本文將以英飛凌(Infineon)和eluminocity以及英特爾(Intel)合作為智慧城市開發(fā)的照明解決方案為基礎(chǔ)，闡述建構(gòu)安全互聯(lián)城市的基礎(chǔ)術(shù)，以及如何實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的智能化。
隨著越來越多的人遷入城市，公共管理機(jī)構(gòu)正在尋找使城市、及其基礎(chǔ)設(shè)施和能源系統(tǒng)更智能，更安全，更節(jié)能的途徑。除此之外，隨著車輛日益互聯(lián)，市政管理當(dāng)局現(xiàn)在有更多機(jī)會(huì)與司機(jī)互動(dòng)，依托智能交通管理帶來便利和效率。然而，隨著更多的系統(tǒng)連接到云，從而形成“物聯(lián)網(wǎng)”，這為惡意訪問敏感數(shù)據(jù)創(chuàng)造了更多機(jī)會(huì)。
快速發(fā)展的城市化和技術(shù)可獲得性，提高了消費(fèi)者對(duì)未來生活便捷程度的期望。迄今為止，人們關(guān)注的主要是移動(dòng)終端和產(chǎn)品，但顯而易見的是，增強(qiáng)型基礎(chǔ)設(shè)施在界定和發(fā)展我們所處的世界方面可以發(fā)揮重要作用。
更高的期望帶來了挑戰(zhàn)。公共管理機(jī)構(gòu)必須制定移民計(jì)劃，同時(shí)考慮重大經(jīng)濟(jì)和社會(huì)問題，例如公民的隱私和安全問題。設(shè)計(jì)師面臨著日趨復(fù)雜的挑戰(zhàn)，有些要求相互沖突。一方面，他們正在快速接納新技術(shù)，為之前的應(yīng)用（如簡(jiǎn)易的路燈）增添更多的功能，另一方面，面對(duì)不斷上漲的能源成本，他們正在努力最大限度降低能源消耗。
在這個(gè)美好的新世界里，路燈不再只是照明器件，而是迅速演變?yōu)橐粋€(gè)功能強(qiáng)大的互聯(lián)門戶，成為智慧城市基礎(chǔ)設(shè)施的關(guān)鍵內(nèi)容。然而，為了確?；竟δ芎吐?lián)網(wǎng)能力，照明設(shè)計(jì)師現(xiàn)在正在運(yùn)用蜂窩聯(lián)網(wǎng)、多種主動(dòng)和被動(dòng)傳感技術(shù)，以及安全解決方案。
24GHz雷達(dá)技術(shù)
雷達(dá)是一種物體檢測(cè)方法，使用無線電波來確定穿過電磁波的物體的范圍、角度或速度。典型的雷達(dá)系統(tǒng)由若干元件組成，包括生成無線電或微波頻率范圍的電磁脈沖或電磁波的發(fā)射機(jī)、發(fā)射天線、接收天線和處理接收信號(hào)的接收機(jī)。
脈沖雷達(dá)通過向物體表面發(fā)送一個(gè)可反射的強(qiáng)短波，測(cè)量靜態(tài)或移動(dòng)物體的距離。發(fā)射脈沖與接收脈沖之間的時(shí)長(zhǎng)，與物體距雷達(dá)系統(tǒng)的距離成正比。
連續(xù)波方法連續(xù)發(fā)射可以不同方式調(diào)制的電磁波。FMCW雷達(dá)（調(diào)頻連續(xù)波）可以通過發(fā)射與接收信號(hào)混合的“啁啾”聲，來檢測(cè)靜止物體和移動(dòng)物體。低頻輸出表示距離和速度。FSK（頻移鍵控）用于檢測(cè)移動(dòng)物體的距離。在這種技術(shù)中，兩個(gè)頻率被先后發(fā)送，相移多普勒信號(hào)表示距離。
圖1：連續(xù)波雷達(dá)可以檢測(cè)靜止和移動(dòng)物體的位置。
由于物體檢測(cè)對(duì)于許多智能系統(tǒng)和設(shè)備變得愈加重要，24GHz雷達(dá)技術(shù)被用于多種應(yīng)用，包括多旋翼無人機(jī)/無人機(jī)、智能開門器、家庭和工廠自動(dòng)化、速度計(jì)、機(jī)器人，以及其它許多基于物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用。
智能路燈
