照亮智慧城市基础设施<br/>——全方位的安全互联城市照明系统

照亮智慧城市基础设施
——全方位的安全互联城市照明系统

2017-11-21RosinaKreutzerStephanSchoenfeldt

传感器世界 2017年5期

关键词：英飞凌路灯雷达

Rosina Kreutzer, Stephan Schoenfeldt

英飞凌科技股份有限公司，慕尼黑

一、前言

随着越来越多的人迁入城市，公共管理机构正在寻找使城市及其基础设施和能源系统更智能、更安全、更节能的途径。此外，随着车辆互联日益广泛，市政管理部门有更多的机会与司机进行互动，智能交通管理带来了更多的便利，并提高了管理效率。

然而，随着更多的系统连接到云，从而形成“物联网”，也为恶意访问敏感数据提供了更多机会。

本文将重点介绍英飞凌一些助力打造未来智慧城市的基础技术，并介绍英飞凌、eluminocity和英特尔合作开发的创新性照明解决方案，它将成为安全互联城市的重要智能化内容之一。

二、建设未来智慧城市的基础技术

快速发展的城市化和技术可获得性，提高了消费者对未来生活便捷程度的期望。迄今为止，人们关注的主要是移动终端和产品，但显而易见的是，增强型基础设施在界定和发展我们所处的世界方面可以发挥重要作用。

设计人员面临着日趋复杂的挑战，有些要求相互冲突。一方面，他们正在快速接纳新技术，为之前的应用（如简易的路灯）增添更多的功能；另一方面，面对不断上涨的能源成本，他们正在努力最大限度地降低能源消耗。

在智慧城市里，路灯不再只是照明器件，而是迅速演变为一个功能强大的互联门户，成为智慧城市基础设施的关键内容。然而，为了确保基本功能和联网能力，照明设计人员运用了蜂窝联网、多种主动和被动传感技术，以及安全解决方案。

1、24 GHz雷达技术

雷达是一种物体检测方法，使用无线电波来确定穿过电磁波的物体的范围、角度或速度。典型的雷达系统由若干元件组成，包括生成无线电或微波频率范围的电磁脉冲或电磁波的发射机、发射天线、接收天线和处理接收信号的接收机。

脉冲雷达通过向物体表面发送一个可反射的强短波，来测量静态或移动物体的距离。发射脉冲与接收脉冲之间的时长，与物体距雷达系统的距离成正比。

连续波方法连续发射可以不同方式调制的电磁波（图1）。FMCW雷达（调频连续波）可以通过发射与接收信号混合的“啁啾”声，来检测静止物体和移动物体。低频输出表示距离和速度。FSK（频移键控）用于检测移动物体的距离。在这种技术中，两个频率信号被先后发送，相移多普勒信号表示距离。

由于物体检测对于许多智能系统和设备变得愈加重要，24 GHz雷达技术被用于多种应用，包括多旋翼无人机/无人机、智能开门器、家庭和工厂自动化、速度计、机器人，及其它许多基于物联网的应用。

2、智能路灯

为支持未来的全球互联智慧城市，英飞凌与eluminocity及英特尔合作开发出了一种先进的高效LED路灯应用，它具备精确的传感和安全数据传输能力。

这种智能路灯解决方案，基于eluminocity设计的路灯、英飞凌的先进电子系统，包括24 GHz雷达，高效半导体、XMCTM单片机、OPTIGATM系列安全解决方案，以及英特尔立足于调制解调器的联网技术，该调制解调器结合依托LTE Cat.1 / LTE Cat.M1/ Cat.NM1 / LTE-NB / 5G-IoT模块支持低功耗、大覆盖的蜂窝网络技术。结合英飞凌OPTIGATM技术，标准化蜂窝网络技术提供一个开放式系统，该系统可灵活扩展，完全独立于现有基础设施，同时具备高度安全性。街道照明管理机构（通常是公共管理机构）只需要确保将路灯连接到现有的基础设施上即可。

一方面，借助英飞凌的电源管理和开关器件，路灯本身十分高效；另一方面，24 GHz雷达系统检测物体存在的能力，能够让街灯仅仅在需要时增加照度，从而成为一种比“恒亮”路灯更加高效的照明解决方案。

