Взаємопов'язані розумні міста приносять прекрасні мрії. У таких містах цифрові технології поєднують численні унікальні громадські функції для підвищення операційної ефективності та інтелекту. За оцінками, до 2050 року 70% населення світу проживатиме в розумних містах, де життя буде здоровим, щасливим та безпечним. Найголовніше, що це обіцяє бути зеленим, останнім козирем людства проти руйнування планети.
Але «розумні міста» – це важка робота. Нові технології дорогі, місцеві органи влади обмежені, а політика зміщується до коротких виборчих циклів, що ускладнює створення високоопераційної та фінансово ефективної централізованої моделі розгортання технологій, яка повторно використовується в міських районах у світовому чи національному масштабах. Фактично, більшість провідних «розумних міст», про які йдеться у заголовках новин, насправді є лише сукупністю різних технологічних експериментів та регіональних побічних проектів, які мало що можуть очікувати від розширення.
Давайте розглянемо сміттєві контейнери та парковки, які є розумними завдяки датчикам та аналітиці; у цьому контексті рентабельність інвестицій (ROI) важко розрахувати та стандартизувати, особливо коли державні установи настільки фрагментовані (між державними установами та приватними службами, а також між містами, регіонами та країнами). Розглянемо моніторинг якості повітря; як легко розрахувати вплив чистого повітря на медичні послуги в місті? Логічно, що розумні міста важко впровадити, але також важко заперечити.
Однак, у тумані цифрових змін є проблиск світла. Вуличне освітлення у всіх муніципальних службах надає містам платформу для отримання інтелектуальних функцій та поєднання кількох застосувань вперше. Подивіться на різні проекти інтелектуального вуличного освітлення, що реалізуються в Сан-Дієго (США) та Копенгагені (Данії), і їх кількість зростає. Ці проекти поєднують масиви датчиків з модульними апаратними блоками, закріпленими на ліхтарних стовпах, щоб забезпечити дистанційне керування самим освітленням та виконання інших функцій, таких як лічильники трафіку, монітори якості повітря та навіть детектори зброї.
З висоти ліхтарного стовпа міста почали вирішувати питання «життєздатності» міста на вулицях, включаючи транспортний потік та мобільність, шум та забруднення повітря, а також нові бізнес-можливості. Навіть датчики паркування, які традиційно розміщувалися на парковках, можна дешево та ефективно підключити до освітлювальної інфраструктури. Цілі міста раптово можуть бути об’єднані в мережу та оптимізовані без розкопування вулиць, оренди простору чи вирішення абстрактних обчислювальних задач щодо здоровішого життя та безпечніших вулиць.
Це працює тому, що здебільшого рішення для розумного освітлення спочатку не розраховуються зі ставкою на економію від розумних рішень. Натомість, життєздатність міської цифрової революції є випадковим наслідком одночасного розвитку освітлення.
Економія енергії від заміни ламп розжарювання на твердотільні світлодіодні лампи, а також легкодоступні джерела живлення та розгалужена освітлювальна інфраструктура, роблять розумні міста можливими.
Темпи переходу на світлодіодні лампи вже стабільні, а розумне освітлення переживає бум. За даними Northeast Group, аналітика розумної інфраструктури, до 2027 року близько 90% з 363 мільйонів вуличних ліхтарів у світі будуть освітлені світлодіодами. Третина з них також працюватиме на інтелектуальних додатках, тенденція, яка почалася кілька років тому. Доки не буде опубліковано значне фінансування та креслення, вуличне освітлення найкраще підходить як мережева інфраструктура для різних цифрових технологій у великомасштабних розумних містах.
Збережіть вартість світлодіодів
Згідно з емпіричними правилами, запропонованими виробниками освітлення та датчиків, розумне освітлення може знизити адміністративні витрати та витрати на обслуговування інфраструктури на 50-70 відсотків. Але більшу частину цієї економії (близько 50 відсотків, достатньо, щоб щось змінити) можна було б досягти, просто перейшовши на енергоефективні світлодіодні лампи. Решта економії забезпечується підключенням та керуванням освітлювачами, а також передачею інтелектуальної інформації про те, як вони працюють, по всій мережі освітлення.
Централізовані налаштування та спостереження самі по собі можуть значно зменшити витрати на технічне обслуговування. Існує багато способів, і вони доповнюють один одного: планування, сезонний контроль та коригування часу; діагностика несправностей та зменшення кількості відвідувачів вантажівок для технічного обслуговування. Вплив зростає з розміром мережі освітлення та відображається у початковому випадку рентабельності інвестицій. Ринок стверджує, що цей підхід може окупитися приблизно за п'ять років і має потенціал окупитися за менший час завдяки впровадженню «м’якших» концепцій розумного міста, таких як датчики паркування, монітори дорожнього руху, контроль якості повітря та детектори зброї.
Guidehouse Insights, аналітик ринку, відстежує понад 200 міст, щоб оцінити темпи змін; за його даними, чверть міст впроваджують схеми розумного освітлення. Продажі розумних систем стрімко зростають. ABI Research підрахувала, що світові доходи зростуть удесятеро до 1,7 мільярда доларів до 2026 року. «Момент лампочки» Землі такий: інфраструктура вуличного освітлення, яка тісно пов’язана з діяльністю людини, є шляхом уперед як платформа для розумних міст у ширшому контексті. Вже у 2022 році понад дві третини нових установок вуличного освітлення будуть підключені до централізованої платформи управління для інтеграції даних з кількох датчиків розумного міста, повідомляє ABI.
