如何为智慧能源和公用事业部署安全、稳健的无线连接

作者：Jeff Shepard

包括本地网络和云连接在内的无线通信是一系列智慧能源和公用事业系统的基本要素，具体包括各种能量计量仪表、关键基础设施、绿色能源系统、电动汽车、电网现代化、智慧电网和智慧城市。这些应用往往涉及边缘连接，需要使用IEEE 802.15.4、Zigbee、蓝牙和其他协议来支持低延迟、可预测和安全的通信。在有些情况下，诸如 IEEE 802.11 g/n标准等低功耗、高吞吐量无线协议对于这些应用来说很有用。这类协议在室外约 300 m 范围内提供高数据率网络接入。

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标准，加拿大创新、科学和经济发展 （ISED） 、日本总务省 （MIC）
以及其他的要求。无线连接的设计和获得所需的认证可能很耗时，这将导致成本增加、延长上市时间。不过，设计者可以采用经过预先设计和已经获得认证的无线通信模块、开发平台。这类模块和平台会很容易地集成到智慧能源和公用事业设备中。

本文首先回顾本地网络和云连接的几种通信选择和架构，其中包括有线和无线网络选择。然后，介绍由 Digi、Silicon Labs、Laird Connectivity、Infineon 和 STMicroelectronics提供的几种无线平台以及加快设计过程所需的开发环境。这些平台用于为智慧能源和公用事业部署安全、强大的无线连接。

大机遇、大挑战

大挑战往往伴随着大机遇。在智慧城市基础设施中部署智慧能源和公用事业时无疑就是这种情况。首先，需要有效地整合现有和老旧的基础设施。然后，还需要部署地域上分散、技术上异质的高效、强大网络。最后，期待这些网络具有高灵活性，能应对未来技术的发展，如智慧和互连车辆出现等。

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

在本地支持 IP 接入设备的以太网和蜂窝路由器。在某些情况下，增加以太网供电 （PoE），以提高网络利用率并控制成本。

传统设备可以通过专用的连接和串行端口进行整合。

本地 Wi-Fi和蓝牙设备可以使用匿名数据监测交通流量和行人。由此产生的数据可以在本地进行分析，并发送至中央交通管理系统进行决策，以执行更高层次的控制功能。

先进的本地固态交通控制器 （ASTC）会组合使用来自交通摄像头、雷达或激光雷达等传感器和其他数据源的数据，这类组合数据会发送至集中管理中心，用于实时优化交通流量。

可以通过以下方式加强城市道路的整体能源效率、公共安全并减少环境影响：

通过把本地和集中控制相结合，并以几乎实时的方式修改交通流量和信号灯时间，以监测并最大限度地减少拥堵。

调整信号时间，以支持公交车和其他形式的公共交通的高效、按时运行。

可以为第一反应者提供实时优化路线，以加快其到达时间并尽量减少对公共安全的总体影响。

未来的智慧城市

今天的智慧城市绝大部分仍是一项正在进行中的工作。改进和进步的空间很大。未来的智慧城市将越来越注重综合能源效率和提高生活质量。将来，电动汽车和智能或自主驾驶汽车会成为常态。这些车辆会被整合到智能住房、智能充电基础设施、智能交付系统和端到端交通系统中，其中包括火车、轻轨和公交车，以及用于“最后一英里”的电动机器人出租车。

智能手机的用途会越来越广泛，包括购买公交汽车票、火车票，同时加快上述过程并进一步减少交通带来的环境影响。虽然运输仍将是电动汽车的主要用途，但不会是唯一用途。

Infineon 公司表示，卡车、公共汽车、货运和送货车辆以及建筑设备等商用车辆的排放约占城市 CO2 排放量的四分之一，约占整个温室气体 （GHG）排放量的百分之五。除了为乘用车和电动自行车充电外，还需要开发综合充电基础设施，以满足商用车车辆中大型电池地的充电需求。充电基础设施将需要互联并集中控制，以便针对不同类型的车辆及其使用情况最大限度地提高充电速度。

为了减小对环境的影响，提高生活质量并有效利用能源，需要使用复杂的实时无线网络来监测分散的可再生能源、微电网和蓄能的运行情况，并优化能源利用，管理水和废水利用，管理广泛的运输及其他系统。这些实时网络必须是稳定可靠，具有最小延迟（图2）。为了支持智慧城市的基础设施，设计者需各种辅助工具，以便快速开发、部署和升级复杂通信网络和连接设备。

