智慧城市背后的物联网无线技术

智慧城市一度被认为是一个面向未来的想法，更多的是一种概念的描述，可能历经几代人都无法实现。随着新技术的飞速发展和大规模应用，很多智慧城市的概念逐步落地，置身其中的我们甚至已经开始享受智慧城市生活。

那么，是什么造就了今天智慧城市建设的快速发展呢？原因可能有多种，但快速、高效、大容量的物联网（IoT）无线连接技术的进步无疑起到了关键作用。这些无线技术是智慧城市快速部署的重要环节，是打通数字连接的关键技术，它们大幅拓宽了智慧城市的边界，通过智慧城市网络建设弥合了生活中的数字鸿沟。

智慧城市背后的物联网无线技术

智慧城市的核心是将构成快节奏、高效运作的城市中的所有人、信息、资源和网络连接起来，从卫生设施到交通信号灯系统等等一切都可以连接起来，形成一个更大的互联生态系统。智慧城市中的众多应用是推动该领域需求和发展的动力，而这些应用程序在运行中必须借助一系列网络技术才能达成其工作目标。选择正确的无线解决方案,是能否成功部署物联网设备的关键。

目前，市场上有众多不同的物联网无线技术，每种技术都有其独特的功能和适用场景。在选择时，设计人员通常会从传输速度、功耗、范围和成本等几个方面进行综合考量。

回顾物联网无线技术的发展，在过去的25年里，蓝牙、Wi-Fi、Zigbee和近场通信（NFC）等短程无线连接技术自诞生以来都经历了重大变革，产品不断地更新迭代，大大提高了性能、效率、可靠性、安全性和可扩展性，同时带来了额外的功能增强，并因此形成了一个庞大的互联设备生态系统。近年来，超宽带（UWB）等新的连接技术也开始进入物联网市场，有望在广泛的应用中带来新的用例和用户体验。

短距无线通信技术：蓝牙和BLE

在智慧城市和物联网应用中，蓝牙和BLE是极靠近消费端的短距无线通信技术，旨在支持小型消费物联网应用，主要用于从智能手表等健身和医疗可穿戴设备到家庭安全系统等智能家居设备。在智慧城市应用中，蓝牙和BLE可用于停车管理和电动汽车充电等应用，甚至博物馆和画廊等用于发布本地信息的公共设施中也开始大量采用蓝牙和BLE。

蓝牙和BLE技术的关键特征是速度合理，能够以极低功耗运行。因此，连接单元可以长时间由电池供电，且成本低廉。不过，蓝牙的覆盖范围有限，对于与智能手机或其他设备的本地交互可能足够了。如果解决方案还需要一些更广泛的连接，就需要借助蜂窝网络来实现网络覆盖。

智能充电桩是智能交通的重要应用，是全面实现智慧城市的关键环节。当智能手机与充电桩的嵌入式蓝牙配对后，在应用软件的帮助下即可对电动汽车进行充电。手机通过蓝牙与充电桩通信，可以完成整个充电过程的控制和充电过程的实时监控。

充电桩通信部分的设计并不复杂，市场上有大量的蓝牙模块可供选择。Silicon Labs公司的EFR32BG22C112F352GM32是一款被很多蓝牙模块选用的SoC，它包含38.4MHz ARM Cortex-M33内核，有出色的处理能力，集成的安全功能可提供快速加密、安全启动加载以及调试访问控制。凭借高达0dBm的大功率输出和-98.9（1Mbit/s GFSK）dBm的卓越接收灵敏度，EFR32BG22C112F352GM32提供了强大的RF链路，以便在BLE数据传输、位置服务和低功耗节点应用中实现可靠的通信和优势能效。

为帮助设计人员快速执行BLE物联网应用的原型设计，Silicon Labs公司还准备了一个超低成本的小封装开发与评估平台EFR32xG22E Explorer，供选择使用。

