連接技術(shù)也開(kāi)始進(jìn)入物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)，有望在廣泛的應用中帶來(lái)新的用例和用戶(hù)體驗。
短距無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)：藍牙和BLE
在智慧城市和物聯(lián)網(wǎng)應用中，藍牙和BLE是極靠近消費端的短距無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，旨在支持小型消費物聯(lián)網(wǎng)應用，主要用于從智能手表等健身和醫療可穿戴設備到家庭安全系統等智能家居設備。在智慧城市應用中，藍牙和BLE可用于停車(chē)管理和電動(dòng)汽車(chē)充電等應用，甚至博物館和畫(huà)廊等用于發(fā)布本地信息的公共設施中也開(kāi)始大量采用藍牙和BLE。
藍牙和BLE技術(shù)的關(guān)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(cháng)時(shí)間由電池供電，且成本低廉。不過(guò)，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(wǎng)絡(luò )來(lái)實(shí)現網(wǎng)絡(luò )覆蓋。
智能充電樁是智能交通的重要應用，是全面實(shí)現智慧城市的關(guān)鍵環(huán)節。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(dòng)汽車(chē)進(jìn)行充電。手機通過(guò)藍牙與充電樁通信，可以完成整個(gè)充電過(guò)程的控制和充電過(guò)程的實(shí)時(shí)監控。
充電樁通信部分的設計并不復雜，市場(chǎng)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(dòng)加載以及調試訪(fǎng)問(wèn)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(wù)和低功耗節點(diǎn)應用中實(shí)現可靠的通信和優(yōu)勢能效。
為幫助設計人員快速執行BLE物聯(lián)網(wǎng)應用的原型設計，Silicon Labs公司還準備了一個(gè)超低成本的小封裝開(kāi)發(fā)與評估平臺EFR32xG22E Explorer，供選擇使用。
EFR32BG22C112F352GM32內部結構（圖源：Silicon Labs）
廣域無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)
LoRa和LoRaWAN
在智慧城市中，要實(shí)現對垃圾箱、路燈、公共交通、環(huán)境等諸多系統的智能控制，安全、可用、經(jīng)濟高效的通信連接是必不可少的環(huán)節。LoRa是一種遠程無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，使用一種特殊調制類(lèi)型的信號來(lái)發(fā)送數據，并在低頻段工作，旨在使用很少的電力進(jìn)行長(cháng)距離數據傳輸。這種高效的無(wú)線(xiàn)遠程通信技術(shù)非常適合需要長(cháng)時(shí)間運行而無(wú)需頻繁充電或更換的電池供電設備。與蜂窩網(wǎng)絡(luò )等傳統通信方法不同，LoRa為廣域連接提供了一種經(jīng)濟高效的解決方案。在智慧城市基礎設施中，LoRa技術(shù)常用于監控街道照明、廢物管理系統和停車(chē)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(shí)現網(wǎng)絡(luò )管理、安全和物聯(lián)網(wǎng)設備管理的完整方法，LoRaWAN網(wǎng)絡(luò )是必要的。
LoRaWAN是一種在LoRa物理層之上運行的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，它定義了通信規則，以確保通過(guò)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行高效和可擴展的數據傳輸，幫助設備在較低功耗下進(jìn)行長(cháng)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)境監測和街道照明系統。