由英飛凌、eluminocity和英特爾共同開展一個(gè)項(xiàng)目目標(biāo)在支持未來的全球互聯(lián)智慧城市。結(jié)合三家公司技術(shù)和專業(yè)知識(shí)開發(fā)出的高效LED路燈應(yīng)用，具備精確的傳感和安全數(shù)據(jù)傳輸能力。這款聯(lián)合開發(fā)的智能路燈解決方案基于eluminocity的路燈概念——可作為智能應(yīng)用中心。英飛凌負(fù)責(zé)提供解決方案中電子系統(tǒng)的核心，包括24GHz雷達(dá)、半導(dǎo)體元器件、XMC單片機(jī)及OPTIGA系列安全解決方案。
英特爾則提供了實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)的調(diào)制解調(diào)器，該調(diào)制解調(diào)器結(jié)合依托LTE Cat.1 / LTE Cat.M1 / Cat.NM1 / LTE-NB / 5G-IoT模塊支持低功耗、大覆蓋的蜂窩網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。結(jié)合英飛凌OPTIGATM技術(shù)，標(biāo)準(zhǔn)化蜂窩網(wǎng)絡(luò)技術(shù)提供一個(gè)開放式系統(tǒng)，該系統(tǒng)可靈活擴(kuò)展，完全獨(dú)立于現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施，同時(shí)具備高度安全性。街道照明管理機(jī)構(gòu)（通常是公共管理機(jī)構(gòu)）只需要確保將路燈連接到現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施。
由于采用了先進(jìn)的電源管理和開關(guān)器件，提升了路燈本身的效率；另一方面，24GHz雷達(dá)系統(tǒng)檢測(cè)物體存在的能力，能夠讓街燈僅僅在需要時(shí)增加照度，從而成為一種比“恒亮”路燈更加高效的照明解決方案。
圖2：智能照明只是這些智慧城市智能系統(tǒng)的功能之一。
不過，eluminocity的智能路燈概念不僅僅是高效的照明解決方案。接近檢測(cè)功能允許他們檢測(cè)附近的空車位。由于具備聯(lián)網(wǎng)能力，它可以立即告訴附近的司機(jī)哪里有空閑車位——這是真正智能交通管理的一個(gè)要素。通過監(jiān)測(cè)當(dāng)?shù)亟煌顩r，系統(tǒng)可向城市規(guī)劃?rùn)C(jī)構(gòu)和周邊的店主提供有價(jià)值的數(shù)據(jù)。通過交通信號(hào)燈和交通標(biāo)志控制，或通過向車載衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可用于引導(dǎo)司機(jī)繞過擁堵路段。
現(xiàn)代智能路燈還可以配備電動(dòng)汽車充電站，不占用額外的空間，這是成功推行電動(dòng)交通的主要前提。
智能照明：技術(shù)概述
這套智能路燈中采用的OPTIGA安全解決方案可確保聯(lián)網(wǎng)過程中最被關(guān)心的安全漏洞問題。盡管智能路燈具備十分先進(jìn)的功能，可形成智慧城市的骨干，但是帶來這些優(yōu)勢(shì)的聯(lián)網(wǎng)，同樣會(huì)帶來潛在的安全漏洞。為應(yīng)對(duì)這一威脅并確保智慧城市所依賴的網(wǎng)絡(luò)的安全性，標(biāo)準(zhǔn)化的OPTIGA安全控制器為嵌入式平臺(tái)提供廣泛的安全功能，包括系統(tǒng)和數(shù)據(jù)完整性、身份驗(yàn)證、安全通信、安全數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和安全更新等。所有這些對(duì)于保護(hù)未來智慧城市的完整性至關(guān)重要。
OPTIGA系列核心是16位安全控制器，可以輕松集成于各種物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。為了讓設(shè)計(jì)人員獲得最大靈活性，該系列支持Microsoft Windows、Linux和衍生操作系統(tǒng)，并可支持集成專有系統(tǒng)。OPTIGATM系列還包含TPM器件，也是首款支持TCG最新TPM 2.0標(biāo)準(zhǔn)的器件，可輕松實(shí)現(xiàn)最新的安全協(xié)議。