图：EFR32BG22C112F352GM32内部结构（图源：Silicon Labs）

广域无线通信技术：LoRa和LoRaWAN

在智慧城市中，要实现对垃圾箱、路灯、公共交通、环境等诸多系统的智能控制，安全、可用、经济高效的通信连接是必不可少的环节。LoRa是一种远程无线通信技术，使用一种特殊调制类型的信号来发送数据，并在低频段工作，旨在使用很少的电力进行长距离数据传输。这种高效的无线远程通信技术非常适合需要长时间运行而无需频繁充电或更换的电池供电设备。与蜂窝网络等传统通信方法不同，LoRa为广域连接提供了一种经济高效的解决方案。在智慧城市基础设施中，LoRa技术常用于监控街道照明、废物管理系统和停车管理。

然而，LoRa本身只处理通信的数据传输和接收的物理层信息。为了实现网络管理、安全和物联网设备管理的完整方法，LoRaWAN网络是必要的。

LoRaWAN是一种在LoRa物理层之上运行的网络协议，它定义了通信规则，以确保通过网络进行高效和可扩展的数据传输，帮助设备在较低功耗下进行长距离通信，尤其适合设备需要远距离发送消息的情况，比如智慧城市中的环境监测和街道照明系统。

虽然LoRa和LoRaWAN是两种不同的技术，但大多数公司实际上不需要在两者之间做出选择。LoRa是一种底层无线技术，为公司提供了为物联网用例供电所需的物理层。LoRaWAN则提供了可用于管理通信系统的协议和网络层，具有星形拓扑网络结构。LoRaWAN网关充当LoRaWAN网络和物联网设备之间的桥梁，它们在单个网络中能支持许多设备，是大规模智能设备部署的理想选择。此外，LoRaWAN还可以通过端到端加密增强安全性，保护敏感物联网网络中的数据。

在许多环境中，LoRa和LoRaWAN是无缝协作的，通过远程低功耗连接，促进了广泛的物联网应用。例如，在智能停车系统中，首先需要将一系列基于LoRa技术的传感器安装在停车位。这些传感器可确定停车位是否为空，并将信息中继到LoRaWAN网关。当LoRaWAN网关收集到这些信息后，会将其提供给应用服务器。接下来，在台式机/笔记本电脑/移动设备上运行的GUI应用程序利用应用程序服务器提供的信息来显示哪些车位是空的。驾驶员打开“智能停车应用程序”后，即可看到所有可用的停车位信息。

STMicroelectornics的STM32WL MCU系列是全球首款支持LoRa通信标准的片上系统（SoC），在超低功耗方面表现出色且不影响性能。其中的STM32WL5x微控制器基于运行频率均为48MHz的Arm Cortex‐M4和Cortex-M0+内核以及Semtech SX126x sub-GHz无线电，是支持LoRa、(G)FSK、(G)MSK和BPSK调制的开放平台。此外，STM32WL5x还包含多种通信功能，包括至多43个GPIO、用于优化功耗的集成SMPS、以及多种低功耗模式，极大限度地延长电池寿命。

除了具有无线和超低功耗特性，STM32WL5x微控制器还包含嵌入式安全硬件功能，如128/256位AES硬件加密、PCROP读写保护、采用椭圆曲线加密引擎的公钥加密。为了便于快速轻松地进行基于完整STM32产品组合的应用开发，意法半导体还备有STM32WL55 Nucleo板，与STM32Cube生态系统构成一致的软件开发工具组合。

智慧城市中的非接触通信技术——RFID和UWB

射频识别（RFID）使用射频信号高效准确地跟踪和监控物体和资产。RFID系统由带有唯一标识号的标签组成，这些标签可以附着或嵌入到体育赛事的凭证徽章、可穿戴设备、挂在汽车上的停车标签等物体上。RFID标签通过无线方式交换信息，但不直接连接到互联网，需要网关和蜂窝连接才能将数据发送到云平台。

安全进入建筑物及其内部是智慧城市中的一个重要课题，然而，简单的RFID徽章很容易被复制。当安全性成为关键考虑因素时，超宽带（UWB）技术在智慧城市中的应用不断增多。UWB是一种无线载波通信技术，具有系统复杂度低、发射信号功率谱密度低、对信道衰落不敏感、截获能力低以及定位精度高等优点，它极难伪造，尤其适用于室内等密集多径场所的高速无线接入。当持有UWB设备的人体靠近时，汽车、前门或仓库上的超宽带门锁会自动解锁，飞行时间计算使得UWB不易受到基于信号放大的中继攻击。