雖然LoRa和LoRaWAN是兩種不同的技術(shù)，但大多數公司實(shí)際上不需要在兩者之間做出選擇。LoRa是一種底層無(wú)線(xiàn)技術(shù)，為公司提供了為物聯(lián)網(wǎng)用例供電所需的物理層。LoRaWAN則提供了可用于管理通信系統的協(xié)議和網(wǎng)絡(luò )層，具有星形拓撲網(wǎng)絡(luò )結構。LoRaWAN網(wǎng)關(guān)充當LoRaWAN網(wǎng)絡(luò )和物聯(lián)網(wǎng)設備之間的橋梁，它們在單個(gè)網(wǎng)絡(luò )中能支持許多設備，是大規模智能設備部署的理想選擇。此外，LoRaWAN還可以通過(guò)端到端加密增強安全性，保護敏感物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )中的數據。
在許多環(huán)境中，LoRa和LoRaWAN是無(wú)縫協(xié)作的，通過(guò)遠程低功耗連接，促進(jìn)了廣泛的物聯(lián)網(wǎng)應用。例如，在智能停車(chē)系統中，首先需要將一系列基于LoRa技術(shù)的傳感器安裝在停車(chē)位。這些傳感器可確定停車(chē)位是否為空，并將信息中繼到LoRaWAN網(wǎng)關(guān)。當LoRaWAN網(wǎng)關(guān)收集到這些信息后，會(huì )將其提供給應用服務(wù)器。接下來(lái)，在臺式機/筆記本電腦/移動(dòng)設備上運行的GUI應用程序利用應用程序服務(wù)器提供的信息來(lái)顯示哪些車(chē)位是空的。駕駛員打開(kāi)“智能停車(chē)應用程序”后，即可看到所有可用的停車(chē)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（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(wú)線(xiàn)電，是支持LoRa、(G)FSK、(G)MSK和BPSK調制的開(kāi)放平臺。此外，STM32WL5x還包含多種通信功能，包括至多43個(gè)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(cháng)電池壽命。
除了具有無(wú)線(xiàn)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(xiě)保護、采用橢圓曲線(xiàn)加密引擎的公鑰加密。為了便于快速輕松地進(jìn)行基于完整STM32產(chǎn)品組合的應用開(kāi)發(fā)，意法半導體還備有STM32WL55 Nucleo板，與STM32Cube生態(tài)系統構成一致的軟件開(kāi)發(fā)工具組合。
LoRa開(kāi)發(fā)板STM32WL55 Nucleo
（圖源：STMicroelectornics）
智慧城市中的非接觸通信技術(shù)——RFID和UWB 射頻識別（RFID）使用射頻信號高效準確地跟蹤和監控物體和資產(chǎn)。RFID系統由帶有唯一標識號的標簽組成，這些標簽可以附著(zhù)或嵌入到體育賽事的憑證徽章、可穿戴設備、掛在汽車(chē)上的停車(chē)標簽等物體上。RFID標簽通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式交換信息，但不直接連接到互聯(lián)網(wǎng)，需要網(wǎng)關(guān)和蜂窩連接才能將數據發(fā)送到云平臺。 安全進(jìn)入建筑物及其內部是智慧城市中的一個(gè)重要課題，然而，簡(jiǎn)單的RFID徽章很容易被復制。當安全性成為關(guān)鍵考慮因素時(shí)，超寬帶（UWB）技術(shù)在智慧城市中的應用不斷增多。UWB是一種無(wú)線(xiàn)載波通信技術(shù)，具有系統復雜度低、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(diǎn)，它極難偽造，尤其適用于室內等密集多徑場(chǎng)所的高速無(wú)線(xiàn)接入。當持有UWB設備的人體靠近時(shí)，汽車(chē)、前門(mén)或倉庫上的超寬帶門(mén)鎖會(huì )自動(dòng)解鎖，飛行時(shí)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(chǎn)品，可在汽車(chē)、移動(dòng)設備和物聯(lián)網(wǎng)設備之間實(shí)現安全的精密測距，其應用包括安全門(mén)禁、室內定位、設備間通信和物品跟蹤等。其中的Trimension SR150，專(zhuān)門(mén)針對物聯(lián)網(wǎng)設備的具體需求增加了到達角(AoA)技術(shù)，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(mén)禁裝置、室內本地化設置和支付方案等。多個(gè)SR150 IC設備可放置在一個(gè)房間作為超寬帶錨，以幫助定位在房間內移動(dòng)的人和物體。
