Połączone inteligentne miasta przynoszą piękne marzenia. W takich miastach technologie cyfrowe łączą wiele unikalnych funkcji obywatelskich, aby poprawić wydajność operacyjną i inteligencję. Szacuje się, że do 2050 roku 70% światowej populacji będzie mieszkać w inteligentnych miastach, gdzie życie będzie zdrowe, szczęśliwe i bezpieczne. Co najważniejsze, obiecują one ekologię, ostatnią kartę przetargową ludzkości w walce z destrukcją planety.
Ale inteligentne miasta to ciężka praca. Nowe technologie są drogie, samorządy lokalne mają ograniczenia, a polityka opiera się na krótkich cyklach wyborczych, co utrudnia osiągnięcie wysoce operacyjnego i efektywnego finansowo, scentralizowanego modelu wdrażania technologii, który byłby ponownie wykorzystywany w obszarach miejskich na całym świecie lub w kraju. W rzeczywistości większość wiodących inteligentnych miast, o których mowa w nagłówkach gazet, to w rzeczywistości jedynie zbiór różnych eksperymentów technologicznych i regionalnych projektów pobocznych, z niewielkim potencjałem rozwoju.
Przyjrzyjmy się śmietnikom i parkingom, które są inteligentne dzięki czujnikom i analityce. W tym kontekście zwrot z inwestycji (ROI) jest trudny do obliczenia i ujednolicenia, zwłaszcza gdy agencje rządowe są tak rozdrobnione (między agencjami publicznymi a służbami prywatnymi, a także między miastami, regionami i krajami). Przyjrzyjmy się monitorowaniu jakości powietrza. Jak łatwo jest obliczyć wpływ czystego powietrza na usługi zdrowotne w mieście? Logicznie rzecz biorąc, inteligentne miasta są trudne do wdrożenia, ale też trudne do zanegowania.
W mgle cyfrowej przemiany dostrzegamy jednak promyk nadziei. Oświetlenie uliczne we wszystkich usługach komunalnych stanowi platformę, dzięki której miasta mogą po raz pierwszy korzystać z inteligentnych funkcji i łączyć wiele aplikacji. Spójrzmy na różne projekty inteligentnego oświetlenia ulicznego realizowane w San Diego w USA i Kopenhadze w Danii – ich liczba stale rośnie. Projekty te łączą układy czujników z modułowymi modułami sprzętowymi zamocowanymi na słupach oświetleniowych, umożliwiając zdalne sterowanie oświetleniem i innymi funkcjami, takimi jak liczniki ruchu, monitory jakości powietrza, a nawet detektory broni.
Z wysokości słupów oświetleniowych miasta zaczęły zajmować się „przyjaznością życia” miasta na ulicach, w tym przepływem ruchu i mobilnością, hałasem i zanieczyszczeniem powietrza, a także pojawiającymi się możliwościami biznesowymi. Nawet czujniki parkowania, tradycyjnie zakopane w ziemi na parkingach, można tanio i efektywnie podłączyć do infrastruktury oświetleniowej. Całe miasta mogą nagle zostać połączone w sieć i zoptymalizowane bez konieczności rozkopywania ulic, wynajmowania powierzchni czy rozwiązywania abstrakcyjnych problemów komputerowych dotyczących zdrowszego życia i bezpieczniejszych ulic.
Dzieje się tak, ponieważ w większości przypadków inteligentne rozwiązania oświetleniowe nie są początkowo kalkulowane z myślą o oszczędnościach, jakie przynoszą. Zamiast tego, opłacalność miejskiej rewolucji cyfrowej jest przypadkową konsekwencją jednoczesnego rozwoju oświetlenia.
Oszczędności energii wynikające z wymiany żarówek na oświetlenie LED ze złączem półprzewodnikowym, a także powszechnie dostępne zasilacze i rozbudowana infrastruktura oświetleniowa sprawiają, że inteligentne miasta stają się rzeczywistością.
