照亮智慧城市基礎設施
——全方位的安全互聯城市照明系統

Rosina Kreutzer, Stephan Schoenfeldt

英飛凌科技股份有限公司，慕尼黑

一、前言

隨著越來越多的人遷入城市，公共管理機構正在尋找使城市及其基礎設施和能源系統更智能、更安全、更節能的途徑。此外，隨著車輛互聯日益廣泛，市政管理部門有更多的機會與司機進行互動，智能交通管理帶來了更多的便利，并提高了管理效率。

然而，隨著更多的系統連接到云，從而形成“物聯網”，也為惡意訪問敏感數據提供了更多機會。

本文將重點介紹英飛凌一些助力打造未來智慧城市的基礎技術，并介紹英飛凌、eluminocity和英特爾合作開發的創新性照明解決方案，它將成為安全互聯城市的重要智能化內容之一。

二、建設未來智慧城市的基礎技術

快速發展的城市化和技術可獲得性，提高了消費者對未來生活便捷程度的期望。迄今為止，人們關注的主要是移動終端和產品，但顯而易見的是，增強型基礎設施在界定和發展我們所處的世界方面可以發揮重要作用。

設計人員面臨著日趨復雜的挑戰，有些要求相互沖突。一方面，他們正在快速接納新技術，為之前的應用（如簡易的路燈）增添更多的功能；另一方面，面對不斷上漲的能源成本，他們正在努力最大限度地降低能源消耗。

在智慧城市里，路燈不再只是照明器件，而是迅速演變為一個功能強大的互聯門戶，成為智慧城市基礎設施的關鍵內容。然而，為了確保基本功能和聯網能力，照明設計人員運用了蜂窩聯網、多種主動和被動傳感技術，以及安全解決方案。

1、24 GHz雷達技術

雷達是一種物體檢測方法，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。典型的雷達系統由若干元件組成，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射機、發射天線、接收天線和處理接收信號的接收機。

脈沖雷達通過向物體表面發送一個可反射的強短波，來測量靜態或移動物體的距離。發射脈沖與接收脈沖之間的時長，與物體距雷達系統的距離成正比。

連續波方法連續發射可以不同方式調制的電磁波（圖1）。FMCW雷達（調頻連續波）可以通過發射與接收信號混合的“啁啾”聲，來檢測靜止物體和移動物體。低頻輸出表示距離和速度。FSK（頻移鍵控）用于檢測移動物體的距離。在這種技術中，兩個頻率信號被先后發送，相移多普勒信號表示距離。

由于物體檢測對于許多智能系統和設備變得愈加重要，24 GHz雷達技術被用于多種應用，包括多旋翼無人機/無人機、智能開門器、家庭和工廠自動化、速度計、機器人，及其它許多基于物聯網的應用。

2、智能路燈

為支持未來的全球互聯智慧城市，英飛凌與eluminocity及英特爾合作開發出了一種先進的高效LED路燈應用，它具備精確的傳感和安全數據傳輸能力。

這種智能路燈解決方案，基于eluminocity設計的路燈、英飛凌的先進電子系統，包括24 GHz雷達，高效半導體、XMCTM單 片 機、OPTIGATM系列安全解決方案，以及英特爾立足于調制解調器的聯網技術，該調制解調器結合依托LTE Cat.1 / LTE Cat.M1/ Cat.NM1 / LTE-NB / 5G-IoT模塊支持低功耗、大覆蓋的蜂窩網絡技術。結合英飛凌OPTIGATM技術，標準化蜂窩網絡技術提供一個開放式系統，該系統可靈活擴展，完全獨立于現有基礎設施，同時具備高度安全性。街道照明管理機構（通常是公共管理機構）只需要確保將路燈連接到現有的基礎設施上即可。

一方面，借助英飛凌的電源管理和開關器件，路燈本身十分高效；另一方面，24 GHz雷達系統檢測物體存在的能力，能夠讓街燈僅僅在需要時增加照度，從而成為一種比“恒亮”路燈更加高效的照明解決方案。

這些智能路燈不僅僅能夠提供高效的照明方案，同時其接近檢測功能還可以用于檢測附近的空車位，結合基于英特爾芯片的聯網能力，它可以立即告訴司機哪里有空閑車位——這是真正智能化交通管理的一個要素。通過監測當地交通狀況，系統可向城市規劃機構和周邊的店主提供有價值的數據。通過交通信號燈和交通標志控制，或通過向車載衛星導航系統提供實時數據，這些數據可用于引導司機繞過擁堵路段。