利用无线模块实现安全联网

为了快速部署安全网络，设计者可以采用 Digi 的 XBee RR 无线模块。这种模块基于 Silicon Labs 的
EFR32MG21B020F1024IM32-BR 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），可支持广泛的网络架构。DigiMesh 是一种点对点的网状网络协议，可以降低使用 Zigbee 进行点对多点配置时带来的复杂性。这些模块支持 BLE和与另一个 BLE 设备的连接。

智能手机连接可用于使用 XBee 移动应用对模块进行配置和编程。此外，开发者可以使用与 Windows、MacOS 和 Linux 兼容的 XCTU配置平台。XCTU 使用图形化网络视图来简化无线网络配置，并使用 API 框架构建器开发工具来快速构建 XBee API框架。其他的模块功能和选项包括：

封装选项包括 13 mm x 19 mm 微型安装设备（如 XBRR-24Z8UM）、表面贴装模块（如 XBRR-24Z8PS-J）、通孔配置模块（如XBRR-24Z8ST-J）（图 3）。

专业 （PRO） 版通过了 FCC 认证，用于北美地区；标准版符合 ETSI 标准，用于欧洲地区。

低功率和高功率模块的配置

室内/城市范围可达 90 m （300 ft），视情况而定

根据条件，室外视距可达 3200 m（2 英里）。

集成物联网安全应用简化了设备安全、设备身份和数据隐私的整合

智能网关

Laird Connectivity 的 Sterling LWB+ 模块（如 453-00084R）是高性能 2.4 GHz WLAN
和蓝牙组合模块，用于无线物联网设备和智能网关。这类模块基于 Infineon 的 AIROC CYW43439 单芯片无线电 IC，工作温度为 -40°C 至+85°C，使其适用于各种智慧公用事业、智慧城市及能源应用。Sterling LWB+ 模块获得了包括 FCC、ISED、EU、MIC 和 AS/NZS在内的全球认证。

Sterling LWB+ 模块包括介质访问控制 （MAC）、基带、无线电，以及一个用于蓝牙接口的独立高速 UART。Laird Connectivity和 Infineon 支持最新的 Android 和 Linux 驱动。集成片式天线抗失调，简化了系统的设计和制造。Sterling LWB+系列是一种系统级封装 （SIP），提供印制线引脚、集成片式天线或 MHF4 连接器该系列还具有 WPA/WPA2/WPA3加密功能。这些模块具有四种封装方式，可满足不同系统的设计和应用要求（图 4）。

Sterling-LWB+ 包括一个安全可靠的高性能数字输入和输出 （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，设计者可采用 453-00084-K1 开发套件。该套件包括具有集成 MHF 连接器的453-00084R 模块（图 5）。

无线工业级传感器节点

无线传感器节点是智慧城市中智慧能源和公用事业的重要组成部分。为了帮助设计者避免快速设计、原型开发和测试高级无线传感器节点造成的复杂性，STMicroelectronics提供 STEVAL-STWINKT1B SensorTile 开发套件和参考设计。该套件包括一块支持物联网设备认证和安全数据管理的X-NUCLEO-SAFEA1A 扩展板，一个 BLUENRG-M2SA 蓝牙收发模块以及一个 IMP23ABSUTR MEMS 麦克风。MEMS麦克风采用能与超低功耗板载微控制器一起使用的设计，用于在 35 Hz 直至超声频率范围内的 9 自由度 （DoF）运动传感数据的振动分析。该套件还包括一个加速仪、陀螺仪、湿度传感器、磁力计以及压力和温度传感器。

SensorTile 开发工具包可以访问一系列软件包、固件库和云端仪表板应用，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，而 STEVAL-STWINWFV1 插件扩展板则提供 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，该开发套件配备一块 480 mAh 锂聚合物电池、一个 STLINK-V3MINI独立调试和编程探头以及一个塑料盒（图 6）。

结束语

要满足智慧城市中的智慧能源和公用事业系统的需求，就需要一系列无线连接协议。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 CO2和温室气体排放。如图所示，有各种 Wi-Fi、Zigbee和蓝牙低能耗无线协议的无线模块和开发环境，可以为智慧城市基础设施中的智慧能源和公用事业提供安全、强大的连接功能。