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(shù)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(yù)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(guān)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(shù)價格昂貴，地方政府拮據(jù)，政治轉(zhuǎn)向短期選舉周期，因此難以實現(xiàn)高營運和財務(wù)效率的集中式技術(shù)部署模式 （該模式在全球或各國范圍的城市區(qū)域中重復(fù)使用）。事實上，在新聞標(biāo)題中排名前十的大多數(shù)領(lǐng)先智能城市其實只是集合了各種不同的技術(shù)試驗和地區(qū)副項目，看起來沒有什么可以擴(kuò)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(biāo)準(zhǔn)化，尤其是在政府機(jī)構(gòu)如此分散的情況下（在公共機(jī)構(gòu)和私人服務(wù)機(jī)構(gòu)之間，以及在城鎮(zhèn)、城市、地區(qū)和國家之間）。看看一下空氣質(zhì)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(wù)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(wù)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(yīng)用程序?？纯丛诿绹サ貋喐绾偷湼绫竟鶎嵤┑母鞣N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(jié)合在一起，從而實現(xiàn)了對照明設(shè)備本身的遠(yuǎn)程控制，并且具有運行其他功能，例如交通計數(shù)器、空氣質(zhì)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(jī)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(chǔ)設(shè)施。整個城市可以突然之間進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化和優(yōu)化，而無需挖掘街道或租用空間，也無需解決有關(guān)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(shè)備同步發(fā)展的偶然結(jié)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(yīng)和廣泛的照明基礎(chǔ)設(shè)施，使得智慧城市變得可行。
LED轉(zhuǎn)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(chǔ)設(shè)施分析機(jī)構(gòu)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(yīng)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(lán)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(shù)的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)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(chǔ)架構(gòu)相關(guān)的管理和維護(hù)成本降低50%至70%。但是，僅是轉(zhuǎn)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(luò)中傳遞有關(guān)其工作狀態(tài)的智能信息。

單憑集中化的調(diào)整和觀察，就可以大幅降低維護(hù)成本。有很多方式，并且相輔相成：排程、季節(jié)性控制和調(diào)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(luò)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(nèi)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(zhì)量控制和槍擊檢測器），有潛力在更短時間內(nèi)收回成本。

市場分析機(jī)構(gòu)Guidehouse Insights追蹤研究了200多個城市，以評估城市變化的步伐；該機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)ABI Research則計算得出，到2026年全球營收將會躍升十倍，達(dá)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(guān)的街道照明基礎(chǔ)設(shè)施，是在更廣泛的背景下作為智慧城市平臺的前進(jìn)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(jī)，利用城市燈桿基礎(chǔ)設(shè)施的智慧城市供貨商還有更多的商業(yè)機(jī)會。挑戰(zhàn)在于找到可行的業(yè)務(wù)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(guān)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(lǐng)域，私人企業(yè)承擔(dān)了財務(wù)風(fēng)險，以換取在風(fēng)險投資的成功。訂閱式「即服務(wù)」（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(shù)的選擇有關(guān)。在覆蓋范圍、傳輸量和安全性方面，不同的應(yīng)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(shù)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(luò)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(luò)，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(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，目前正在重新設(shè)計，以便用于照明領(lǐng)域。

相比之下，歐洲的路燈正在與傳統(tǒng)的蜂巢網(wǎng)絡(luò)（通常是2G直到LTE（4G））以及新的蜂巢物聯(lián)網(wǎng)LTE-M標(biāo)準(zhǔn)裝置連接。專有超窄帶（UNB）技術(shù)，以及Zigbee、低功耗藍(lán)牙的少量散布和IEEE 802.15.4衍生產(chǎn)品也正在發(fā)揮作用。

藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟（SIG）特別重視智慧城市。該組織預(yù)測，未來五年智慧城市領(lǐng)域的低功耗藍(lán)牙出貨量將會增長五倍，每年達(dá)到2.3億個。大多數(shù)都與公共場所中的資產(chǎn)追蹤相關(guān)聯(lián)，例如機(jī)場、體育場、醫(yī)院、購物中心和博物館。不過，低功耗藍(lán)牙也瞄準(zhǔn)了戶外網(wǎng)絡(luò)。藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟表示：「資產(chǎn)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。」

結(jié)合使用兩種技術(shù)更好
每種技術(shù)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(yán)格的限制，排除了對于多個傳感器應(yīng)用程序或?qū)φ障鄼C(jī)等有需要的應(yīng)用程序的并行支持。短距離技術(shù)更便宜，并且為開發(fā)「照明即平臺」（lighting as-a-platform）設(shè)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(shù)人員提供了直接讀取傳感器以進(jìn)行調(diào)試和診斷的方法。例如，低功耗藍(lán)牙可與市場上幾乎所有的智慧手機(jī)配合操作。

盡管更密集的網(wǎng)格可以增強(qiáng)穩(wěn)固性，但其體系結(jié)構(gòu)變得復(fù)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(lán)牙的覆蓋范圍最多只有數(shù)百公尺。盡管多種短距離技術(shù)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(luò)，最終需要使用網(wǎng)關(guān)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(guān)或傳感器設(shè)備覆蓋范圍。蜂巢技術(shù)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(luò)和更高等級的安全性。

GSMA是代表行動網(wǎng)絡(luò)營運商利益的行業(yè)組織，其物聯(lián)網(wǎng)垂直部門負(fù)責(zé)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(chǔ)設(shè)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(luò)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(hù)和長傳輸距離的低成本設(shè)備?！?br/>
ABI表示，在所有可用的連接技術(shù)中，蜂巢技術(shù)將在未來幾年中獲得最大的增長。5G網(wǎng)絡(luò)的聲勢和托管5G基礎(chǔ)設(shè)施的爭奪，促使?fàn)I運商抓住了燈桿，在城市環(huán)境中進(jìn)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(jī)監(jiān)控。低功耗系統(tǒng)以低功耗藍(lán)牙和Zigbee等短距離技術(shù)以及蜂巢物聯(lián)網(wǎng)LPWAN技術(shù)NB-IoT和LTE-M的形式支撐著整個物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域。這些技術(shù)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(qiáng)大的作用，作為低速傳感器的一部分，可以帶來有關(guān)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(shù)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(shù)與蜂巢物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合在一起，它們相互補(bǔ)充。這樣一來，有關(guān)交通流量和人流、空氣質(zhì)量和溫度、振動和噪音等資料就可以通過安全且強(qiáng)大的蜂巢網(wǎng)絡(luò)從傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)皆贫??！?br/>
硬件的緊密整合
Nielsen補(bǔ)充表示：「Nordic提供多模式的短程和遠(yuǎn)程產(chǎn)品，其nRF52840 SoC支持低功耗藍(lán)牙、藍(lán)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(shù)的結(jié)合帶來了性能和成本方面的優(yōu)勢。」

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(jìn)行折衷權(quán)衡。但是在照明平臺中，通常將短距離無線技術(shù)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(hù)水平的傳感器控制。

到目前為止，這一對短程和遠(yuǎn)程無線電是分別加入的，它們在生產(chǎn)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(shù)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(rèn)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(shù)結(jié)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(yīng)用程序中同時運行這對技術(shù)。Nordic用于nRF9160 SiP的單板DK是為開發(fā)人員而設(shè)計的，以便「使其蜂巢物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序正常工作」；Nordic Thingy:91被描述為「成熟的現(xiàn)成網(wǎng)關(guān)」，可作為現(xiàn)成的原型平臺或早期產(chǎn)品設(shè)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(shù)結(jié)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(shù)；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?nèi)绾喂餐\作。將它們結(jié)合到商業(yè)解決方案中已經(jīng)是勢在必行，只是時間問題。」