如何为智能能源和公用事业部署安全可靠的无线连接

作者：Jeff Shepard

来源： digikey

无线通信，包括本地网络和云连接，是一系列智能能源和公用事业系统的基本要素，包括电表、关键基础设施、绿色能源系统、电动汽车、电网现代化、智能电网和智能城市。这些应用通常涉及边缘连接，需要低延迟、可预测和安全的通信，可以使用 IEEE 802.15.4、Zigbee、蓝牙和其他协议提供支持。在某些情况下，他们可以从低功耗、高吞吐量的无线协议中受益，例如 IEEE 802.11 g/n 标准，该标准可在室外约 300 米内提供高数据速率网络访问。

此外，这些无线设备必须符合美国联邦通信委员会 (FCC) 标准、欧洲电信标准协会 (ETSI) 要求、欧洲 EN 300 328 和 EN 62368-1、加拿大创新、科学和经济发展 (ISED)、日本总务省 (MIC) 等。设计无线连接并获得所需的认证可能非常耗时，导致成本增加并延长上市时间。相反，设计人员可以转向预先设计和认证的无线通信模块和开发平台，这些模块和开发平台可以轻松集成到智能能源和公用事业设备中。

本文首先回顾了本地网络和云连接的几种通信选项和体系结构，包括有线和无线网络选项。然后它提供了几个无线平台 迪吉, 硅实验室, 莱尔德连接, 英飞凌和 意法半导体 用于为智能能源和公用事业部署安全可靠的无线连接，包括开发环境以加快设计过程。

重大机遇与挑战

大挑战往往伴随着大机遇。在智慧城市基础设施中部署智能能源和公用事业时，情况肯定如此。首先，需要有效地整合现有和老化的基础设施。然后，需要部署地理位置分散且技术异构、高效且强大的网络。最后，这些网络有望提供灵活性，以应对未来的技术发展，如智能和联网车辆的出现。

例如，先进的自动化交通管理系统可以提高安全性，改善能源使用，并减少汽车、公共汽车和其他车辆对环境的影响。在这种情况下，集中式流量管理系统通过高带宽光纤和无线回程通信连接到网络。其他系统元素包括(图1)：

在本地级别支持启用 IP 的设备的以太网和蜂窝路由器。在某些情况下，添加以太网供电 (PoE) 以扩展网络效用并控制成本。

传统设备可以通过专用连接和串行端口进行集成。

本地Wi-Fi和蓝牙设备可以使用匿名数据监控交通密度和行人。生成的数据可以在本地进行分析，并发送到中央交通管理系统进行决策和更高级别的控制功能。

交通摄像头、雷达或激光雷达等传感器和其他数据源的组合由本地高级固态交通控制器 (ASTC) 使用，并移动到集中管理中心以实时优化交通流量。

图 1：智慧城市中的自动交通管理范围从行人和车辆的 Wi-Fi 检测到交通摄像头和 ASTC 控制器以及集中式交通管理和控制中心。(图片来源：数码)

可以使用以下方法提高整体能源效率、公共安全和减少城市道路对环境的影响：

　　通过结合本地和集中控制，近乎实时地修改交通流量和信号定时，检测并最大限度地减少拥堵。

　　调整信号定时，以支持公共汽车和其他形式的公共交通的高效和按时运行。

　　可以实时为急救人员提供优化的路线，以加快他们的到达速度，并最大限度地减少对公共安全的整体影响。

未来的智慧城市

今天的智慧城市仍然主要是一项正在进行的工作。有充足的改进和进步机会。未来的智慧城市将越来越关注综合能源效率和提高生活质量。电动汽车(e-vehicle)和智能或自动驾驶汽车将成为常态。它们将被集成到智能住房、智能充电基础设施、智能交付系统和端到端交通系统中，包括火车、轻轨和公共汽车，以及用于“最后一英里旅行”的电动机器人出租车。

居民将使用智能手机进行越来越多的用途，包括购买公共汽车和火车票，加快流程并进一步减少交通对环境的影响。虽然交通将继续是电动汽车的主要用途，但它并不是唯一的用途。

商用车辆，如卡车、公共汽车、货车和送货车，以及建筑设备，约占一氧化碳的四分之一2 据英飞凌称，一个城市的排放量约占温室气体(GHG)总排放量的5%。除了为乘用车和电动自行车充电外，还需要开发集成充电基础设施，以容纳这些商用车中的大型电池。充电基础设施需要相互连接和集中控制，以最大限度地提高各种类型车辆及其用例的充电速度。

为了支持减少对环境的影响，提高生活质量和能源的有效利用，将需要复杂的实时无线网络来监控分散的可再生能源，微电网和储能的运行，优化能源利用，管理水和废水的使用，并管理广泛的运输和其他系统。这些实时网络必须健壮且延迟最小(图 2)。为了支持智慧城市基础设施，设计人员需要能够快速开发、部署和更新复杂通信网络和连接设备的工具。

图 2：智慧城市服务将依靠强大的实时无线网络来连接各种应用。(图片来源：英飞凌)

通过无线模块实现安全联网

为了快速部署安全网络，设计人员可以求助于 Digi 的 XBee RR 无线模块 基于 EFR32MG21B020F1024IM32-BR Silicon Labs 的无线片上系统 (SoC)，包括一个 80 MHz ARM Cortex-M33 内核和一个集成安全子系统。XBee 模块利用多种无线协议和频段(如 Zigbee、802.15.4 和 DigiMesh)以及低功耗蓝牙 (BLE) 来支持各种网络架构。DigiMesh是一种点对点网状网络协议，可以降低使用Zigbee进行点对多点配置的复杂性。这些模块支持 BLE 和连接到另一个 BLE 设备.