該方案中的24GHz工業(yè)雷達(dá)芯片解決方案BGT24LTR11提供了智能接近感測(cè)功能，即智能路燈的接近檢測(cè)功能。這種多功能器件能夠測(cè)量多個(gè)參數(shù)，包括基于多普勒的物體速率/速度，基于電磁波的距離測(cè)量。附加接收信道還支持基于天線處的相位檢測(cè)來測(cè)量角度/方向。
24GHz雷達(dá)的監(jiān)測(cè)精度很高——行人達(dá)50米，車輛達(dá)150米。該技術(shù)比被動(dòng)紅外（PIR）技術(shù)更加靈敏，最終將在許多應(yīng)用中取代被動(dòng)紅外技術(shù)，它甚至可以檢測(cè)（例如）精確到毫米的呼吸運(yùn)動(dòng)。24GHz雷達(dá)還能在各種天氣條件下運(yùn)行，包括溫度急劇變化、高濕度和多塵環(huán)境等，在全球互聯(lián)智慧城市應(yīng)用中，適合最嚴(yán)酷的戶外環(huán)境。
圖3：BGT24LTR11N16框圖和封裝尺寸。
尚不十分熟悉24GHz技術(shù)的設(shè)計(jì)人員可使用隨BGT24LTR11提供的Sense2GoL演示板。這套演示板在面積僅為25mm2的PCB上配備一枚XMC1302ARMCortexM032位工業(yè)單片機(jī)，以及用于接收和發(fā)射通道的專用貼片天線。演示板連接至一個(gè)Segger調(diào)試器中斷板，用于二次編程和評(píng)估。該綜合性套件也包括用于運(yùn)動(dòng)檢測(cè)的固件，用于雷達(dá)信號(hào)觀察的軟件GUI，以及便于設(shè)計(jì)快速投產(chǎn)的用戶手冊(cè)和完整的PCB示意圖和Gerber文件。
幾乎任何傳感器都可以集成于這些智能路燈。氣壓傳感器可以監(jiān)測(cè)空氣質(zhì)量，音頻傳感器可以識(shí)別噪聲污染水平，具體案例可包括基于音頻的車輛事故或槍聲檢測(cè)。雖然非常簡(jiǎn)單，照明傳感器在使路燈更加智能方面發(fā)揮非常重要的作用，通過檢測(cè)環(huán)境光，可以在天氣惡劣時(shí)打開路燈；它可以向控制器傳送光通量的實(shí)測(cè)值，確保不管路燈使用年限如何，始終達(dá)到理想的光通量；它可以向技術(shù)人員遠(yuǎn)程提供耗損數(shù)據(jù)，以便更好地規(guī)劃維護(hù)工作，還可以故障發(fā)生之前發(fā)出報(bào)警。
這套智能路燈中采用的XDPL8220元件包含一枚數(shù)字內(nèi)核，為基于同一器件實(shí)現(xiàn)不同系統(tǒng)設(shè)計(jì)創(chuàng)造了條件。先進(jìn)的控制算法為在同一電路內(nèi)實(shí)現(xiàn)恒定電流、恒定電壓和限定(部分)功率控制方案創(chuàng)造了條件，此外，通過調(diào)整不同參數(shù)集，可以將其用于不同的目標(biāo)應(yīng)用。
該器件可迎合現(xiàn)代電力系統(tǒng)的期望，其輸入電壓為90-305 VAC，能效率高于90%，總諧波失真度低于15%，符合IEC 61000-3-2 C類標(biāo)準(zhǔn)。能夠在較寬輸出電流范圍內(nèi)正常工作的有源PFC和諧波控制器，確保器件在各種操作條件下的功率因數(shù)大于0.9，并確保最大限度降低由無功功率和諧波引起的額外功率損耗。
本文小結(jié)
本文介紹的智能路燈運(yùn)用了無線聯(lián)網(wǎng)、接近感測(cè)、電源管理、單片機(jī)和高效的安全芯片，將簡(jiǎn)易的路燈改造成一個(gè)智能和安全的裝置，所有這些器件使得路燈具備廣泛的功能。未來這種開放式平臺(tái)使其他相關(guān)機(jī)構(gòu)能夠利用廣泛的傳感器網(wǎng)絡(luò)，還能讓創(chuàng)新機(jī)構(gòu)和人員立足這些系統(tǒng)開發(fā)新奇的應(yīng)用，支持和加強(qiáng)未來的全球聯(lián)網(wǎng)城市。
作者：英飛凌科技 市場(chǎng)主管Rosina Kreutzer ，系統(tǒng)架構(gòu)師Stephan Schoenfeldt