Tempo konwersji na oświetlenie LED jest już stabilne, a inteligentne oświetlenie dynamicznie się rozwija. Według Northeast Group, analityka inteligentnej infrastruktury, do 2027 roku około 90% z 363 milionów latarni ulicznych na świecie będzie oświetlanych diodami LED. Jedna trzecia z nich będzie również obsługiwać inteligentne aplikacje, co zapoczątkowało trend, który rozpoczął się kilka lat temu. Do czasu opublikowania znacznych funduszy i planów, oświetlenie uliczne najlepiej sprawdzi się jako infrastruktura sieciowa dla różnych technologii cyfrowych w dużych inteligentnych miastach.
Oszczędzaj koszty LED
Zgodnie z zasadami proponowanymi przez producentów oświetlenia i czujników, inteligentne oświetlenie może obniżyć koszty administracyjne i konserwacyjne infrastruktury o 50 do 70 procent. Jednak większość tych oszczędności (około 50 procent, co jest wystarczającą wartością) można uzyskać po prostu przechodząc na energooszczędne żarówki LED. Pozostałe oszczędności wynikają z podłączania i sterowania oprawami oświetleniowymi oraz przekazywania inteligentnych informacji o ich działaniu w całej sieci oświetleniowej.
Już same scentralizowane regulacje i obserwacje mogą znacząco obniżyć koszty utrzymania. Istnieje wiele sposobów, które wzajemnie się uzupełniają: planowanie, kontrola sezonowa i regulacja czasu; diagnostyka usterek i ograniczenie liczby pojazdów serwisowych. Wpływ ten rośnie wraz z rozmiarem sieci oświetleniowej i przekłada się na początkowy zwrot z inwestycji (ROI). Rynek twierdzi, że takie podejście może się zwrócić w ciągu około pięciu lat i ma potencjał, aby zwrócić się w krótszym czasie dzięki wdrożeniu „łatwiejszych” koncepcji inteligentnego miasta, takich jak czujniki parkowania, monitory ruchu, kontrola jakości powietrza i detektory broni.
Guidehouse Insights, firma zajmująca się analizą rynku, śledzi ponad 200 miast, aby ocenić tempo zmian. Według firmy jedna czwarta miast wdraża inteligentne systemy oświetleniowe. Sprzedaż inteligentnych systemów gwałtownie rośnie. ABI Research szacuje, że globalne przychody wzrosną dziesięciokrotnie, do 1,7 miliarda dolarów do 2026 roku. Właśnie taki jest moment „zapalenia” Ziemi. Infrastruktura oświetlenia ulicznego, która jest ściśle związana z działalnością człowieka, stanowi przyszłość platformy dla inteligentnych miast w szerszym kontekście. ABI poinformowało, że już w 2022 roku ponad dwie trzecie nowych instalacji oświetlenia ulicznego będzie powiązanych z centralną platformą zarządzania, która będzie integrować dane z wielu czujników inteligentnych miast.
Adarsh Krishnan, główny analityk w ABI Research, powiedział: „Istnieje wiele innych możliwości biznesowych dla dostawców rozwiązań dla inteligentnych miast, którzy wykorzystują infrastrukturę miejskich słupów oświetleniowych, wdrażając łączność bezprzewodową, czujniki środowiskowe, a nawet inteligentne kamery. Wyzwaniem jest znalezienie opłacalnych modeli biznesowych, które zachęcą społeczeństwo do wdrażania rozwiązań wielosensorowych na dużą skalę w opłacalny sposób”.
Pytanie nie brzmi już, czy łączyć, ale jak i ile łączyć. Jak zauważa Krishnan, częściowo wynika to z modeli biznesowych, ale pieniądze już teraz napływają do inteligentnych miast poprzez spółdzielczą prywatyzację przedsiębiorstw użyteczności publicznej (PPP), gdzie prywatne firmy ponoszą ryzyko finansowe w zamian za sukces w inwestycjach venture capital. Umowy subskrypcyjne „jako usługa” rozkładają inwestycję na okresy zwrotu, co również pobudziło aktywność.
