如何為智慧能源和公用事業部署安全可靠的無線連接

本機網路和雲端連接等無線通訊是一系列智慧能源和公用事業系統的基本要素，包括電錶、關鍵基礎設施、綠色能源系統、電動車輛、電網現代化、智慧電網和智慧城市。這些應用通常涉及邊緣連接，需要低延遲、可預測和安全的通訊，可以由 IEEE 802.15.4、Zigbee、藍牙和其他協定支援。某些情況下，可採用低功耗、高傳輸率的無線協定，例如 IEEE 802.11 g/n 標準；此協定可在戶外約 300 m 範圍內提供高數據傳輸率網路存取。

此外，這些無線裝置必須滿足美國聯邦通訊委員會 (FCC) 標準；歐洲電信標準協會 (ETSI) 要求以及歐洲 EN 300 328 和 EN 62368-1 標準；加拿大創新、科學和經濟發展 (ISED) 標準、日本總務省 (MIC) 等。設計無線連接和取得所需的認證可能非常耗時，導致成本增加和上市時間延長。不過，設計人員可以轉用預先設計和認證的無線通訊模組和開發平台，輕鬆整合到智慧能源和公用事業裝置中。

本文首先回顧本機網路和雲端連接的幾種通訊選項和架構，包括有線和無線網路選項。然後介紹 Digi、Silicon Labs、Laird Connectivity、Infineon、STMicroelectronics 的多個無線平台，可為智慧能源和公用事業部署安全、可靠的無線連接，包括可加速設計過程的開發環境。

巨大的機會與挑戰

巨大的挑戰往往伴隨著巨大的機會。在智慧城市基礎設施中部署智慧能源和公用事業時，情況確實如此。首先，需要有效整合既有和老化的基礎設施。然後，需要高效率且穩健地部署地理分散且技術異構的網路。最後，預期這些網路需提供靈活性，以因應未來的技術發展，例如智慧和連線車輛的興起。

例如，先進的自動化交通管理系統可以提高安全性、提升能源使用並減少汽車、公車和其他車輛對環境的影響。此案例中，中央交通管理系統透過高頻寬光纖和無線回程通訊連接到網路。其他系統元素可能包括 (圖 1)：

• 在本機等級支援啟用 IP 裝置的乙太網路和行動通訊路由器。在某些案例中，添加乙太網路供電 (PoE)，延伸網路效用並控制成本。
• 固有設備可以採用專用連接和序列埠進行整合。
• 本機 Wi-Fi 和藍牙裝置可以使用匿名資料監控交通密度和行人。生成的資料可以在本機進行分析，並發送到中央交通管理系統，用於進行決策和更高等級的控制功能。
• 本機先進固態交通控制器 (ASTC) 使用交通攝影機、雷達或光達等感測器以及其他資料來源的組合，並傳輸到中央管理中心，將交通流量達到即時最佳化。

圖 1：智慧城市中的自動化交通管理涵蓋從行人和車輛的 Wi-Fi 偵測、交通攝影機和 ASTC 控制器，以及中央交通管理和控制中心。(圖片來源：Digi)

以下方式能提高城市道路的整體能源效率、公共安全，並減少對環境的影響：

• 結合本機和中央控制，幾乎可即時修正交通流量和訊號配時，偵測並將擁堵情形降至最低。
• 調整訊號配時以支援公車和其他形式的公共運輸，達到高效率和準時運作。
• 即時為急救人員提供最佳路線，以便加速到達現場，並對公共安全的整體影響降至最低。

未來的智慧城市

今日的智慧城市大部分仍在構築，有很多改進和進步的機會。未來的智慧城市將越來越注重綜合能源效率和改善生活品質。電動車輛 (e-vehicles) 和智慧或自動駕駛汽車將成為常態，整合到智慧居家、智慧充電基礎設施、智慧交付系統、端對端交通系統中，包括火車、輕軌和公車，以及用於「最後一哩旅程」的電動無人駕駛計程車。

人們將使用智慧手機於更多用途，包括購買公車和火車票，不僅可加速流程，還能減少交通對環境的影響。雖然交通運輸將繼續是電動車輛的主要用途，但並不會是唯一的用途。

Infineon 表示，卡車、公車、貨車和送貨車等商用車輛以及建築設備，約占城市 CO₂ 排放量的四分之一，及佔溫室氣體 (GHG) 總排放量約 5%。有必要開發整合式充電基礎設施，除了可為客車和電動自行車充電之外，還能適用於這些商用車的大電池。充電基礎設施需要相互連接並由中央控制，才能提高不同類型車輛所需的充電速度。

為了減少對環境的影響、改善生活品質、有效利用能源，需要複雜的即時無線網路來監控分散的可再生能源、微電網和儲能的運作；將能源利用最佳化；管理水資源和廢水的使用；管理各種運輸和其他系統。這些即時網路必須穩健且具有最小延遲 (圖 2)。設計人員需要能夠快速開發、部署、更新複雜通訊網路和連接裝置的工具，以支援智慧城市基礎設施。

圖 2：智慧城市服務仰賴於穩健的即時無線網路，以連接各種應用。(圖片來源：Infineon)

