摘要

　　作為建設更高效的可持續發展社會的重要戰略，智能城市生態系統及其新一波創新應用引起業界廣泛關注。智能城市需要智能路燈、智能電能表、智能燃氣表、智能傳感器節點、智能建筑、智能駐車、電動交通和智能垃圾收集等先進技術。意法半導體掌握最先進的半導體制造工藝，擁有各種物聯網半導體解決方案，并深入了解公用事業生態系統的構成要素，因此，意法半導體在滿足智能城市需求方面占據優勢。

　　簡介

　　物聯網簡稱IoT,是由智能設備節點互聯構成的網絡，這些網絡節點多數情況下是低功耗、低成本的傳感器節點，可直接感測數據，并將信息傳送到互聯網云端，全程無需人工干預。云端負責采集、處理和保護數據信息，并向指定人員分享信息，或者為公用事業機構提供數據服務。物聯網的主要目標是運用科技手段提高人們的生活品質。

　　物聯網概念覆蓋四大應用領域：穿戴技術、智能家居、智能汽車和智能城市。因為拉動物聯網應用增長，智能城市應用開始引起業界關注。

　　智能城市包括智能樓宇、智能電表、路燈監控、交通管理、智能駐車、環境監測、智能垃圾收集、智能遠程醫護服務。

　　穿戴技術涉及智能眼鏡、智能手環、智能手表等健身保健產品。

　　智能家居包括智能照明、智能家電和智能電源插座等監控電能并確保家居安全的電器產品。

　　本文不討論智能汽車。

　　智能表計

　　智能表計是智能城市中最早出的概念。集中抄表(AMR)和高級表計架構(AMI)讓智能表計在智能城市概念中扮演重要角色。高級表計架構可在在用戶表計與相關公共服務機構之間雙向傳輸數據，交換能源使用信息和本地能源產量信息。有了這項技術后，公共服務機構可實時遠程抄表，采集所有計量表計的能源使用數據，確定總體能源負載曲線，動態選擇能源供應協議中的階梯價格，監視并維護整個系統運行，同時預防網絡故障和能源損耗。

　　在這種情況下，通信是智能表計架構的關鍵構件，電力線通信(PLC)或無線通信技術能夠讓智能表計向數據集中器上傳信息，定期向公共服務機構分享數據。

　　電能表

　　電力線通信(PLC)技術通常用于電能表。意法半導體擁有20余年的電力線通信技術研發經驗，為市場提供不電的電力線調制解調器(PLM)。STarGRID產品家族是一個電力線調制解調器平臺，提供兼容不同網線協議的窄帶PLM通信解決方案，例如，ST7570、ST7580、ST7590分別支持IEC 61334-5-1、METERS AND MORE?、PRIME協議。METERS AND MORE?協議是一個由非贏利性的電力行業聯合會管理的開放式技術標準，會員包括歐美亞的科技公司和供電企業。

　　最近，意法半導體推出了STCOMET智能電表和PLC二合一系統芯片,該芯片集成了電力線通信調制解調器、高性能ARM Cortex M4應用處理器和電能計量功能，其中，內部電力線通信調制解調器架構支持最高500 KHz的PRIME、 G3、IEEE 1901.2、METERS AND MORE?等窄帶PLC通信協議；電能計量子系統兼容1級、0.5級和0.2級交流電表計量精度。

　　燃氣表

　　智能燃氣表是電池供電，所以通常采用無線通信技術。意大利開始在全國大規模安裝智能燃氣表。新表通過500mW 的RF 169MHz無線通信技術連接到數據集中器。信息交換使用WMBUS(無線表計總線)和 DLMS/COSEM通信協議。

　　圖1 –智能表計應用示意圖

　　無線表計總線是一個開放式集中抄表標準。設備語言報文規范(DLMS)和電能計量配套技術規范(COSEM)實現了數據集中器與電表交換數據所用的抽象層。意法半導體的SPI RIT1實現了這些通信協議，是一款具有市場競爭力的射頻芯片。作為超低功耗的射頻收發器，SPI RIT1工作在150MHz-920MHz頻段,輸出功率最高16dBm，靈敏度為-118dBm。為了能夠在智能燃氣內工作，收發器還需外接一個功放，將最大輸出功率提高到27dBm。意法半導體開發了兼容歐洲EN13757-3:2013和EN13757-4:2013標準的WMBUS固件協議棧，如果客戶要求，意法半導體還提供相關的C源代碼，代碼運行在STM32L1和PIRIT1組成的開發平臺上。STM32L1是一系列超低功耗的ARM Cortex M3微控制器，用戶還可以選用STM32L0或STM32L4微控制器，這兩款產品分別搭載ARM Cortex M0+和M4處理器內核。

