指路明燈——路燈為互連智慧城市提供理想平臺

互連智慧城市帶來了美好的夢想。在這樣的城市中，數(shù)字技術將多種獨特的公民功能編織在一起，以提高營運的效率和智慧水平。預計2050年全球70%人口將會居于智慧城市，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(xiàn)綠色環(huán)保，這是人類阻止地球受破壞的最后一張王牌。

然而，智能城市是艱巨的工程。新技術價格昂貴，地方政府拮據(jù)，政治轉向短期選舉周期，因此難以實現(xiàn)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范圍的城市區(qū)域中重復使用）。事實上，在新聞標題中排名前十的大多數(shù)領先智能城市其實只是集合了各種不同的技術試驗和地區(qū)副項目，看起來沒有什么可以擴展之處。

讓我們看看垃圾箱和停車場，它們憑借傳感器實現(xiàn)智能化，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(zhèn)、城市、地區(qū)和國家之間）?？纯匆幌驴諝赓|量監(jiān)測；在一個城市中，如何輕易計算出清潔空氣對衛(wèi)生服務的影響？從邏輯上說，智能城市很難實施，但也很難否定。

然而，在數(shù)字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臺，可讓城市首次獲得智能功能并聯(lián)合使用多種應用程序。看看在美國圣地亞哥和丹麥哥本哈根實施的各種智能路燈項目，它們的數(shù)量在不斷增加。這些項目將傳感器數(shù)組與固定在燈桿上的模塊化硬件單元結合在一起，從而實現(xiàn)了對照明設備本身的遠程控制，并且具有運行其他功能，例如交通計數(shù)器、空氣質量監(jiān)測器，甚至是槍擊檢測器。

從燈桿高處開始，城市已經(jīng)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(yè)機會。即使是傳統(tǒng)上埋在停車場中的停車傳感器，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(wǎng)絡化和優(yōu)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(shù)情況下，智慧照明解決方案的計算一開始并非押注在智慧解決方案所帶來的節(jié)約。相反地，城市數(shù)字化革命的可行性是照明設備同步發(fā)展的偶然結果。

以固態(tài)LED照明取代白熾燈泡所帶來的節(jié)能效果，以及現(xiàn)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。
LED轉換的步伐已經(jīng)平順了，智慧照明的發(fā)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能應用程序，這種趨勢從幾年前就開始了。在獲得大量款項和公布發(fā)展藍圖之前，街道照明最適合在大規(guī)模智慧城市中作為各種數(shù)字技術的網(wǎng)絡基礎設施。

節(jié)省LED成本
根據(jù)照明和傳感器制造商提出的經(jīng)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(xiàn)其中的大部分節(jié)約（大約50%，足以改變局面）。其余的節(jié)約來自連接和控制照明器，以及在整個照明網(wǎng)絡中傳遞有關其工作狀態(tài)的智能信息。

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，并且相輔相成：排程、季節(jié)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(wǎng)絡的規(guī)模而增加，并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，并且通過整合「更軟」的智能城市概念（例如那些停車傳感器、交通監(jiān)控器、空氣質量控制和槍擊檢測器），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劃。智能系統(tǒng)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臺的前進之路。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臺綁定，以整合來自多個智能城市傳感器的數(shù)據(jù)。

ABI Research首席分析師Adarsh Krishnan表示：「憑借配置無線連接、環(huán)境傳感器甚至是智慧相機，利用城市燈桿基礎設施的智慧城市供貨商還有更多的商業(yè)機會。挑戰(zhàn)在于找到可行的業(yè)務模式，鼓勵社會以高成本效益的方式大規(guī)模地部署多傳感器解決方案。」

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，這部分是關于商業(yè)模式的，不過，資金已經(jīng)開始通過合作性的公用事業(yè)民營化（PPP）方式流入智慧城市領域，私人企業(yè)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。在覆蓋范圍、傳輸量和安全性方面，不同的應用程序提出了不同的要求。街道照明圍繞不同市場的不同技術而發(fā)展。根據(jù)ABI數(shù)據(jù)，在美國，基于Zigbee的短距離網(wǎng)狀網(wǎng)絡是智能電表的中堅，具有80%占有率。相同的公用事業(yè)公司也擁有大部分公共照明網(wǎng)絡，而且以Zigbee公用事業(yè)為中心的智慧能源管理（Smart Energy Profile, SEP）2.0標準規(guī)范，目前正在重新設計，以便用于照明領域。

相比之下，歐洲的路燈正在與傳統(tǒng)的蜂巢網(wǎng)絡（通常是2G直到LTE（4G））以及新的蜂巢物聯(lián)網(wǎng)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布和IEEE 802.15.4衍生產品也正在發(fā)揮作用。

藍牙技術聯(lián)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(shù)都與公共場所中的資產追蹤相關聯(lián)，例如機場、體育場、醫(yī)院、購物中心和博物館。不過，低功耗藍牙也瞄準了戶外網(wǎng)絡。藍牙技術聯(lián)盟表示：「資產管理解決方案提高了智慧城市資源的利用率，有助于降低城市營運成本?！?br/>
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，排除了對于多個傳感器應用程序或對照相機等有需要的應用程序的并行支持。短距離技術更便宜，并且為開發(fā)「照明即平臺」（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(fā)揮備援作用，并為技術人員提供了直接讀取傳感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。

