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指路明灯
[作者 Nordic Semiconductor]   2021年05月18日 星期二 浏览人次: [2672]

路灯为互连智慧城市提供理想平台,为双模式物联网的连线支援推动转变。


互连智慧城市带来了美好的梦想。在这样的城市中,数位技术将多种独特的公民功能编织在一起,以提高营运的效率和智慧水准。预计2050年全球70%人囗将会居於智慧城市,其中的生活将是健康、快乐和安全的。至关重要的是,它承诺可以实现绿色环保,这是人类阻止地球受破坏的最後一张王牌。


然而,智慧城市是艰钜的工程。新技术价格昂贵,地方政府拮??,政治转向短期选举周期,因此难以实现高营运和财务效率的集中式技术部署模式 (该模式在全球或各国范围的城市区域中重复使用)。事实上,在新闻标题中排名前十的大多数领先智慧城市其实只是集合了各种不同的技术试验和地区??专案,看起来没有什麽可以扩展之处。


让我们看看垃圾箱和停车场,它们凭藉感测器实现智慧化,还具有分析功能;在这种情况下,投资报酬率(ROI)很难计算和标准化,尤其是在政府机构如此分散的情况下(在公共机构和私人服务机构之间,以及在城镇、城市、地区和国家之间)。看看一下空气品质监测;在一个城市中,如何轻易计算出清洁空气对卫生服务的影响?从逻辑上说,智慧城市很难实施,但也很难否定。


然而,在数位化变革的迷雾中透出一点亮光。所有市政服务中的路灯都提供了一个平台,可让城市首次获得智慧功能并联合使用多种应用程式。看看在美国圣地牙哥和丹麦哥本哈根实施的各种智慧路灯项目,它们的数量在不断增加。这些项目将感测器阵列与固定在灯杆上的模组化硬体单元结合在一起,从而实现了对照明设备本身的远端控制,并且具有运行其他功能,例如交通计数器、空气品质监测器,甚至是枪击检测器。


从灯杆高处开始,城市已经开始在街道上处理城??的「宜居性」,包括交通流量和流动性、噪音和空气污染以及新兴的商业机会。即使是传统上埋在停车场中的停车感测器,也可以便宜有效地连接到照明基础设施。整个城市可以突然之间进行网路化和最隹化,而无需挖掘街道或租用空间,也无需解决有关更健康生活和更安全街道的抽象计算问题。


这种方案之所以可行,是因为在大多数情况下,智慧照明解决方案的计算一开始并非押注在智慧解决方案所带来的节约。相反地,城市数位化革命的可行性是照明设备同步发展的偶然结果。


以固态LED照明取代白炽灯泡所带来的节能效果,以及现成的电源供应和广泛的照明基础设施,使得智慧城市变得可行。



图1 : 预估到2027年,全球3.63亿盏路灯中,约90%将使用LED照明,而其中三分之一也将运行智慧应用程式。(source:Sierra Wireless) (3×3)
图1 : 预估到2027年,全球3.63亿盏路灯中,约90%将使用LED照明,而其中三分之一也将运行智慧应用程式。(source:Sierra Wireless) (3×3)

LED转换的步伐已经平顺了,智慧照明的发展趋势也是蒸蒸日上。智慧基础设施分析机构Northeast Group表示,到2027年,全球3.63亿盏路灯中,约90%将使用LED照明。其中三分之一也将运行智慧应用程式,这种趋势从几年前就开始了。在获得大量款项和公布发展蓝图之前,街道照明最适合在大规模智慧城市中作为各种数位技术的网路基础设施。


节省LED成本

根据照明和感测器制造商提出的经验法则,智慧照明可将基础架构相关的管理和维护成本降低50%至70%。但是,仅是转换到高能效的LED灯泡就可以实现其中的大部分节约(大约50%,足以改变局面)。其馀的节约来自连接和控制照明器,以及在整个照明网路中传递有关其工作状态的智慧资讯。


单凭集中化的调整和观察,就可以大幅降低维护成本。有很多方式,并且相辅相成:排程、季节性控制和调整时间;故障诊断和减少维修卡车出勤。其影响随着照明网路的规模而增加,并流回到初始的投资回报案例中。市场表示这种方式可以在大约五年内收回成本,并且通过整合「更软」的智慧城市概念(例如那些停车感测器、交通监控器、空气品质控制和枪击检测器),有潜力在更短时间内收回成本。