　　智能照明

　　智能路燈是目前不少地區政府關注的最新的智能城市發展趨勢之一，智能路燈有助于改進耗電量和路燈維護問題，同時能夠為市政服務機構提供多項服務。智能街道照明系統可以遠程控制路燈，并根據公路交通參與者活動狀況和雨、霧霾、霧等自然環境條件，自動調整路燈亮度。此外，系統還可以監視每支燈的狀態、壽命、耗電量等信息，以及每個燈桿的垂直梯度。當機動車撞到燈桿或燈具出現異常運動時，系統還能檢測到加速度數據，并將數據發送到操作員，從而節省大量的維修成本，同時大幅降低燈具更換率。

　　圖2 –智能路燈應用示意圖

　　在智能城市中，路燈將會為市政服務機構提供多項服務。除城市照明外，市政服務機構還管理大量的其它市政服務，而公共照明網絡配備各種傳感器和先進通信系統，可為市政服務機構提供新型服務，例如，交通監測、出行效率、公路安全、空氣質量監測、天氣監測、電動交通管理等。

　　除高效的路燈控制驅動產品及技術外，傳感器和通信系統同樣發揮重要作用。意法半導體是智能傳感器市場公認的領導品牌，擁有智能路燈系統所需的全部產品，其中，先進傳感器包括加速度計(LIS2DS12)、壓力傳感器(LPS25HB)、濕溫傳感器(HTS221)和麥克風(MP34Dxx)。為了便于用戶評測傳感器性能，x-NUCLEO-IKS01A1評估板上安裝了環境慣性感測模塊，兼容Arduino UNO R3排針。

　　傳統公共照明系統升級到智能照明，通信技術是一個關鍵要素。無線通信或電力線通信是智能路燈系統中應用最多的兩種通信技術。

　　6LoWPAN無線網絡

　　169MHz、433MHz或868MHz的Sub GHz的射頻通信技術是歐洲常用的無線通信技術。SPIRIT1就是一款工作在這三個頻段的 Sub GHz射頻收發器，高性能，低功耗，靈敏度為–118dBm;支持跳頻、天線分集和AES-128加密，有多種通信協議可選，其中Wireless M-Bus或6LoWPAN（基于低功耗無線個人區域網絡的IPv6）是應用最廣泛的無線通信協議。

　　互聯網工程任務組IETF開發的6LoWPAN通信協議通過低功耗無線網絡傳送IPv6分組數據，在互聯網云端為每個無線網絡節點分配一個唯一性的IP地址。

　　6LoWPAN通信層實現了RPL(低功耗有損耗IPv6網絡路由協議)，該協議為電池供電節點提供了高能效的動態路由通道，每個設備可通過網格網絡傳遞報文，從而擴大了通信距離。網格網絡自動建立，自動處理。

　　開源操作系統Contiki提供一個開源版6LoWPAN協議棧，意法半導體為STM32平臺開發出一個Contiki 3.0端口。意法半導體的NUCLEO電路板與所支持的擴展板配合使用，可以開發這個應用。意法半導體6LoWPAN演示解決方案包括STM32L152RET6超低功耗微控制器開發板NUCLEO-L152RE和X-NUCLEO-IDS01A4擴展板。X-NUCLEO-IDS01A4擴展板是搭載SPSGRF-868射頻收發器的Shield接口擴展板。SPSGRF-868是經過認證的低于1GHz的SPIRIT1射頻模塊。

　　路燈PLM網絡

　　電力線通信調制解調器簡稱PLM，可替代前文討論的智能路燈射頻網絡通信，我們在本文智能功率部分討論的PLM STarGRID系列產品可滿足智能路燈的通信需求。

　　圖3所示是意法半導體的STEVAL-IHP007V1電力線通信板，將其與HID或LED鎮流器模塊配套使用，可實現智能路燈控制系統。這塊板子搭載意法半導體的STM32F103 ARM Cortex‐M3微控制器和ST7580 PSK窄帶電力線調制解調器。ST7580的數據速率為28.8kbps，屬于意法半導體的STarGRID PLM產品家族。這塊評估板工作在CENELEC B頻段，內置路燈專用數據鏈路層固件協議，實現了防沖突和重復算法。

