物聯網（The Internet of Things, IoT）是由智慧設備節點互聯構成的網路，這些網路節點多數情況下是低功耗、低成本的感測器節點，可直接感測資料，並將資訊傳送到網際網路雲端，全程無需人工干預。雲端負責採集、處理和保護資料資訊，並向指定人員分享資訊，或者為公用事業機構提供資料服務。物聯網的主要目標是運用科技的手段提高人們的生活品質。

物聯網概念覆蓋四大應用領域：穿戴式技術、智慧家居、智慧汽車和智慧城市。因為牽動物聯網應用成長，智慧城市應用開始引起業界關注。其中，智慧城市包括智慧建築、智慧電表、路燈監控、交通管理、智慧停車、環境監控、智慧垃圾收集、智慧遠端醫護服務；穿戴式技術涉及智慧眼鏡、智慧手環、智慧手錶等健身保健產品；智慧家居則包括智慧照明、智慧家電和智慧電源插座等監控電能，並確保家居安全的電器產品。至於智慧汽車，本文將不納入討論。

智慧電表

智慧電表是智慧城市中最早出現的概念。自動讀表系統（Automatic Meter Reading, AMR）和先進讀表基礎建設架構（Advance Meter Infrastructure AMI）讓智慧電表在智慧城市概念中扮演重要的角色。高級電表架構可在用戶電表與相關公共服務機構之間雙向傳輸資料，交換能源使用資訊和本地能源產量資訊。有了這項技術後，公共服務機構可即時遠端讀表，採集所有計量電表的能源使用資料，確定總體能源負載曲線，動態選擇能源供應協定中的階梯價格，監控並維護整個系統執行，同時預防網路故障和能源損耗。

在這種情況下，通訊是智慧電表架構的關鍵組成元件，電力線通訊（PLC）或無線通訊技術能夠讓智慧電表向資料集中器上傳資訊，定期向公共服務機構分享資料。

電力表

電力線通訊（PLC）技術通常用於電力表。意法半導體能夠為市場提供不同的電力線通訊數據機（PLM）選項。STarGRID產品家族是一個電力線數據機平台，提供相容不同網線協議的窄頻PLM通訊解決方案，例如ST7570、ST7580、ST7590分別支援IEC 61334-5-1、METERS AND MORE、PRIME協議。METERS AND MORE協議是一個由非營利性的電力產業聯合會管理的開放式技術標準，會員包括歐美亞的科技公司和供電企業。

最近，意法半導體推出了STCOMET智慧電表和PLC二合一系統晶片，該晶片整合了電力線通訊數據機、高性能ARM Cortex M4應用處理器和電能計量功能，其中，內部電力線通訊數據機架構支援最高500 KHz的PRIME、G3、IEEE 1901.2、METERS AND MORE等窄頻（Narrow-Band）PLC通訊協議；電能計量子系統相容1級、0.5級和0.2級AC電表量精準度。

燃氣表

智慧燃氣表是電池供電，所以通常採用無線通訊技術。義大利開始在全國大規模安裝智慧燃氣表。新表透過500mW 的RF 169MHz無線通訊技術連接到資料集中器。資訊交換使用WMBUS（無線電表匯流排）和 DLMS/COSEM通訊協定。

圖1 : 智慧電表應用示意圖

無線電表匯流排是一個開放式自動讀表系統標準。設備語言報文規範（DLMS）和電能計量配套技術規範（COSEM）實現了資料集中器與電表交換資料所用的抽象層。意法半導體的SPI RIT1射頻晶片實現了這些通訊協議。作為超低功耗的射頻收發器，SPI RIT1工作在150MHz-920MHz頻段，輸出的功率最高16dBm，靈敏度為-118dBm。為了能夠在智慧燃氣內工作，收發器還需外接一個功率放大器，將最大輸出功率提高到27dBm。意法半導體開發了與歐洲EN13757-3：2013和EN13757-4：2013標準相容的WMBUS韌體協易堆疊，如果客戶要求，意法半導體還提供相關的C原始程式碼，代碼執行在STM32L1和PIRIT1組成的開發平台上。STM32L1是一系列超低功耗的ARM Cortex M3微控制器，用戶還可以選用STM32L0或STM32L4微控制器，這兩款產品分別搭載ARM Cortex M0+和M4處理器內核。

