帳號:
密碼:
智動化 / 文章 /

指路明燈
[作者 Nordic Semiconductor]   2021年05月18日 星期二 瀏覽人次: [3033]

路燈為互連智慧城市提供理想平台,為雙模式物聯網的連線支援推動轉變。


互連智慧城市帶來了美好的夢想。在這樣的城市中,數位技術將多種獨特的市政功能交織,以提高營運的效率和智慧水準。預計2050年全球70%人口將會居於智慧城市,其中的生活將是健康、快樂和安全的。至關重要的是,它承諾可以實現綠色環保,這是人類阻止地球受破壞的最後一張王牌。


然而,智慧城市是艱鉅的工程。新技術價格昂貴,地方政府拮据,政治轉向短期選舉週期,因此難以實現高營運和財務效率的集中式技術部署模式 (該模式在全球或各國範圍的城市區域中重複使用)。事實上,在新聞標題中排名前十的大多數領先智慧城市其實只是集合了各種不同的技術試驗和地區副專案,看起來沒有什麼可以擴展之處。


讓我們看看垃圾箱和停車場,它們憑藉感測器實現智慧化,還具有分析功能;在這種情況下,投資報酬率(ROI)很難計算和標準化,尤其是在政府機構如此分散的情況下(在公共機構和私人服務機構之間,以及在城鎮、城市、地區和國家之間)。看看一下空氣品質監測;在一個城市中,如何輕易計算出清潔空氣對衛生服務的影響?從邏輯上說,智慧城市很難實施,但也很難否定。


然而,在數位化變革的迷霧中透出一點亮光。所有市政服務中的路燈都提供了一個平台,可讓城市首次獲得智慧功能並聯合使用多種應用程式。看看在美國聖地牙哥和丹麥哥本哈根實施的各種智慧路燈項目,它們的數量在不斷增加。這些項目將感測器陣列與固定在燈杆上的模組化硬體單元結合在一起,從而實現了對照明設備本身的遠端控制,並且具有運行其他功能,例如交通計數器、空氣品質監測器,甚至是槍擊檢測器。


從燈杆高處開始,城市已經開始在街道上處理城巿的「宜居性」,包括交通流量和流動性、噪音和空氣污染以及新興的商業機會。即使是傳統上埋在停車場中的停車感測器,也可以便宜有效地連接到照明基礎設施。整個城市可以突然之間進行網路化和最佳化,而無需挖掘街道或租用空間,也無需解決有關更健康生活和更安全街道的抽象計算問題。


這種方案之所以可行,是因為在大多數情況下,智慧照明解決方案的計算一開始並非押注在智慧解決方案所帶來的節約。相反地,城市數位化革命的可行性是照明設備同步發展的偶然結果。


以固態LED照明取代白熾燈泡所帶來的節能效果,以及現成的電源供應和廣泛的照明基礎設施,使得智慧城市變得可行。



圖1 : 預估到2027年,全球3.63億盞路燈中,約90%將使用LED照明,而其中三分之一也將運行智慧應用程式。(source:Sierra Wireless) (3×3)
圖1 : 預估到2027年,全球3.63億盞路燈中,約90%將使用LED照明,而其中三分之一也將運行智慧應用程式。(source:Sierra Wireless) (3×3)

LED轉換的步伐已經平順了,智慧照明的發展趨勢也是蒸蒸日上。智慧基礎設施分析機構Northeast Group表示,到2027年,全球3.63億盞路燈中,約90%將使用LED照明。其中三分之一也將運行智慧應用程式,這種趨勢從幾年前就開始了。在獲得大量款項和公佈發展藍圖之前,街道照明最適合在大規模智慧城市中作為各種數位技術的網路基礎設施。


節省LED成本

根據照明和感測器製造商提出的經驗法則,智慧照明可將基礎架構相關的管理和維護成本降低50%至70%。但是,僅是轉換到高能效的LED燈泡就可以實現其中的大部分節約(大約50%,足以改變局面)。其餘的節約來自連接和控制照明器,以及在整個照明網路中傳遞有關其工作狀態的智慧資訊。


單憑集中化的調整和觀察,就可以大幅降低維護成本。有很多方式,並且相輔相成:排程、季節性控制和調整時間;故障診斷和減少維修卡車出勤。其影響隨著照明網路的規模而增加,並流回到初始的投資回報案例中。市場表示這種方式可以在大約五年內收回成本,並且通過整合「更軟」的智慧城市概念(例如那些停車感測器、交通監控器、空氣品質控制和槍擊檢測器),有潛力在更短時間內收回成本。


市場分析機構Guidehouse Insights追蹤研究了200多個城市,以評估城市變化的步伐;該機構表示,四分之一的城市正在推出智慧照明計畫。智慧系統的銷售飛速增長。市場研究機構ABI Research則計算得出,到2026年全球營收將會躍升十倍,達到17億美元。地球的「燈泡瞬間」就是這樣;與人類活動息息相關的街道照明基礎設施,是在更廣泛的背景下作為智慧城市平台的前進之路。ABI表示,最早在2022年,將有超過三分之二的新路燈安裝與中央管理平台綁定,以整合來自多個智慧城市感測器的資料。