W przeciwieństwie do tego, latarnie uliczne w Europie są podłączone do tradycyjnych sieci typu honeycomb (zazwyczaj od 2G do LTE (4G)), a także do nowego standardu HONEYCOMB IoT – LTE-M. W grę wchodzi również zastrzeżona technologia ultrawąskopasmowa (UNB), a także Zigbee, niewielka odmiana Bluetooth o niskim poborze mocy oraz pochodna IEEE 802.15.4.
Sojusz Technologii Bluetooth (SIG) kładzie szczególny nacisk na inteligentne miasta. Grupa przewiduje, że dostawy urządzeń Bluetooth o niskim poborze mocy w inteligentnych miastach wzrosną pięciokrotnie w ciągu najbliższych pięciu lat, osiągając poziom 230 milionów rocznie. Większość z nich jest powiązana ze śledzeniem zasobów w miejscach publicznych, takich jak lotniska, stadiony, szpitale, centra handlowe i muzea. Jednak Bluetooth o niskim poborze mocy jest również przeznaczony do sieci zewnętrznych. „Rozwiązanie do zarządzania zasobami poprawia wykorzystanie zasobów inteligentnych miast i pomaga obniżyć koszty operacyjne w miastach” – poinformował Sojusz Technologii Bluetooth.
Połączenie tych dwóch technik jest lepsze!
Każda technologia ma jednak swoje kontrowersje, z których niektóre zostały rozstrzygnięte w debacie. Na przykład UNB proponuje bardziej rygorystyczne limity dotyczące ładunku i harmonogramów dostaw, wykluczając równoległą obsługę aplikacji z wieloma czujnikami lub aplikacji, takich jak kamery, które tego wymagają. Technologia krótkiego zasięgu jest tańsza i zapewnia większą przepustowość w tworzeniu ustawień oświetlenia jako platformy. Co ważne, mogą one również pełnić rolę rezerwową w przypadku utraty sygnału WAN i umożliwiać technikom bezpośredni odczyt czujników w celu debugowania i diagnostyki. Na przykład Bluetooth o niskim poborze mocy współpracuje z niemal każdym smartfonem dostępnym na rynku.
Chociaż gęstsza siatka może zwiększyć odporność, jej architektura staje się złożona i zwiększa zapotrzebowanie na energię dla połączonych czujników punkt-punkt. Zasięg transmisji jest również problematyczny; zasięg w przypadku ZigBee i Bluetooth o niskim poborze mocy wynosi maksymalnie kilkaset metrów. Chociaż wiele technologii krótkiego zasięgu jest konkurencyjnych i dobrze nadaje się do czujników opartych na siatce, obejmujących cały obszar, są to sieci zamknięte, które ostatecznie wymagają użycia bram do przesyłania sygnałów z powrotem do chmury.
Połączenie typu plaster miodu jest zazwyczaj dodawane na końcu. Trendem wśród dostawców inteligentnego oświetlenia jest wykorzystywanie łączności typu plaster miodu typu punkt-chmura, aby zapewnić zasięg od 5 do 15 km dla bram sieciowych lub czujników. Technologia Beehive zapewnia duży zasięg transmisji i prostotę; według społeczności Hive zapewnia również gotową sieć i wyższy poziom bezpieczeństwa.
Neill Young, szef pionu Internetu Rzeczy w GSMA, organizacji branżowej reprezentującej operatorów sieci komórkowych, powiedział: „Operatorzy Action… mają pełny zasięg na całym obszarze, dlatego nie wymagają dodatkowej infrastruktury do podłączenia urządzeń oświetlenia miejskiego i czujników. Sieć typu plaster miodu w licencjonowanym paśmie zapewnia bezpieczeństwo i niezawodność, co oznacza, że operator ma najlepsze warunki, może obsługiwać wiele potrzeb, znacznie dłuższą żywotność baterii, minimalną konserwację i duży zasięg transmisji taniego sprzętu”.