智慧照明

智慧路燈是目前不少地區政府關注的最新的智慧城市發展趨勢之一，智慧路燈有助於改進耗電量和路燈維護問題，同時能夠為市政服務機構提供多項的服務。智慧街道照明系統可以遠端控制路燈，並根據公路交通參與者活動狀況和雨、霧霾、霧等自然環境條件，自動調整路燈的亮度。此外，系統還可以監控每支燈的狀態、壽命、耗電量等資訊，以及每個燈杆的垂直梯度。當汽機車撞到燈杆或燈具出現異常表驗時，系統還能偵測到加速度數據，並將資料發送到操作員，從而節省大量的維修成本，同時大幅降低燈具的更換率。

圖2 : 智慧路燈應用示意圖

在智慧城市中，路燈將會為市政服務機構提供多項的服務。除城市照明外，市政服務機構還管理大量的其它市政服務，而公共照明網路配備各種的感測器和先進通訊系統，可為市政服務機構提供新型服務，例如交通監控、出行效率、公路安全、空氣品質監控、天氣監控、e-mobility等。

除高效的路燈控制驅動產品及技術外，感測器和通訊系統同樣發揮重要作用。意法半導體擁有智慧路燈系統所需的全部產品，其中，先進感測器包括加速度計（LIS2DS12）、壓力感測器（LPS25HB）、溫濕度感測器（HTS221）和麥克風（MP34Dxx）。為了便於使用者評測感測器性能，x-NUCLEO-IKS01A1評估板上安裝了環境慣性感測模組，相容Arduino UNO R3排針。

傳統公共照明系統升級到智慧照明，通訊技術是一個關鍵要素。無線通訊或電力線通訊是智慧路燈系統中應用最多的兩種通訊技術。

6LoWPAN無線網路

169MHz、433MHz或868MHz的Sub GHz的射頻通訊技術是歐洲常用的無線通訊技術。

SPIRIT1就是一款工作在這三個頻段的 Sub GHz射頻收發器，高性能、低功耗、靈敏度為–118dBm；支援跳頻、天線分集和AES-128加密，有多種通訊協議可選，其中Wireless M-Bus或6LoWPAN（基於低功耗無線個人區域網路的IPv6）是應用最廣泛的無線通訊協定。

網際網路工程任務組IETF開發的6LoWPAN通訊協定透過低功耗無線網路傳送IPv6分組資料，在網際網路雲端為每個無線網路節點分配一個唯一性的IP位址。

6LoWPAN通訊層實現了RPL（低功耗有損耗IPv6網路路由式通訊協定），該協定為電池供電節點提供了高能效的動態路由通道，每個設備可透過網格網路傳遞封包，從而擴大了通訊距離。網格網路自動建立，自動處理。

開放式原始碼作業系統Contiki提供一個開放式原始碼版6LoWPAN協議堆疊，意法半導體為STM32平台開發出一個Contiki 3.0埠。意法半導體的NUCLEO電路板與所支援的擴展板配合使用，可以開發這個應用。意法半導體6LoWPAN展示解決方案包括STM32L152RET6超低功耗微控制器開發板NUCLEO-L152RE和X-NUCLEO-IDS01A4擴展板。X-NUCLEO-IDS01A4擴展板是搭載SPSGRF-868射頻收發器的Shield介面擴展板。SPSGRF-868是經過認證的低於1GHz的SPIRIT1射頻模組。

路燈PLM網路

電力線通訊數據機（PLM）可替代前文討論的智慧路燈射頻網路通訊，我們在本文智慧功率部分討論的PLM STarGRID系列產品可滿足智慧路燈的通訊需求。圖3所示是意法半導體的STEVAL-IHP007V1電力線通訊板，將其與HID或LED整流器模組配套使用，可實現智慧路燈控制系統。這塊板子搭載意法半導體的STM32F103 ARM Cortex?M3微控制器和ST7580 PSK窄頻電力線數據機。ST7580的資料速率為28.8kbps，屬於意法半導體的STarGRID PLM產品系列。這塊評估板工作在CENELEC B頻段，內建路燈專用資料連結層韌體協議，實現了防衝突和重複演算法。

圖3 : STEVAL-IHP007V1

智慧家居 – 無線聯網

智慧家居生態系統包括智慧照明、智慧家電、電源監控智慧插座、家庭安保系統。

圖4 : 智慧家居

如同智慧城市中的智慧路燈網路，網路通訊是智慧家居能否實現的關鍵技術之一。意法半導體擁有大量的符合智慧家居技術要求的網路通訊產品，例如：PLM、Wi-Fi、Bluetooth Classic和Bluetooth 4.1、NFC/RFID和RF SubGHz。