圖2 :  與人類活動息息相關的街道照明基礎設施,是在更廣泛的背景下作為智慧城市平台的前進之路。(source:we-goc.org)
圖2 : 與人類活動息息相關的街道照明基礎設施,是在更廣泛的背景下作為智慧城市平台的前進之路。(source:we-goc.org)

ABI Research首席分析師Adarsh Krishnan表示:「憑藉配置無線連接、環境感測器甚至是智慧相機,利用城市燈杆基礎設施的智慧城市供應商還有更多的商業機會。挑戰在於找到可行的業務模式,鼓勵社會以高成本效益的方式大規模地部署多感測器解決方案。」


問題不再是「是否連接」,而是「如何連接」,以及「從一開始就連接多少」。正如Krishnan所觀察,這部分是關於商業模式的,不過,資金已經開始通過合作性的公用事業民營化(PPP)方式流入智慧城市領域,私人企業承擔了財務風險,以換取在風險投資的成功。訂閱式「即服務」(as-a-service)合約將投資分散到投資回收期,這也刺激了交易活動。


但是,智慧城市的問題也與技術的選擇有關。在覆蓋範圍、傳輸量和安全性方面,不同的應用程式提出了不同的要求。街道照明圍繞不同市場的不同技術而發展。根據ABI資料,在美國,基於Zigbee的短距離網狀網路是智慧電錶的中堅,具有80%佔有率。相同的公用事業公司也擁有大部分公共照明網路,而且以Zigbee公用事業為中心的智慧能源管理(Smart Energy Profile, SEP)2.0標準規範,目前正在重新設計,以便用於照明領域。


相比之下,歐洲的路燈正在與傳統的蜂巢網路(通常是2G直到LTE(4G))以及新的蜂巢物聯網LTE-M標準裝置連接。專有超窄帶(UNB)技術,以及Zigbee、低功耗藍牙的少量散佈和IEEE 802.15.4衍生產品也正在發揮作用。


藍牙技術聯盟(SIG)特別重視智慧城市。該組織預測,未來五年智慧城市領域的低功耗藍牙出貨量將會增長五倍,每年達到2.3億個。大多數都與公共場所中的資產追蹤相關聯,例如機場、體育場、醫院、購物中心和博物館。不過,低功耗藍牙也瞄準了戶外網路。藍牙技術聯盟表示:「資產管理解決方案提高了智慧城市資源的利用率,有助於降低城市營運成本。」


結合使用兩種技術更好

每種技術都有爭議,然而,其中某些爭議已在辯論中化解了。例如,UNB對有效載荷和交期時間表提出了更嚴格的限制,排除了對於多個感測器應用程式或對照相機等有需要的應用程式的並行支援。短距離技術更便宜,並且為開發「照明即平台」(lighting as-a-platform)設置提供了更大的傳輸量。重要的是它們也能夠在WAN訊號斷線的情況下發揮備援作用,並為技術人員提供了直接讀取感測器以進行調試和診斷的方法。例如,低功耗藍牙可與市場上幾乎所有的智慧手機配合操作。


儘管更密集的網格可以增強穩固性,但其體系結構變得複雜,並且對互連的點對點感測器提出了更高的能源要求。傳輸範圍也有問題;使用Zigbee和低功耗藍牙的覆蓋範圍最多只有數百公尺。儘管多種短距離技術均有競爭能力,並且非常適合網格化鄰域範圍的感測器,但它們是封閉的網路,最終需要使用閘道器來將訊號傳回雲端。


最後通常會加入蜂巢連接。智慧照明供應商的發展趨勢是採用點到雲端蜂巢連接,提供5到15公里的距離閘道或感測器設備覆蓋範圍。蜂巢技術帶來了大傳輸範圍和簡單性;根據蜂巢社群說法,它還提供了現成的網路和更高等級的安全性。


GSMA是代表行動網路營運商利益的行業組織,其物聯網垂直部門負責人Neill Young表示:「行動營運商...擁有整個城區的全部覆蓋範圍,因此不需要額外的基礎設施來連接城市的照明裝置和感測器。在許可頻譜的蜂巢網路具有安全性和可靠性,意味著營運商具有最佳條件,可支援大量需要較長電池壽命、最少維護和長傳輸距離的低成本設備。」


ABI表示,在所有可用的連接技術中,蜂巢技術將在未來幾年中獲得最大的增長。5G網路的聲勢和託管5G基礎設施的爭奪,促使營運商抓住了燈杆,在城市環境中進行小蜂巢單元填充。在美國,拉斯維加斯和沙加緬度正通過營運商AT&T和Verizon在路燈上部署LTE和5G,以及智慧城市感測器。香港剛剛公佈了一項計畫,將安裝400個支持5G的燈柱,作為智慧城市計畫的一部分。