智能手机连接可用于使用XBee移动应用程序配置和编程模块。此外，开发人员可以使用与Windows，MacOS和Linux兼容的XCTU配置平台。XCTU 使用图形网络视图来简化无线网络配置，并使用 API 帧构建器开发工具快速构建 XBee API 帧。其他模块的功能和选项包括：

封装选项包括 13 毫米 (mm) x 19 mm 微型安装器件，如 XBRR-24Z8UM、表面贴装模块，如 XBRR-24Z8PS-J，以及通孔配置，例如 XBRR-24Z8ST-J (图3)

PRO版本经过FCC认证，可在北美使用，标准版本符合ETSI标准，适用于欧洲

　　低功耗和高功率模块配置

　　室内/城市范围可达 90 米 (m) (300 英尺)，具体取决于条件

　　根据条件，室外视线范围可达 3200 米(2 英里)

　　集成的物联网安全应用程序简化了设备安全、设备标识和数据隐私的集成

图 3：Digi XBee 无线模块的封装选项包括微型安装(左)、表面安装(中)和通孔(右)。(图片来源：数码钥匙)

智能网关

Laird Connectivity 的 Sterling LWB+ 模块，如 453-00084R 是专为无线物联网设备和智能网关设计的高性能 2.4 GHz WLAN 和蓝牙组合模块。它们基于 AIROC CYW43439 英飞凌单芯片无线电IC，工作温度范围为-40°C至+85°C，适用于一系列智能公用事业以及智慧城市和能源应用。Sterling LWB+ 模块拥有全球认证，包括 FCC、ISED、EU、MIC 和 AS/NZS。

Sterling LWB+ 模块包括介质访问控制 (MAC)、基带和无线电，以及用于蓝牙接口的独立高速 UART。Laird Connectivity和英飞凌支持最新的Android和Linux驱动程序。集成的芯片天线具有抗失谐能力，简化了系统设计和制造。Sterling LWB+ 系列是系统级封装 (SIP)，提供走线引脚、集成芯片天线或 MHF4 连接器。它们还包括WPA / WPA2 / WPA3加密。这些模块提供四种封装样式，以满足各种系统设计和应用要求的需求(图 4)。

图 4：基本 Sterling LWB+ SIP(左)、带 MHF 连接器的模块(左二)、带集成天线的模块(左三)和卡边缘连接器(右)。(图片来源：Laird Connectivity)

Sterling-LWB+ 包括安全、高性能、安全的数字输入和输出 (SDIO)，支持与任何基于 Linux 或 Android 的系统轻松集成。为了加快无线物联网设备和智能网关的开发，设计人员可以转向 453-00084-K1 开发套件，其中包括 453-00084R 带有集成 MHF 连接器的模块(图 5)。

图 5：该开发板包括 Laird 的 453-00084R Sterling LWB+ 模块，带有集成的 MHF 连接器(图片来源：Laird Connectivity)

无线工业级传感器节点

无线传感器节点是智慧城市中智能能源和公用事业的重要组成部分。为了帮助设计人员快速设计、原型设计和测试高级无线传感器节点，意法半导体提供了 STEVAL-STWINKT1B 传感器磁贴开发套件和参考设计。它包括一个 X-核安全A1A 支持物联网设备身份验证和安全数据管理的扩展板，一个 蓝龙-M2SA 蓝牙收发器模块，以及 IMP23ABSUTR 微机电系统麦克风。MEMS麦克风设计用于与超低功耗板载微控制器配合使用，在从35 Hz到超声波的宽振动频率范围内对9自由度(DoF)运动传感数据进行振动分析。它还包括加速度计、陀螺仪、湿度传感器、磁力计以及压力和温度传感器。

SensorTile开发套件包括对一系列软件包、固件库和云仪表板应用程序的访问，以加快全面的端到端物联网传感器系统的开发。集成模块提供BLE连接，RS484收发器支持有线连接，并且 STEVAL-STWINWFV1 插件扩展板提供 Wi-Fi 连接。主板包括一个STMod+连接器，用于添加基于STM32系列微控制器的小尺寸子板。最后，该开发套件包括一个 480 mAh 锂聚合物电池，一个 STLINK-V3MINI 独立的调试和编程探头，以及一个塑料盒(图6)。

图 6：STEVAL-STWINKT1B SensorTile 开发套件和参考设计包括一套全面的环境传感器，并支持多种连接选项。(图片来源：意法半导体)

总结

需要一系列无线连接协议来支持智慧城市中智能能源和公用事业系统的需求。这些系统可以提高能源效率，改善公共安全，支持更有效的水和能源使用，并减少一氧化碳。2 和温室气体排放。如图所示，Wi-Fi、Zigbee和蓝牙低功耗无线协议有多种无线模块和开发环境，可以提供智能城市基础设施中智能能源和公用事业所需的安全而强大的连接。