盡管更密集的網(wǎng)格可以增強穩(wěn)固性，但其體系結構變得復雜，并且對互連的點對點傳感器提出了更高的能源要求。傳輸范圍也有問題；使用Zigbee和低功耗藍牙的覆蓋范圍最多只有數(shù)百公尺。盡管多種短距離技術均有競爭能力，并且非常適合網(wǎng)格化鄰域范圍的傳感器，但它們是封閉的網(wǎng)絡，最終需要使用網(wǎng)關來將訊號傳回云端。

最后通常會加入蜂巢連接。智慧照明供貨商的發(fā)展趨勢是采用點到云端蜂巢連接，提供5到15公里的距離網(wǎng)關或傳感器設備覆蓋范圍。蜂巢技術帶來了大傳輸范圍和簡單性；根據(jù)蜂巢社群說法，它還提供了現(xiàn)成的網(wǎng)絡和更高等級的安全性。

GSMA是代表行動網(wǎng)絡營運商利益的行業(yè)組織，其物聯(lián)網(wǎng)垂直部門負責人Neill Young表示：「行動營運商...擁有整個城區(qū)的全部覆蓋范圍，因此不需要額外的基礎設施來連接城市的照明裝置和傳感器。在許可頻譜的蜂巢網(wǎng)絡具有安全性和可靠性，意味著營運商具有最佳條件，可支持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(wǎng)絡的聲勢和托管5G基礎設施的爭奪，促使營運商抓住了燈桿，在城市環(huán)境中進行小蜂巢單元填充。在美國，拉斯韋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，以及智慧城市傳感器。香港剛剛公布了一項計劃，將安裝400個支持5G的燈柱，作為智慧城市計劃的一部分。

但是LTE和5G則適用于一些較為稀少的智能城市案例，這些案例需要更高的傳輸量和更低的延遲，例如高分辨率攝影機監(jiān)控。低功耗系統(tǒng)以低功耗藍牙和Zigbee等短距離技術以及蜂巢物聯(lián)網(wǎng)LPWAN技術NB-IoT和LTE-M的形式支撐著整個物聯(lián)網(wǎng)領域。這些技術可以組合在一起，在街頭照明平臺和智慧城市中的其他地方發(fā)揮強大的作用，作為低速傳感器的一部分，可以帶來有關城市功能和環(huán)境狀況的智能信息。

短距離無線低功耗蜂巢物聯(lián)網(wǎng)解決方案供貨商Nordic Semiconductor技術長Svein-Egil Nielsen表示：「解決方案是將價格不貴但范圍和資源有限的短距離無線技術與蜂巢物聯(lián)網(wǎng)結合在一起，它們相互補充。這樣一來，有關交通流量和人流、空氣質量和溫度、振動和噪音等資料就可以通過安全且強大的蜂巢網(wǎng)絡從傳感器網(wǎng)絡傳輸?shù)皆贫??！?br/>
硬件的緊密整合
Nielsen補充表示：「Nordic提供多模式的短程和遠程產品，其nRF52840 SoC支持低功耗藍牙、藍牙Mesh和Zigbee，以及Thread和專有2.4GHz系統(tǒng)。Nordic基于蜂巢的nRF9160 SiP同時提供LTE-M和NB-IoT支持。兩種技術的結合帶來了性能和成本方面的優(yōu)勢?！?br/>
頻率分離使得這些系統(tǒng)可以共存，前者運行在免許可的2.4 GHz頻帶中，后者則運行在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(qū)域覆蓋范圍和較大的傳輸量之間進行折衷權衡。但是在照明平臺中，通常將短距離無線技術用于互連傳感器，邊緣計算能力用于觀察分析，而蜂巢物聯(lián)網(wǎng)則用于回傳數(shù)據(jù)到云端，以及用于更高維護水平的傳感器控制。

到目前為止，這一對短程和遠程無線電是分別加入的，它們在生產時并非嵌入到同一塊硅芯片中。有些組件分開的情況，是因為照明器、傳感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(tǒng)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(fā)展。該公司已經(jīng)在開發(fā)人員層面將短程無線和蜂巢IoT連接技術結合在硬件和軟件中，以便使得解決方案制造商可以在測試應用程序中同時運行這對技術。Nordic用于nRF9160 SiP的單板DK是為開發(fā)人員而設計的，以便「使其蜂巢物聯(lián)網(wǎng)應用程序正常工作」；Nordic Thingy:91被描述為「成熟的現(xiàn)成網(wǎng)關」，可作為現(xiàn)成的原型平臺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(xié)議短程nRF52840 SoC。Nordic表示，將兩種技術結合在一起并且用于商業(yè)IoT部署的嵌入式系統(tǒng)，距離商業(yè)化僅「幾個月」時間。

Nordic的Nielsen表示：「智能城市照明平臺已經(jīng)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(jīng)為解決方案制造商提供了開發(fā)板，以測試它們如何共同運作。將它們結合到商業(yè)解決方案中已經(jīng)是勢在必行，只是時間問題?！?br/>