这些智能路灯不仅仅能够提供高效的照明方案，同时其接近检测功能还可以用于检测附近的空车位，结合基于英特尔芯片的联网能力，它可以立即告诉司机哪里有空闲车位——这是真正智能化交通管理的一个要素。通过监测当地交通状况，系统可向城市规划机构和周边的店主提供有价值的数据。通过交通信号灯和交通标志控制，或通过向车载卫星导航系统提供实时数据，这些数据可用于引导司机绕过拥堵路段。

现代智能路灯还可以配备电动汽车充电站，不占用额外的空间，这是成功推行电动交通的主要前提。

三、智能照明：技术概述

1、OPTIGATM 安全解决方案

虽然智能路灯具备十分先进的功能，可形成智慧城市的骨干，但是带来这些优势的联网，同样会带来潜在的安全漏洞。为应对这一威胁并确保智慧城市所依赖的网络的安全性，智能路灯采用安全可靠的英飞凌OPTIGATM解决方案。这些标准化的安全控制器为嵌入式平台提供广泛的安全功能。

所有OPTIGATM产品都基于英飞凌的先进硬件安全技术，大大提升设计师和用户的信心。嵌入式安全功能包括系统和数据完整性、身份验证、安全通信、安全数据存储和安全更新等。所有这些对于保护未来智慧城市的完整性至关重要。

OPTIGATM系列产品的核心是一枚最先进的16位安全控制器，可以轻松集成于各种物联网系统。为了让设计人员获得最大灵活性，该系列支持Microsoft Windows、Linux和衍生操作系统，并可支持集成专有系统。OPTIGATM系列还包含TPM器件，它是业界第一种支持TCG最新TPM 2.0标准的器件，为轻松实现最新的安全协议创造了条件。

智能接近感测：智能路灯的接近检测功能，基于市场上最小的24 GHz工业雷达芯片BGT24LTR11，如图3所示。这种多功能器件能够测量多个参数，包括基于多普勒的物体速率/速度，基于电磁波的距离测量。附加接收信道还支持基于天线处的相位检测来测量角度/方向。

24 GHz雷达的监测精度很高——检测行人范围达50m，车辆150m。该技术比被动红外（PIR）技术更加灵敏，最终将在许多应用中取代被动红外技术，它甚至可以检测（例如）精确到毫米的呼吸运动。24 GHz雷达还能在各种天气条件下运行，包括温度急剧变化、高湿度和多尘环境等，在全球互联智慧城市应用中，适合最严酷的户外环境。

针对尚不十分熟悉24 GHz技术的设计人员，英飞凌提供一系列演示套件，譬如随BGT24LTR11一并提供的Sense2GoL演示板，在面积仅为25 mm2的 PCB上配备一枚XMC1302ARM®Cortex® M032位工业单片机，以及用于接收和发射通道的专用贴片天线。演示板连接至一个Segger调试器中断板，用于二次编程和评估。

该综合性套件还包括用于运动检测的固件，用于雷达信号观察的软件GUI，以及便于设计快速投产的用户手册和完整的PCB示意图和Gerber文件。英飞凌计划在不久的将来发布参考设计和软件配置，增强对于24 GHz雷达系统的设计支持。

2、附加感应

几乎任何传感器都可以集成于这些智能路灯。气压传感器可以监测空气质量，音频传感器可以识别噪声污染水平，具体案例可包括基于音频的车辆事故或枪声检测。虽然非常简单，照明传感器在使路灯更加智能方面发挥非常重要的作用，通过检测环境光，可以在天气恶劣时打开路灯；它可以向控制器传送光通量的实测值，确保不管路灯使用年限如何，始终达到理想的光通量；它可以向技术人员远程提供耗损数据，以便更好地规划维护工作，还可以故障发生之前发出报警。

3、照明控制器

XDPL8220包含一枚数字内核，为基于同一器件实现不同系统设计创造了条件。先进的控制算法为在同一电路内实现恒定电流、恒定电压和限定(部分)功率控制方案创造了条件，此外，通过调整不同参数集，可以将其用于不同的目标应用。

该器件可迎合现代电力系统的期望，其输入电压为90～305 VAC，效率高于 90%，总谐波失真度低于15%，符合IEC 61000-3-2 C类标准。能够在较宽输出电流范围内正常工作的有源PFC和谐波控制器，确保器件在各种操作条件下的功率因数大于0.9，并确保最大限度降低由无功功率和谐波引起的额外功率损耗。