广域融合物联网下的智慧城市建设分析

蔡芙蓉

（航天科工广信智能技术有限公司）

1 引言

在疫情冲击和我国数字经济化内需提升的背景下，智慧城市建设投资体量大幅增加，人工智能、大数据、云计算、物联网等科学技术手段在信息领域不断进步创新，加速了智慧城市建设的进程。同时，智慧城市建设具有的数字经济特征使智能企业需要考虑使用创新技术产品对新应用场景及新使用模式进行构建。

2 智慧城市建设技术

从广义上讲，智慧城市的别称是智慧社会，可涵盖广阔范围。智慧社会拥有多个行业及多个领域，包含个人、企业以及政府。社会应用除了购物消费和家居生活外，还有教育医疗与公共安全等。从狭义上讲，智慧城市即城市管理，是指政府职能有关领域，除公共安全和民生服务外，还有应急管理和市政设施[1]。

在智慧城市顶层设计中，首先是场景层，其范围除智慧生活、社区及医疗外，还有智慧园区、物流及工厂等。其次是数据层，其范围除数据融合服务、城市服务平台和城市大数据中心外，还有城市综合指挥中心和城市公共计算及存储服务中心等。最后是硬件层，可分为云、网、端三方面。云包括了边缘计算、云边协同以及云网协同。网包括了超高速光纤网、物联专网以及5G无线宽带。端包括了智能基础设施与传感节点以及智能终端。

智慧城市建设技术要求通过以移动技术为代表的物联网、云计算、大数据等新一代信息技术应用实现全面感知、泛在互联、普适计算与融合应用。其中，物联网技术融合了射频识别技术、激光扫描技术、卫星定位技术以及红外传感技术等多种复杂技术，是一种复合型多功能智能化的网络技术，在智慧城市建设中有效运用物联网技术，可进一步提高城市的整体服务水平。

3 广域融合物联网性能优势

为研究广域融合物联网性能优势，需先理解“广域”和“融合”，就“广域”而言，一方面，广域指的是产业链的所有单位主体，除了投资方和咨询设计研究院外，还有建设单位以及运维单位。另一方面，广域为物理层面的广域，是指智慧城市建设覆盖的范围很广、体量很大、接入设备数量很多。对“融合”来说，包括系统平台融合与业务场景融合。

广域融合是物联网发展的重要驱动力，在广域融合物联网中，覆盖范围、距离及对象均在逐渐增加，可融合运用两个系统，并非系统集成。无线通信技术在物联网中占据核心地位，维度可分为速率与距离。假如通信速率很快，有效距离很短。假如通信速率较慢，有效距离较长[2]。

3.1 广域物联网技术的抗干扰性、可靠性、安全性

选取WF-Iot、NB-Iot、ZigBee、LoRa、BlueTooth、Wi-Fi、移动通信进行比较。首先，在抗干扰能力方面进行比较。就干扰而言，WF-IoT、NB-IoT、LoRa、BlueTooth、移动通信技术不存在干扰，ZigBee存在干扰，Wi-Fi具有严重干扰。就抗干扰技术来说，WF-IoT包括FDMA、FHSS、DTDMA、CSMA；NBIoT包括FDMA、TDMA；ZigBee为CSMA；LoRa包括FDMA、TDMA；BlueTooth为TDMA；Wi-Fi为CSMA；移 动 通 信 包括FDMA、TDMA、CDMA、OFDMA。

其次，在通信可靠性方面进行比较。WF-IoT可靠性超过99%、NB-IoT可靠性超过98%、ZigBee允许丢包、LoRa可靠性超过95%、BiueTooth可人工干预、Wi-Fi允许丢包、移动通信可靠性超过98%。

最后，在数据及网络安全方面进行比较。就发射而言，空中加密的物联网技术包括WF-IoT、NBIoT、LoRa、移动通信，不存在发射情况的物联网技术包括ZigBee、BlueTooth、Wi-Fi。就接收而言，WFIoT、NB-IoT、ZigBee、LoRa、Wi-Fi、移动通信均为终端鉴权，BlueTooth不存在接收情况。

通过比较，能够发现广域融合物联网的优势除了传输距离远、传输速率快以及抗干扰水平高外，还具有很高的通信可靠性以及网络安全性。

3.2 广域物联网技术在无线通信方面的优势

选取NB-IoT、LoRa、WF-IoT进行比较，在技术属性方面，NB-IoT源自国外，中国引领国际标准；LoRa源自国外，正在形成国际标准；WF-IoT源自国内，充分自主可控。

在网络类型方面，NB-IoT为授权网，运营商收费；LoRa为非授权网，免费；WF-IoT为非授权网，免费。

在协议标准方面，NB-IoT为国际标准，LoRa为LoRaWAN协议，WF-IoT为ALL协议。

在工作频率方面，NB-IoT为B5频段及B8频段，即850MHz，900MHz；LoRa为470MHz至510MHz；WF-IoT为780MHz，2.45GHz。

在通信频率方面，NB-IoT不超过40Kbit/s；LoRa为0.3Mbit/s至50Mbit/s；WF-IoT为250Kbit/s至2Mbit/s。

在通信距离方面，NB-IoT为终端至基站，达到15km；LoRa为终端至基站，城区是2km，郊区是20km；WF-IoT包括终端至终端和终端至基站，终端至终端的通信距离是80m到300m，终端至基站的通信距离超过20km。