　　圖3 –STEVAL-IHP007V1

　　智能家居 – 無線聯網

　　智能家居生態系統包括智能照明、智能家電、電源監控智能插座、家庭安保系統。

圖4 –智能家居

　　如同智能城市中的智能路燈網絡，網絡通信是智能家居能否實現的關鍵技術之一。

　　意法半導體擁有大量的符合智能家居技術要求的網絡通信產品，例如：PLM、WiFi、Bluetooth Classic和Bluetooth 4.1、NFC/RFID和RF SubGHz。

　　圖5所示的STEVAL-IDI004V2是意法半導體的網絡通信演示解決方案，在一塊電路板上集成了前方列舉的所有通信技術。

　　STEVAL-IDI004V2是一個搭載STM32F103微控制器的無線通信網橋，集成了下面的無線網絡技術：WiFi、BT 3.0、RF SubGHz 868MHz和NFC。

　　圖 5 –STEVAL-IDI004V2

　　·Wi-Fi模塊 - SPWF01SA.11: 經過認證(FCC, IC, CE)的2.4 GHz IEEE 802.11 b/g/n射頻模塊; 集成 TCP/IP網絡協議和完整的TLS/SSL安全算法，通過AT指令為用戶提供友好的界面。

　　·Sub-GHz RF模塊 - SP1ML-868: 868 MHz ETSI認證射頻模塊，基于低于1GHz的SPIRIT1射頻收發器和 STM32L1超低功耗微控制器，并集成平衡-不平衡變換器(BALF-SPI-01D3)和片上天線。

　　·藍牙模塊 - SPBT2632: Bluetooth? Classic 3.0版，內置藍牙協議棧固件，包括SPP和iAP規范；提供AT指令界面，通過CE、FCC、IC、TELEC認證。

　　·NFC讀寫器芯片 - CR95HF: NFC 13.56-MHz讀寫器，內置多協議非接收發器，提供SPI和UART串行接口。

　　在這個通信平臺上，SP1MLRF SubGHz負責在6LoWPAN MESH協議網絡上傳輸和采集無線傳感器節點的數據信息。

　　圖6中的STEVAL-IDI003V2和STEVAl-IDI002V2評估板配合使用，可創建低功耗傳感器節點射頻網絡。

　　STEVAL-IDI002V2是一個射頻板，基于STM32L1超低功耗微控制器和SPIRIT1 RF SubGHz 低功耗收發器，在本演示解決方案中，射頻芯片的通信頻率調至868MHz。

　　圖6 –射頻節點

　　STEVAL-IDI003V2是一塊板載多個傳感器的評估板，通過一個11針接口連接射頻板。板載傳感器包括：

　　lHTS221濕溫傳感器：該傳感器尺寸緊湊，可測量相對濕度和溫度，通過SPI和I?C數字串行接口上傳測量數據。

　　lLPS25H MEMS壓力傳感器：該傳感器是壓阻式壓力傳感器，尺寸非常小，260-1260 hP絕對數字輸出。

　　lLIS3DH 3軸 "納安級" MEMS加速度計，超低功耗，高線性，I2C/SPI串行輸出。

　　低功耗射頻網絡節點還可使用x-NUCLEO方法連接到6LoWPAN網絡，以提供不同的傳感器參數輸出。網絡節點組件包括NUCLEO-L152RE、X-NUCLEO-IDS01A4和X-NUCLEO-IKS01A1。 (圖7)

　　圖7 –x-NUCLEO方法

　　無線網橋板(STEVAL-IDI004V2)和射頻傳感器節點(STEVAL-IDI003V2+STEVAL-IDI002V2)之間的通信是以下文提到的6LoWPAN Contiki 3.0 通信(IPv6)為基礎。

　　在無線網橋板上，6LoWPAN協議棧運行在SP1ML-868射頻模塊內的STM32L1微控制器上。

　　當智能手機通過藍牙連接到無線網橋板時，可以在專用的安卓應用軟件上查看無線傳感器參數，如圖8所示。

　　圖8 –藍牙APP

　　每個射頻傳感器節點都被分配一個唯一性的IPv6地址或設備別名。

　　NFC界面可用于設置無線網橋板，例如，藍牙設備名稱、WiFi 的SSID/密碼和無線傳感器節點通道設置。

　　用戶也可以通過USB VCOM驅動，使用專用的PC圖形用戶界面來完成這個配置過程。

　　此外，WiFi可用于連接無線傳感器網絡和互聯網云端，通過互聯網應用程序從云端監控所有的射頻傳感器節點參數。

　　結束語

　　意法半導體擁有業界最豐富的半導體產品組合和最先進的半導體制造工藝，從傳感器、功放，到低功耗微控制器，再到安全IP模塊、模擬器件和接口芯片，意法半導體擁有構建物聯網系統所需的全部組件。