現代智能路燈還可以配備電動汽車充電站，不占用額外的空間，這是成功推行電動交通的主要前提。

三、智能照明：技術概述

1、OPTIGATM 安全解決方案

雖然智能路燈具備十分先進的功能，可形成智慧城市的骨干，但是帶來這些優勢的聯網，同樣會帶來潛在的安全漏洞。為應對這一威脅并確保智慧城市所依賴的網絡的安全性，智能路燈采用安全可靠的英飛凌OPTIGATM解決方案。這些標準化的安全控制器為嵌入式平臺提供廣泛的安全功能。

所有OPTIGATM產品都基于英飛凌的先進硬件安全技術，大大提升設計師和用戶的信心。嵌入式安全功能包括系統和數據完整性、身份驗證、安全通信、安全數據存儲和安全更新等。所有這些對于保護未來智慧城市的完整性至關重要。

OPTIGATM系列產品的核心是一枚最先進的16位安全控制器，可以輕松集成于各種物聯網系統。為了讓設計人員獲得最大靈活性，該系列支持Microsoft Windows、Linux和衍生操作系統，并可支持集成專有系統。OPTIGATM系列還包含TPM器件，它是業界第一種支持TCG最新TPM 2.0標準的器件，為輕松實現最新的安全協議創造了條件。

智能接近感測：智能路燈的接近檢測功能，基于市場上最小的24 GHz工業雷達芯片BGT24LTR11，如圖3所示。這種多功能器件能夠測量多個參數，包括基于多普勒的物體速率/速度，基于電磁波的距離測量。附加接收信道還支持基于天線處的相位檢測來測量角度/方向。

24 GHz雷達的監測精度很高——檢測行人范圍達50m，車輛150m。該技術比被動紅外（PIR）技術更加靈敏，最終將在許多應用中取代被動紅外技術，它甚至可以檢測（例如）精確到毫米的呼吸運動。24 GHz雷達還能在各種天氣條件下運行，包括溫度急劇變化、高濕度和多塵環境等，在全球互聯智慧城市應用中，適合最嚴酷的戶外環境。

針對尚不十分熟悉24 GHz技術的設計人員，英飛凌提供一系列演示套件，譬如隨BGT24LTR11一并提供的Sense2GoL演示板，在面積僅為25 mm2的 PCB上配備一枚XMC1302ARM?Cortex? M032位工業單片機，以及用于接收和發射通道的專用貼片天線。演示板連接至一個Segger調試器中斷板，用于二次編程和評估。

該綜合性套件還包括用于運動檢測的固件，用于雷達信號觀察的軟件GUI，以及便于設計快速投產的用戶手冊和完整的PCB示意圖和Gerber文件。英飛凌計劃在不久的將來發布參考設計和軟件配置，增強對于24 GHz雷達系統的設計支持。

2、附加感應

幾乎任何傳感器都可以集成于這些智能路燈。氣壓傳感器可以監測空氣質量，音頻傳感器可以識別噪聲污染水平，具體案例可包括基于音頻的車輛事故或槍聲檢測。雖然非常簡單，照明傳感器在使路燈更加智能方面發揮非常重要的作用，通過檢測環境光，可以在天氣惡劣時打開路燈；它可以向控制器傳送光通量的實測值，確保不管路燈使用年限如何，始終達到理想的光通量；它可以向技術人員遠程提供耗損數據，以便更好地規劃維護工作，還可以故障發生之前發出報警。

3、照明控制器

XDPL8220包含一枚數字內核，為基于同一器件實現不同系統設計創造了條件。先進的控制算法為在同一電路內實現恒定電流、恒定電壓和限定(部分)功率控制方案創造了條件，此外，通過調整不同參數集，可以將其用于不同的目標應用。

該器件可迎合現代電力系統的期望，其輸入電壓為90～305 VAC，效率高于 90%，總諧波失真度低于15%，符合IEC 61000-3-2 C類標準。能夠在較寬輸出電流范圍內正常工作的有源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。

四、結語

英飛凌、eluminocity和英特爾攜手將簡易的路燈改造成一個智能和安全的裝置，它將成為智慧城市基礎設施的核心。三方攜手開發的端到端解決方案，包含由eluminocity開發的路燈和英特爾的通信解決方案、英飛凌提供的廣泛解決方案。

開放式平臺使其他相關機構能夠利用廣泛的傳感器網絡，還能讓創新機構和人員立足這些系統開發新奇的應用，支持和加強未來的全球聯網城市。