使用無線模組的安全網路

為了快速部署安全網路，設計人員可以轉用 Digi 的 XBee RR 無線模組。該模組基於 Silicon Labs 的 EFR32MG21B020F1024IM32-BR 無線系統單晶片 (SoC)，包括一個 80 MHz ARM Cortex -M33 核心和一個整合式安全子系統。XBee 模組運用多種無線協定和頻帶(如 Zigbee、802.15.4、DigiMesh) 以及低功耗藍牙 (BLE) 來支援廣泛的網路架構。DigiMesh 是一種點對點網狀網路協定，可以降低使用 Zigbee 進行點對多點配置的複雜性。這些模組支援 BLE 和連接到另一個 BLE 裝置。

可使用智慧手機連接，針對使用 XBee 行動應用程式的模組進行配置和編程。此外，開發者可以使用相容於 Windows、MacOS、Linux 的 XCTU 配置平台。XCTU 使用圖形網路檢視簡化無線網路配置，並使用 API 框架建造開發工具，可快速建造 XBee API 框架。此模組的其他功能和選項包括：

• 封裝選項包括 13 mm x 19 mm 微型安裝元件 (如 XBRR-24Z8UM)、表面黏著模組 (如 XBRR-24Z8PS-J)，以及通孔式配置 (如 XBRR-24Z8ST-J) (圖 3)
• PRO 版通過 FCC 認證，可在北美使用；標準版符合 ETSI 標準，可在歐洲使用
• 低功率和高功率模組配置
• 室內／城市範圍可達 90 m (300 ft)，依狀態而定
• 根據狀態，戶外視距可達 3200 m (2 mi)
• 整合式物聯網安全應用程式可簡化裝置安全、裝置身份和資料隱私的整合

圖 3：Digi XBee 無線模組的封裝選項包括微型安裝 (左)、表面黏著 (中) 和通孔 (右)。(圖片來源：DigiKey)

智慧閘道器

Laird Connectivity 的 Sterling LWB+ 模組，如 453-00084R，是專為無線物聯網裝置和智慧閘道設計的高效能 2.4 GHz WLAN 和藍牙組合模組。此模組採用 Infineon 的 AIROC CYW43439 單晶片無線電 IC，工作溫度範圍為 -40°C 至 +85°C，因此適用於各種智慧公用事業、智慧城市和能源應用。Sterling LWB+ 模組擁有全球認證，包括 FCC、ISED、EU、MIC、AS/NZS。

Sterling LWB+ 模組包括媒體存取控制 (MAC)、基頻、無線電，以及用於藍牙介面的獨立高速 UART。Laird Connectivity 和 Infineon 支援最新的 Android 和 Linux 驅動程式。整合式晶片天線抗失諧，並簡化系統設計和製造。Sterling LWB+ 系列是系統級封裝 (SIP)，提供追蹤引腳、整合式晶片天線或 MHF4 連接器，還包括 WPA/WPA2/WPA3 加密。這些模組提供四種封裝樣式，可滿足不同系統設計和應用要求 (圖 4)。

圖 4：基本 Sterling LWB+ SIP (​​左)、含 MHF 連接器的模組 (左二)、含整合天線的模組 (左三)、卡緣連接器 (右)。(圖片來源：Laird Connectivity)

Sterling-LWB+ 包括一個安全、高效能、安全數位輸入和輸出 (SDIO)，支援與任何 Linux 或 Android 架構系統輕鬆整合。若要加速無線物聯網裝置和智慧網關的開發，設計人員可以選用 453-00084-K1 開發套件，其中包括含整合式 MHF 連接器的 453-00084R 模組 (圖 5)。

圖 5：此開發板包括 Laird 的 453-00084R Sterling LWB+ 模組和整合式 MHF 連接器 (圖片來源：Laird Connectivity)

無線工業級感測器節點

無線感測器節點是智慧城市中智慧能源和公用事業的重要組成要素。STMicroelectronics 提供 STEVAL-STWINKT1B SensorTile 開發套件和參考設計，可幫助設計人員因應快速設計、原型設計和測試先進無線感測器節點的複雜性。包括一個支援物聯網裝置身份驗證和安全資料管理的 X-NUCLEO-SAFEA1A 擴展板、一個 BLUENRG-M2SA 藍牙收發器模組和一個 IMP23ABSUTR MEMS 麥克風。MEMS 麥克風的設計可與超低功率板載微控制器搭配使用，對 9 自由度 (DoF) 動作感測資料進行振動分析，涵蓋從 35 Hz 到超音波的各種振動頻率。還包括加速度計、陀螺儀、濕度感測器、磁力計、壓力和溫度感測器。

SensorTile 開發套件可存取一系列軟體包、韌體庫和雲端儀表板應用，以加速開發全面端對端物聯網感測器系統。整合式模組提供 BLE 連接，RS484 收發器支援有線連接，STEVAL-STWINWFV1 附加擴展板提供 Wi-Fi 連接。主板件包括一個 STMod+ 連接器，用於添加 STM32 系列微控制器架構的小型子板件。最後，開發套件包括一個 480 mAh 鋰聚合物電池、一個 STLINK-V3MINI 獨立偵錯和編程探針，以及一個塑膠盒 (圖 6)。

圖 6：STEVAL-STWINKT1B SensorTile 開發套件和參考設計包括一套全面的環境感測器並支援多種連接選項。(圖片來源：STMicroelectronics)

結論

智慧城市的智慧能源和公用事業系統需要一系列無線連接協定支援。這些系統可以提高能源效率、改善公共安全、支援對水和能源更有效的運用，並減少 CO₂ 和 GHG 排放。如上所述，有多種 Wi-Fi、Zigbee 和藍牙低功耗無線協定的無線模組和開發環境，可以為智慧城市基礎設施中的智慧能源和公用事業提供安全可靠的連接。