Trimension是恩智浦（NXP）公司的UWB产品，可在汽车、移动设备和物联网设备之间实现安全的精密测距，其应用包括安全门禁、室内定位、设备间通信和物品跟踪等。其中的Trimension SR150，专门针对物联网设备的具体需求增加了到达角(AoA)技术，提高了精确度，非常适合各种大型基础设施的UWB支持工具，如门禁装置、室内本地化设置和支付方案等。多个SR150 IC设备可放置在一个房间作为超宽带锚，以帮助定位在房间内移动的人和物体。

公共接入技术：

Wi-Fi和Wi-Fi HaLow

对于普通市民来说，通常不能将他们的智能手机或其他智能设备直接连接到骨干通信网络，而是由运营商通过4G和5G为用户提供网络接入，公共或私人Wi-Fi作为第三层网络覆盖其上。

在我们发展智慧城市的过程中，其中一个重要特征就是要能在互联城市的任何地方为每个人提供普遍的、高质量的私人或公共Wi-Fi接入。这是非常必要的，尤其是当4G或5G基础设施无法实现大面积覆盖的情况下，区域内的连接质量和可访问性大幅下降。公共Wi-Fi在人口密度增加的时候尤其有益，比如在音乐会或除夕夜，公共Wi-Fi能使拥挤地区的互联网接入变得更好。

在具体实施中，公共Wi-Fi通常由地方政府提供，由地方政府在特定区域内实施高质量的Wi-Fi覆盖。引入公共Wi-Fi接入不仅对当地居民有利，对游客也非常有用，它可以改善所有公共连接服务的功能和整个城市生活。

地方政府和社区还可以通过智能应用程序和设备将该服务用于营销和沟通目的。例如，向人群提供更多的数字内容和交互式个性化内容，推送当地突发事件或交通更新通知等。当然，如果公共网络管理不善，私人内容可能会向公众开放。因此，公共Wi-Fi的隐私问题也要予以考虑。

Wi-Fi HaLow是传统Wi-Fi的演变，它结合了IEEE802.11ah标准，于2021年11月作为Wi-Fi联盟的新认证发布。Wi-Fi HaLow工作在Sub-GHz频段，在覆盖范围和功率效率方面超过了2.4GHz、5GHz和6GHz频段的传统Wi-Fi，可以说它重新定义了智慧城市和物联网应用的无线连接边界。Wi-Fi HaLow能从单个接入点连接8000多个设备，提供超过1km的长距离连接。

Morse Micro公司的MM6108-MF08651-US Wi-Fi HaLow模块是一款符合IEEE 802.11ah标准的产品，支持902MHz至928MHz之间高达32.5Mbps的数据速率，配备了超长距离PA、高线性LNA、T/R开关和32MHz晶体振荡器等功能，简化了与外部主机的Wi-Fi HaLow连接，具有长距离、低功耗和卓越的射频性能。

本文小结

无线基础设施是智慧城市的重要支柱，它实现了数据和通信的无缝连接。通过利用无线基础设施，城市可以创建一个连接各种设备和系统的网络，实现高效和有效的通信。有了无线网络，个人可以在移动中保持联系，随时随地访问信息和服务。这种移动性不仅限于个人设备，还包括智能汽车、公共交通甚至路灯和监控摄像头等基础设施系统。

同样，通过无线连接的自动化系统，可以更有效地管理电力和供水等公用事业。跨不同部门的连接和共享数据的能力提高了整体生产力，改善了居民的生活质量。

无线基础设施的另一个关键优势是较高的成本效益。相比有线网络，无线技术需要更少的物理组件，并减少了对广泛布线基础设施的需求。

当然，永远不会有一种类型的连接技术能够主导整个智慧城市的生态系统，多种通信网络的异构组合共同发挥作用才能构建一个完善的互联互通世界。