為智慧城市打造的安全互聯城市照明系統

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。除此之外，隨著車輛日益互聯，市政管理當局現在有更多機會與司機互動，依託智能交通管理帶來便利和效率。然而，隨著更多的系統連接到雲，從而形成「物聯網」，這為惡意訪問敏感數據創造了更多機會。

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。

更高的期望帶來了挑戰。公共管理機構必須制定移民計劃，同時考慮重大經濟和社會問題，例如公民的隱私和安全問題。設計師面臨著日趨複雜的挑戰，有些要求相互衝突。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降低能源消耗。

在這個美好的新世界里，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，照明設計師現在正在運用蜂窩聯網、多種主動和被動感測技術，以及安全解決方案。

24GHz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範圍、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範圍的電磁脈衝或電磁波的發射機、發射天線、接收天線和處理接收信號的接收機。

脈衝雷達通過向物體表面發送一個可反射的強短波，測量靜態或移動物體的距離。發射脈衝與接收脈衝之間的時長，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製的電磁波。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）用於檢測移動物體的距離。在這種技術中，兩個頻率被先後發送，相移多普勒信號表示距離。


圖1：連續波雷達可以檢測靜止和移動物體的位置。

由於物體檢測對於許多智能系統和設備變得愈加重要，24GHz雷達技術被用於多種應用，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，以及其它許多基於物聯網的應用。

智能路燈

由英飛凌、eluminocity和英特爾共同開展一個項目目標在支持未來的全球互聯智慧城市。結合三家公司技術和專業知識開發出的高效LED路燈應用，具備精確的感測和安全數據傳輸能力。這款聯合開發的智能路燈解決方案基於eluminocity的路燈概念——可作為智能應用中心。英飛凌負責提供解決方案中電子系統的核心，包括24GHz雷達、半導體元器件、XMC單片機及OPTIGA系列安全解決方案。

英特爾則提供了實現聯網的數據機，該數據機結合依託LTE Cat.1 / LTE Cat.M1 / Cat.NM1 / LTE-NB / 5G-IoT模塊支持低功耗、大覆蓋的蜂窩網路技術。結合英飛凌OPTIGA技術，標準化蜂窩網路技術提供一個開放式系統，該系統可靈活擴展，完全獨立於現有基礎設施，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。

由於採用了先進的電源管理和開關器件，提升了路燈本身的效率；另一方面，24GHz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「恆亮」路燈更加高效的照明解決方案。


圖2：智能照明只是這些智慧城市智能系統的功能之一。

不過，eluminocity的智能路燈概念不僅僅是高效的照明解決方案。接近檢測功能允許他們檢測附近的空車位。由於具備聯網能力，它可以立即告訴附近的司機哪裡有空閑車位——這是真正智能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誌控制，或通過向車載衛星導航系統提供實時數據，這些數據可用於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，不佔用額外的空間，這是成功推行電動交通的主要前提。

智能照明：技術概述

這套智能路燈中採用的OPTIGA安全解決方案可確保聯網過程中最被關心的安全漏洞問題。儘管智能路燈具備十分先進的功能，可形成智慧城市的骨幹，但是帶來這些優勢的聯網，同樣會帶來潛在的安全漏洞。為應對這一威脅並確保智慧城市所依賴的網路的安全性，標準化的OPTIGA安全控制器為嵌入式平台提供廣泛的安全功能，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。所有這些對於保護未來智慧城市的完整性至關重要。

OPTIGA系列核心是16位安全控制器，可以輕鬆集成於各種物聯網系統。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，並可支持集成專有系統。OPTIGATM系列還包含TPM器件，也是首款支持TCG最新TPM 2.0標準的器件，可輕鬆實現最新的安全協議。

該方案中的24GHz工業雷達晶元解決方案BGT24LTR11提供了智能接近感測功能，即智能路燈的接近檢測功能。這種多功能器件能夠測量多個參數，包括基於多普勒的物體速率/速度，基於電磁波的距離測量。附加接收通道還支持基於天線處的相位檢測來測量角度/方向。

24GHz雷達的監測精度很高——行人達50米，車輛達150米。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。24GHz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。


圖3：BGT24LTR11N16框圖和封裝尺寸。

尚不十分熟悉24GHz技術的設計人員可使用隨BGT24LTR11提供的Sense2GoL演示板。這套演示板在面積僅為25mm²的PCB上配備一枚XMC1302ARMCortexM032位工業單片機，以及用於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，用於二次編程和評估。該綜合性套件也包括用於運動檢測的固件，用於雷達信號觀察的軟體GUI，以及便於設計快速投產的用戶手冊和完整的PCB示意圖和Gerber文件。

幾乎任何感測器都可以集成於這些智能路燈。氣壓感測器可以監測空氣質量，音頻感測器可以識別雜訊污染水平，具體案例可包括基於音頻的車輛事故或槍聲檢測。雖然非常簡單，照明感測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。

這套智能路燈中採用的XDPL8220元件包含一枚數字內核，為基於同一器件實現不同系統設計創造了條件。先進的控制演算法為在同一電路內實現恆定電流、恆定電壓和限定(部分)功率控制方案創造了條件，此外，通過調整不同參數集，可以將其用於不同的目標應用。

該器件可迎合現代電力系統的期望，其輸入電壓為90-305 VAC，能效率高於90%，總諧波失真度低於15%，符合IEC 61000-3-2 C類標準。能夠在較寬輸出電流範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於0.9，並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。

本文介紹的智能路燈運用了無線聯網、接近感測、電源管理、單片機和高效的安全晶元，將簡易的路燈改造成一個智能和安全的裝置，所有這些器件使得路燈具備廣泛的功能。未來這種開放式平台使其他相關機構能夠利用廣泛的感測器網路，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。

作者：
Rosina Kreutzer，市場主管
Stephan Schoenfeldt，系統架構師
英飛凌科技

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