市场分析机构Guidehouse Insights追踪研究了200多个城市,以评估城市变化的步伐;该机构表示,四分之一的城市正在推出智慧照明计画。智慧系统的销售飞速增长。市场研究机构ABI Research则计算得出,到2026年全球营收将会跃升十倍,达到17亿美元。地球的「灯泡瞬间」就是这样;与人类活动息息相关的街道照明基础设施,是在更广泛的背景下作为智慧城市平台的前进之路。ABI表示,最早在2022年,将有超过三分之二的新路灯安装与中央管理平台绑定,以整合来自多个智慧城市感测器的资料。



图2 :  与人类活动息息相关的街道照明基础设施,是在更广泛的背景下作为智慧城市平台的前进之路。(source:we-goc.org)
图2 : 与人类活动息息相关的街道照明基础设施,是在更广泛的背景下作为智慧城市平台的前进之路。(source:we-goc.org)

ABI Research首席分析师Adarsh Krishnan表示:「凭藉配置无线连接、环境感测器甚至是智慧相机,利用城市灯杆基础设施的智慧城市供应商还有更多的商业机会。挑战在於找到可行的业务模式,鼓励社会以高成本效益的方式大规模地部署多感测器解决方案。」


问题不再是「是否连接」,而是「如何连接」,以及「从一开始就连接多少」。正如Krishnan所观察,这部分是关於商业模式的,不过,资金已经开始通过合作性的公用事业民营化(PPP)方式流入智慧城市领域,私人企业承担了财务风险,以换取在风险投资的成功。订阅式「即服务」(as-a-service)合约将投资分散到投资回收期,这也刺激了交易活动。


但是,智慧城市的问题也与技术的选择有关。在覆盖范围、传输量和安全性方面,不同的应用程式提出了不同的要求。街道照明围绕不同市场的不同技术而发展。根据ABI资料,在美国,基於Zigbee的短距离网状网路是智慧电表的中坚,具有80%占有率。相同的公用事业公司也拥有大部分公共照明网路,而且以Zigbee公用事业为中心的智慧能源管理(Smart Energy Profile, SEP)2.0标准规范,目前正在重新设计,以便用於照明领域。


相比之下,欧洲的路灯正在与传统的蜂巢网路(通常是2G直到LTE(4G))以及新的蜂巢物联网LTE-M标准装置连接。专有超窄带(UNB)技术,以及Zigbee、低功耗蓝牙的少量散布和IEEE 802.15.4衍生产品也正在发挥作用。


蓝牙技术联盟(SIG)特别重视智慧城市。该组织预测,未来五年智慧城市领域的低功耗蓝牙出货量将会增长五倍,每年达到2.3亿个。大多数都与公共场所中的资产追踪相关联,例如机场、体育场、医院、购物中心和博物馆。不过,低功耗蓝牙也瞄准了户外网路。蓝牙技术联盟表示:「资产管理解决方案提高了智慧城市资源的利用率,有助於降低城市营运成本。」


结合使用两种技术更好

每种技术都有争议,然而,其中某些争议已在辩论中化解了。例如,UNB对有效载荷和交期时间表提出了更严格的限制,排除了对於多个感测器应用程式或对照相机等有需要的应用程式的并行支援。短距离技术更便宜,并且为开发「照明即平台」(lighting as-a-platform)设置提供了更大的传输量。重要的是它们也能够在WAN讯号断线的情况下发挥备援作用,并为技术人员提供了直接读取感测器以进行调试和诊断的方法。例如,低功耗蓝牙可与市场上几??所有的智慧手机配合操作。


尽管更密集的网格可以增强稳固性,但其体系结构变得复杂,并且对互连的点对点感测器提出了更高的能源要求。传输范围也有问题;使用Zigbee和低功耗蓝牙的覆盖范围最多只有数百公尺。尽管多种短距离技术均有竞争能力,并且非常适合网格化邻域范围的感测器,但它们是封闭的网路,最终需要使用闸道器来将讯号传回云端。