恩智浦UWB產(chǎn)品Trimension SR150（圖源：NXP）
公共接入技術(shù)：
Wi-Fi和Wi-Fi HaLow
對于普通市民來(lái)說(shuō)，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(wǎng)絡(luò )，而是由運營(yíng)商通過(guò)4G和5G為用戶(hù)提供網(wǎng)絡(luò )接入，公共或私人Wi-Fi作為第三層網(wǎng)絡(luò )覆蓋其上。
在我們發(fā)展智慧城市的過(guò)程中，其中一個(gè)重要特征就是要能在互聯(lián)城市的任何地方為每個(gè)人提供普遍的、高質(zhì)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(wú)法實(shí)現大面積覆蓋的情況下，區域內的連接質(zhì)量和可訪(fǎng)問(wèn)性大幅下降。公共Wi-Fi在人口密度增加的時(shí)候尤其有益，比如在音樂(lè )會(huì )或除夕夜，公共Wi-Fi能使擁擠地區的互聯(lián)網(wǎng)接入變得更好。
在具體實(shí)施中，公共Wi-Fi通常由地方政府提供，由地方政府在特定區域內實(shí)施高質(zhì)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(wù)的功能和整個(gè)城市生活。
地方政府和社區還可以通過(guò)智能應用程序和設備將該服務(wù)用于營(yíng)銷(xiāo)和溝通目的。例如，向人群提供更多的數字內容和交互式個(gè)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(wǎng)絡(luò )管理不善，私人內容可能會(huì )向公眾開(kāi)放。因此，公共Wi-Fi的隱私問(wèn)題也要予以考慮。
Wi-Fi HaLow是傳統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(guò)了2.4GHz、5GHz和6GHz頻段的傳統Wi-Fi，可以說(shuō)它重新定義了智慧城市和物聯(lián)網(wǎng)應用的無(wú)線(xiàn)連接邊界。Wi-Fi HaLow能從單個(gè)接入點(diǎn)連接8000多個(gè)設備，提供超過(guò)1km的長(cháng)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(chǎn)品，支持902MHz至928MHz之間高達32.5Mbps的數據速率，配備了超長(cháng)距離PA、高線(xiàn)性L(fǎng)NA、T/R開(kāi)關(guān)和32MHz晶體振蕩器等功能，簡(jiǎn)化了與外部主機的Wi-Fi HaLow連接，具有長(cháng)距離、低功耗和卓越的射頻性能。
Wi-Fi HaLow模塊MM6108-MF08651-US （圖源：貿澤電子）
本文小結
無(wú)線(xiàn)基礎設施是智慧城市的重要支柱，它實(shí)現了數據和通信的無(wú)縫連接。通過(guò)利用無(wú)線(xiàn)基礎設施，城市可以創(chuàng )建一個(gè)連接各種設備和系統的網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現高效和有效的通信。有了無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，個(gè)人可以在移動(dòng)中保持聯(lián)系，隨時(shí)隨地訪(fǎng)問(wèn)信息和服務(wù)。這種移動(dòng)性不僅限于個(gè)人設備，還包括智能汽車(chē)、公共交通甚至路燈和監控攝像頭等基礎設施系統。
同樣，通過(guò)無(wú)線(xiàn)連接的自動(dòng)化系統，可以更有效地管理電力和供水等公用事業(yè)?？绮煌块T(mén)的連接和共享數據的能力提高了整體生產(chǎn)力，改善了居民的生活質(zhì)量。
無(wú)線(xiàn)基礎設施的另一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢是較高的成本效益。相比有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，無(wú)線(xiàn)技術(shù)需要更少的物理組件，并減少了對廣泛布線(xiàn)基礎設施的需求。
當然，永遠不會(huì )有一種類(lèi)型的連接技術(shù)能夠主導整個(gè)智慧城市的生態(tài)系統，多種通信網(wǎng)絡(luò )的異構組合共同發(fā)揮作用才能構建一個(gè)完善的互聯(lián)互通世界。
文章來(lái)源：貿澤電子
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