在通信方式方面，NB-IoT及LoRa是点播，WFIoT包括点播、组播以及广播。

在并发信道方面，NB-IoT为12个，LoRa为8个，WF-IoT超过3000个。

在网络拓扑方面，NB-IoT及LoRa是星形拓扑，WF-IoT则是网格拓扑。

在网络容量方面，NB-IoT及LoRa是每个基站六万，WF-IoT则是每个子网六万。

在功耗等级方面，NB-IoT属于低功耗，LoRa和WF-IoT属于超低功耗。

在应用场景方面，NB-Iot及LoRa均可运用在小数据量和时延不够敏感的需要场景，WF-IoT能够运用到大数据量和时延敏感需求场景中。

在比较广域物联网的无线通信性能后，能够发现广域融合物联网技术具有完全自主可控特点，其优势除了通信速率很高和并发信道较多外，还有终端至终端的通信距离很长。由于智慧城市具有使用大数据量和时延敏感需要，广域融合物联网拥有很高的适用性。

4 将广域融合物联网运用至智慧城市建设工作

4.1 广域联合物联网在照明系统中的应用

对城市物联网来说，广域融合物联网照明系统的运用表明照明技术得到升级，其升级过程如下。

1）照明节能阶段

按照相关标准选用节能灯具，就节能来说，LED拥有显著优势。

2）健康照明阶段

LED特点除光源小巧与容易控制外，还有可以调节，功能除光健康与光保健外，还有光治疗。

3）超越照明阶段

此阶段的灯具从它控升级到AI自控，完成由智能照明至智慧照明的升级，不仅能够控制照明系统，而且能和其他系统完成互动控制操作。

在广域融合物联网技术中，其核心为国产WFIoT芯片和系列模组，唐芯系列芯片可以轻易达到融合运用目的，功能除了开关控制功能、色温连续调节功能和状态检测功能外，还有亮度连续调节功能以及电压电流计量功能。

使用广域融合物联网下的照明系统同样可满足照明产业升级需求。对LED产业来说，在增量发展之后，急需在广域融合层面完成转型升级和突破[3]。

就广域融合物联网的照明系统来说，此系统无论在经济意义与社会意义方面，都具有短期与长期优势。

①照明系统除普遍运用至城市和园区外，还广泛使用在建筑中，不必再次搭建物联网。

②在城市更新和已有建筑改造中实现无缝升级目标，在新建建筑设计工作和新建建筑安装工作中，无需改变方式。

③广域融合物联网技术和其余照明控制技术相比，在控制效果一致时，此技术拥有更低的造价。

④广域融合物联网技术具有更加广阔的控制范围与更快的控制速度，能够在终端上达到融合运用目的。

⑤广域融合物联网技术在芯片模组及照明一体化结合方面表现很好，具备AI智慧照明功能。

⑥广域融合物联网技术具有自主知识产权，不仅能够保障数据安全，还具有开放平台。

4.2 广域联合物联网在建筑电气系统的应用

对建筑电气技术来说，广域融合是其主要发展趋势，广域融合范围除了一次二次融合、硬件软件融合及有线无线融合外，还有单点网络融合、软件平台融合及平台AI融合。

对建筑电气系统广域融合来说，其发展过程包括以下阶段：首先是广域融合1.0阶段，在模拟技术和硬线连接基础上融合；其次是广域融合2.0阶段，在总线技术基础上进行广域融合；最后是广域融合3.0阶段，在物联网技术基础上进行广域融合[4]。

举例说明，在电梯增加电动车禁入系统中，各方案如下：首先是传统方案，利用增加物理隔断方式达到物理阻挡电动车目的，此方案拥有许多弊端；其次是智能方案，利用增加光幕方式达到识别电动车目的，与门禁控制和电梯集控系统进行联动，此方案效果较差；最后是智慧方案，利用AI摄像头软件达到准确识别电动车和使用人员数据目的，对通道应急处理流程进行控制，可监视电梯能否在正常状态下运行。

在广域融合组网拓扑中，各子网组成除物联网节点及物联网网关外，还有协议集成器与控制器等。各子网在网关作用下，利用有线和无线再次连接。

对广域融合运用来说，广域融合会运用WF-IoT节点，让异构物联网轻易完成融合与集成工作，使系统复杂程度有所下降。任意节点均有一定几率为中心，达到万物直接互联目的。广域融合使系统变得更加可靠，假如某一节点出现故障，不会影响系统其他区域。广域融合让事件响应效率有所提升，使系统运用范围得到拓展。

5 结语

在“十四五”规划纲要中，要求将智慧城市建设使用数字化形式推动城市发展以及治理模式的创新，使智慧城市运行效率以及宜居程度得到全方位提升，智慧城市建设工作将迎来全新篇章。对智慧城市建设来说，广域融合物联网技术可发挥关键作用，但是此技术的推广应用还有很大进步空间，不仅需要设计院配合，还需要工程商及厂家合作，以达到产业链广域融合目的，更加深入推进智慧城市发展建设。