最後通常会加入蜂巢连接。智慧照明供应商的发展趋势是采用点到云端蜂巢连接,提供5到15公里的距离闸道或感测器设备覆盖范围。蜂巢技术带来了大传输范围和简单性;根据蜂巢社群说法,它还提供了现成的网路和更高等级的安全性。


GSMA是代表行动网路营运商利益的行业组织,其物联网垂直部门负责人Neill Young表示:「行动营运商...拥有整个城区的全部覆盖范围,因此不需要额外的基础设施来连接城市的照明装置和感测器。在许可频谱的蜂巢网路具有安全性和可靠性,意味着营运商具有最隹条件,可支援大量需要较长电池寿命、最少维护和长传输距离的低成本设备。」


ABI表示,在所有可用的连接技术中,蜂巢技术将在未来几年中获得最大的增长。5G网路的声势和托管5G基础设施的争夺,促使营运商抓住了灯杆,在城市环境中进行小蜂巢单元填充。在美国,拉斯维加斯和沙加缅度正通过营运商AT&T和Verizon在路灯上部署LTE和5G,以及智慧城市感测器。香港刚刚公布了一项计画,将安装400个支持5G的灯柱,作为智慧城市计画的一部分。


但是LTE和5G则适用於一些较为稀少的智慧城市案例,这些案例需要更高的传输量和更低的延迟,例如高解析度摄影机监控。低功耗系统以低功耗蓝牙和Zigbee等短距离技术以及蜂巢物联网LPWAN技术NB-IoT和LTE-M的形式支撑着整个物联网领域。这些技术可以组合在一起,在街头照明平台和智慧城市中的其他地方发挥强大的作用,作为低速感测器的一部分,可以带来有关城市功能和环境状况的智慧资讯。


短距离无线低功耗蜂巢物联网解决方案供应商Nordic Semiconductor技术长Svein-Egil Nielsen表示:「解决方案是将价格不贵但范围和资源有限的短距离无线技术与蜂巢物联网结合在一起,它们相互补充。这样一来,有关交通流量和人流、空气品质和温度、振动和噪音等资料就可以通过安全且强大的蜂巢网路从感测器网路传输到云端。」


硬体的紧密整合

Nielsen补充表示:「Nordic提供多模式的短程和远端产品,其nRF52840 SoC支援低功耗蓝牙、蓝牙Mesh和Zigbee,以及Thread和专有2.4GHz系统。Nordic基於蜂巢的nRF9160 SiP同时提供LTE-M和NB-IoT支援。两种技术的结合带来了性能和成本方面的优势。」


频率分离使得这些系统可以共存,前者运行在免许可的2.4 GHz频带中,後者则运行在LTE所处的任何位置。在较低和较高的频率下,需要在较宽的区域覆盖范围和较大的传输量之间进行折衷权衡。但是在照明平台中,通常将短距离无线技术用於互连感测器,边缘计算能力用於观察分析,而蜂巢物联网则用於回传资料到云端,以及用於更高维护水准的感测器控制。


到目前为止,这一对短程和远端无线电是分别加入的,它们在生产时并非嵌入到同一块矽晶片中。有些元件分开的情况,是因为照明器、感测器和无线电的故障均不相同。然而,将双无线电整合到单个系统中将带来更紧密的技术整合和更低的购置成本,这些是智慧城市的主要考虑因素。


Nordic认为市场正朝着这个方向发展。该公司已经在开发人员层面将短程无线和蜂巢IoT连接技术结合在硬体和软体中,以便使得解决方案制造商可以在测试应用程式中同时运行这对技术。Nordic用於nRF9160 SiP的单板DK是为开发人员而设计的,以便「使其蜂巢物联网应用程式正常工作」;Nordic Thingy:91被描述为「成熟的现成闸道」,可作为现成的原型平台或早期产品设计的概念验证来使用。


两者均具有多模蜂巢nRF9160 SiP和多协议短程nRF52840 SoC。Nordic表示,将两种技术结合在一起并且用於商业IoT部署的嵌入式系统,距离商业化仅「几个月」时间。


Nordic的Nielsen表示:「智慧城市照明平台已经集合了所有这些连接技术;市场非常清楚地表明了要将它们组合在一起,我们已经为解决方案制造商提供了开发板,以测试它们如何共同运作。将它们结合到商业解决方案中已经是势在必行,只是时间问题。」


**刊头图 (source:Wipro Lighting)


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