Według ABI, spośród wszystkich dostępnych technologii łączności, HONEYCOMB odnotuje największy wzrost w nadchodzących latach. Szum wokół sieci 5G i dążenie do zapewnienia infrastruktury 5G skłoniły operatorów do sięgnięcia po słupy oświetleniowe i montażu małych, plastra miodu w środowiskach miejskich. W Stanach Zjednoczonych Las Vegas i Sacramento wdrażają LTE i 5G, a także czujniki inteligentnych miast, w latarniach ulicznych za pośrednictwem operatorów AT&T i Verizon. Hongkong właśnie ujawnił plan zainstalowania 400 latarni z obsługą 5G w ramach inicjatywy inteligentnych miast.
Ścisła integracja sprzętu
Nielsen dodał: „Nordic oferuje wielomodowe produkty krótkiego i dalekiego zasięgu, a jego układ SoC nRF52840 obsługuje technologie Bluetooth o niskim poborze mocy, Bluetooth Mesh i Zigbee, a także Thread i zastrzeżone systemy 2,4 GHz. Oparty na technologii Honeycomb układ SiP nRF9160 firmy Nordic oferuje obsługę zarówno LTE-M, jak i NB-iot. Połączenie tych dwóch technologii zapewnia korzyści w zakresie wydajności i kosztów”.
Separacja częstotliwości pozwala tym systemom współistnieć, przy czym pierwszy działa w paśmie 2,4 GHz bez uprawnień, a drugi wszędzie tam, gdzie znajduje się LTE. Przy niższych i wyższych częstotliwościach istnieje kompromis między większym zasięgiem a większą przepustowością transmisji. Jednak w platformach oświetleniowych technologia bezprzewodowa krótkiego zasięgu jest zazwyczaj wykorzystywana do łączenia czujników, moc obliczeniowa Edge jest wykorzystywana do obserwacji i analizy, a IoT typu honeycomb służy do przesyłania danych z powrotem do chmury, a także do sterowania czujnikami w celu zapewnienia wyższych poziomów konserwacji.
Do tej pory, para radiotelefonów krótkiego i dalekiego zasięgu była dodawana oddzielnie, a nie wbudowana w ten sam układ krzemowy. W niektórych przypadkach komponenty są rozdzielone, ponieważ awarie oświetlacza, czujnika i radia są różne. Jednak integracja dwóch radiotelefonów w jednym systemie zapewni lepszą integrację technologiczną i niższe koszty zakupu, co jest kluczowe dla inteligentnych miast.
Nordic uważa, że rynek zmierza w tym kierunku. Firma zintegrowała technologie łączności bezprzewodowej krótkiego zasięgu i technologii Honeycomb IoT ze sprzętem i oprogramowaniem na poziomie deweloperskim, aby producenci rozwiązań mogli je jednocześnie uruchamiać w aplikacjach testowych. Płytka Nordic DK dla nRF9160 SiP została zaprojektowana z myślą o deweloperach, aby „ich aplikacje Honeycomb IoT działały”; Nordic Thingy:91 został opisany jako „pełnowartościowa, gotowa bramka”, która może być używana jako gotowa platforma prototypowa lub dowód koncepcji dla wczesnych projektów produktów.
Oba systemy wykorzystują wielomodowy układ SiP nRF9160 o strukturze plastra miodu oraz wieloprotokołowy układ SoC krótkiego zasięgu nRF52840. Według Nordic, systemy wbudowane łączące te dwie technologie w komercyjnych wdrożeniach IoT są oddalone o zaledwie „miesiące” od komercjalizacji.
Nordic Nielsen powiedział: „Platforma inteligentnego oświetlenia miejskiego została stworzona z wykorzystaniem wszystkich tych technologii połączeń; rynek doskonale wie, jak je ze sobą połączyć. Dostarczyliśmy rozwiązania dla producentów, aby przetestować ich współpracę. Połączenie ich w rozwiązania biznesowe jest koniecznością i kwestią czasu”.
Czas publikacji: 29 marca 2022 r.