但是LTE和5G則適用於一些較為稀少的智慧城市案例,這些案例需要更高的傳輸量和更低的延遲,例如高解析度攝影機監控。低功耗系統以低功耗藍牙和Zigbee等短距離技術以及蜂巢物聯網LPWAN技術NB-IoT和LTE-M的形式支撐著整個物聯網領域。這些技術可以組合在一起,在街頭照明平台和智慧城市中的其他地方發揮強大的作用,作為低速感測器的一部分,可以帶來有關城市功能和環境狀況的智慧資訊。


短距離無線低功耗蜂巢物聯網解決方案供應商Nordic Semiconductor技術長Svein-Egil Nielsen表示:「解決方案是將價格不貴但範圍和資源有限的短距離無線技術與蜂巢物聯網結合在一起,它們相互補充。這樣一來,有關交通流量和人流、空氣品質和溫度、振動和噪音等資料就可以通過安全且強大的蜂巢網路從感測器網路傳輸到雲端。」


硬體的緊密整合

Nielsen補充表示:「Nordic提供多模式的短程和遠端產品,其nRF52840 SoC支援低功耗藍牙、藍牙Mesh和Zigbee,以及Thread和專有2.4GHz系統。Nordic基於蜂巢的nRF9160 SiP同時提供LTE-M和NB-IoT支援。兩種技術的結合帶來了性能和成本方面的優勢。」


頻率分離使得這些系統可以共存,前者運行在免許可的2.4 GHz頻帶中,後者則運行在LTE所處的任何位置。在較低和較高的頻率下,需要在較寬的區域覆蓋範圍和較大的傳輸量之間進行折衷權衡。但是在照明平台中,通常將短距離無線技術用於互連感測器,邊緣計算能力用於觀察分析,而蜂巢物聯網則用於回傳資料到雲端,以及用於更高維護水準的感測器控制。


到目前為止,這一對短程和遠端無線電是分別加入的,它們在生產時並非嵌入到同一塊矽晶片中。有些元件分開的情況,是因為照明器、感測器和無線電的故障均不相同。然而,將雙無線電整合到單個系統中將帶來更緊密的技術整合和更低的購置成本,這些是智慧城市的主要考慮因素。


Nordic認為市場正朝著這個方向發展。該公司已經在開發人員層面將短程無線和蜂巢IoT連接技術結合在硬體和軟體中,以便使得解決方案製造商可以在測試應用程式中同時運行這對技術。Nordic用於nRF9160 SiP的單板DK是為開發人員而設計的,以便「使其蜂巢物聯網應用程式正常工作」;Nordic Thingy:91被描述為「成熟的現成閘道」,可作為現成的原型平台或早期產品設計的概念驗證來使用。


兩者均具有多模蜂巢nRF9160 SiP和多協議短程nRF52840 SoC。Nordic表示,將兩種技術結合在一起並且用於商業IoT部署的嵌入式系統,距離商業化僅「幾個月」時間。


Nordic的Nielsen表示:「智慧城市照明平台已經集合了所有這些連接技術;市場非常清楚地表明了要將它們組合在一起,我們已經為解決方案製造商提供了開發板,以測試它們如何共同運作。將它們結合到商業解決方案中已經是勢在必行,只是時間問題。」


**刊頭圖 (source:Wipro Lighting)


相關文章
嵌入式系統部署AI應用加速開發週期
3D 霍爾效應感測器如何為自動系統提供精確且即時的位置控制
智慧傳動元件實現精省整合理想
透過 1-Wire 通訊有效連接 IoT 端點中的感測器
透過壓力及應變管理強化高精度傾斜/角度感測性能
comments powered by Disqus
  相關新聞
» XAAR超高粘度技術釋放噴墨3D和增材製造的可能性
» 投注地方社會參與 宏正獲新北市頒發績優企業志工團隊獎
» 宇瞻推主動式防災系統 建立廠房智慧安全網
» 施耐德與中國生產力中心合作 推動台灣成為亞洲高階製造中心
» 獲得屏東部落會議通過 台灣科研火箭發射場域將啟用
  相關產品
» SCHURTER推出隱藏安裝式電容開關新品
» 艾訊新款1.8吋無風扇嵌入式主機板強化AIoT應用領域
» 凌華推出基於NVIDIA Jetson AGX Xavier之軌道交通專用AI平台
» 英飛凌針對Matter智慧家庭標準提供軟體支援加速新品上市
» ATEN UC8000 MicLIVE榮獲日本Good Design優良設計獎


刊登廣告 新聞信箱 讀者信箱 著作權聲明 隱私權聲明 本站介紹

Copyright ©1999-2021 遠播資訊股份有限公司版權所有 Powered by O3
地址:台北市中山北路三段29號11樓 / 電話 (02)2585-5526 / E-Mail: webmaster@hope.com.tw