圖5所示的STEVAL-IDI004V2是意法半導體的網路通訊展示解決方案，在一塊電路板上整合了前方列舉的所有通訊技術。STEVAL-IDI004V2是一個搭載STM32F103微控制器的無線通訊橋接器，整合了下面的無線網路技術：Wi-Fi、BT 3.0、RF SubGHz 868MHz和NFC。

圖5 : STEVAL-IDI004V2

‧ Wi-Fi模組：SPWF01SA.11：經過認證（FCC, IC, CE）的2.4 GHz IEEE 802.11 b/g/n射頻模組; 整合TCP/IP網路通訊協定和完整的TLS/SSL安全演算法，透過AT指令為使用者提供友好的介面。

‧ Sub-GHz RF模組：SP1ML-868：868 MHz ETSI認證射頻模組，基於低於1GHz的SPIRIT1射頻收發器和 STM32L1超低功耗微控制器，並整合平衡-不平衡變換器（BALF-SPI-01D3）和片上天線。

‧ 藍牙模組：SPBT2632: Bluetooth Classic 3.0版，內建藍牙協議堆疊韌體，包括SPP和iAP規範；提供AT指令介面，通過CE、FCC、IC、TELEC認證。

‧ NFC讀寫器晶片：CR95HF：NFC 13.56-MHz讀寫器內建多協定非接收發器，提供SPI和UART序列介面。

在這個通訊平台上，SP1MLRF SubGHz負責在6LoWPAN MESH協定網路上傳輸和採集無線感測器節點的資料資訊。

圖6中的STEVAL-IDI003V2和STEVAl-IDI002V2評估板配合使用，可創建低功耗感測器節點射頻網路。STEVAL-IDI002V2是一個射頻板，基於STM32L1超低功耗微控制器和SPIRIT1 RF SubGHz 低功耗收發器，在本展示解決方案中，射頻晶片的通訊頻率調至868MHz。

圖6 : 射頻節點

STEVAL-IDI003V2是一塊板載多個感測器的評估板，透過一個11針腳介面連接射頻板。板載感測器包括：

‧ 溫濕度感測器（HTS221）：該感測器尺寸緊湊，可測量相對濕度和溫度，透過SPI和I2C數位序列介面上傳測量資料。

‧ MEMS壓力感測器（LPS25H）：該感測器是壓阻式壓力感測器，尺寸非常小，260-1260 hP絕對數位輸出。

‧ 3軸奈米級MEMS加速度計（LIS3DH）：超低功耗，高線性，I2C/SPI串列輸出。

低功耗射頻網路節點還可使用x-NUCLEO方法連接到6LoWPAN網路，以提供不同的感測器參數輸出。網路節點元件包括NUCLEO-L152RE、X-NUCLEO-IDS01A4和X-NUCLEO-IKS01A1。（圖7）

圖7 : x-NUCLEO方法

無線橋接器板（STEVAL-IDI004V2）和射頻感測器節點（STEVAL-IDI003V2+STEVAL-IDI002V2）之間的通訊是以下文提到的6LoWPAN Contiki 3.0 通訊（IPv6）為基礎。在無線橋接器板上，6LoWPAN協易堆疊執行在SP1ML-868射頻模組內的STM32L1微控制器上。當智慧手機透過藍牙連接到無線橋接器板時，可以在專用的Android應用軟體上查看無線感測器參數，如圖8所示。

圖8 : 藍牙APP

每個射頻感測器節點都被分配一個唯一性的IPv6位址或設備別名。NFC介面可用於設置無線橋接器板，例如藍牙設備名稱、Wi-Fi 的SSID/密碼和無線感測器節點通道設置。用戶也可以透過USB VCOM驅動，使用專用的個人電腦繪圖使用者介面來完成這個配置過程。

此外，Wi-Fi可用於連接無線感測器網路和網際網路雲端，透過網際網路應用程式從雲端監控所有的射頻感測器節點參數。

總結

從感測器、功率放大器到低功耗微控制器，再到安全IP模組、類比元件和介面晶片，意法半導體擁有構建物聯網系統所需的全部元件。

（本文作者Filippo Colaianni任職於意法半導體）