Адарш Крішнан, головний аналітик ABI Research, сказав: «Існує набагато більше бізнес-можливостей для постачальників послуг розумного міста, які використовують інфраструктуру міських ліхтарів, розгортаючи бездротове з’єднання, датчики навколишнього середовища та навіть розумні камери. Завдання полягає в тому, щоб знайти життєздатні бізнес-моделі, які заохочуватимуть суспільство до масштабного впровадження мультисенсорних рішень економічно ефективним способом».
Питання вже не в тому, чи підключатися, а в тому, як і скільки підключатися взагалі. Як зазначає Крішнан, частково це стосується бізнес-моделей, але гроші вже надходять у розумні міста через кооперативну приватизацію комунальних послуг (ДПП), де приватні компанії беруть на себе фінансовий ризик в обмін на успіх у венчурному капіталі. Контракти «як послуга» на основі підписки розподіляють інвестиції протягом періодів окупності, що також стимулювало активність.
На противагу цьому, вуличні ліхтарі в Європі підключаються до традиційних стільникових мереж (зазвичай від 2G до LTE (4G)), а також до нового стандартного пристрою Інтернету речей HONEYCOMB, LTE-M. Також в гру вступає запатентована надвузькосмугова технологія (UNB), разом із Zigbee, невеликим поширенням Bluetooth з низьким енергоспоживанням, та похідними IEEE 802.15.4.
Альянс технологій Bluetooth (SIG) приділяє особливу увагу розумним містам. Група прогнозує, що поставки малопотужних Bluetooth-пристроїв у розумні міста зростуть уп'ятеро протягом наступних п'яти років, до 230 мільйонів на рік. Більшість із них пов'язані з відстеженням активів у громадських місцях, таких як аеропорти, стадіони, лікарні, торгові центри та музеї. Однак малопотужні Bluetooth-пристрої також призначені для зовнішніх мереж. «Рішення з управління активами покращує використання ресурсів розумного міста та допомагає знизити експлуатаційні витрати міста», – заявили в Альянсі технологій Bluetooth.
Поєднання двох технік краще!
Однак кожна технологія має свої суперечки, деякі з яких були вирішені в дебатах. Наприклад, UNB пропонує суворіші обмеження на корисне навантаження та графіки доставки, виключаючи паралельну підтримку для кількох сенсорних застосувань або для таких застосувань, як камери, які цього потребують. Технологія малої дальності є дешевшою та забезпечує більшу пропускну здатність для розробки налаштувань освітлення як платформи. Важливо, що вони також можуть відігравати резервну роль у разі відключення сигналу WAN та надавати технічним спеціалістам засоби для безпосереднього зчитування даних з датчиків для налагодження та діагностики. Наприклад, низькоенергетичний Bluetooth працює майже з усіма смартфонами на ринку.
Хоча щільніша мережа може підвищити надійність, її архітектура стає складною та висуває вищі енергетичні вимоги до взаємопов'язаних датчиків типу "точка-точка". Дальність передачі також проблематична; покриття за допомогою Zigbee та Bluetooth з низьким енергоспоживанням становить максимум кілька сотень метрів. Хоча різноманітні технології ближнього радіусу дії є конкурентоспроможними та добре підходять для датчиків на основі мережі, що охоплюють усю сусідню мережу, вони є закритими мережами, які зрештою вимагають використання шлюзів для передачі сигналів назад у хмару.
Зазвичай наприкінці додається стільникове з'єднання. Тенденція постачальників інтелектуального освітлення полягає у використанні стільникового з'єднання "точка-хмара" для забезпечення покриття шлюзом або сенсорним пристроєм на відстані від 5 до 15 км. Технологія Beehive забезпечує велику дальність передачі та простоту; вона також забезпечує готові до використання мережі та вищий рівень безпеки, за даними спільноти Hive.
Ніл Янг, керівник відділу «Інтернет речей» у GSMA, галузевій організації, що представляє операторів мобільних мереж, сказав: «Action operators… має повне покриття всієї території, тому не потребує додаткової інфраструктури для підключення міських освітлювальних приладів та датчиків. Ліцензована мережа зі стільниковим спектром має безпеку та надійність, що означає, що оператор має найкращі умови, може підтримувати велику кількість потреб, набагато довший термін служби батареї, мінімальне обслуговування та велику відстань передачі недорогого обладнання».
З усіх доступних технологій зв'язку, за даними ABI, HONEYCOMB демонструватиме найбільше зростання в найближчі роки. Ажіотаж навколо мереж 5G та боротьба за розміщення інфраструктури 5G спонукали операторів захопити освітлювальні стовпи та заповнити невеликі стільникові блоки в міських умовах. У Сполучених Штатах Лас-Вегас і Сакраменто розгортають LTE та 5G, а також датчики розумного міста на вуличних ліхтарях через операторів AT&T та Verizon. Гонконг щойно представив план встановлення 400 ліхтарних стовпів з підтримкою 5G в рамках своєї ініціативи розумного міста.
Тісна інтеграція апаратного забезпечення
Nielsen додав: «Nordic пропонує багаторежимні продукти для малого та великого радіусу дії, а його SoC nRF52840 підтримує низькоенергетичні Bluetooth, Bluetooth Mesh та Zigbee, а також Thread та власні системи 2,4 ГГц. SiP Nordic на базі Honeycomb nRF9160 пропонує підтримку як LTE-M, так і NB-IoT. Поєднання цих двох технологій забезпечує переваги в продуктивності та вартості».
Розділення частот дозволяє цим системам співіснувати, причому перша працює в діапазоні 2,4 ГГц без дозволів, а друга — скрізь, де є LTE. На нижчих і вищих частотах існує компроміс між ширшим покриттям зони та більшою пропускною здатністю передачі. Але в освітлювальних платформах для з'єднання датчиків зазвичай використовується бездротова технологія ближнього радіусу дії, обчислювальна потужність периферійних обчислень — для спостереження та аналізу, а стільниковий Інтернет речей використовується для надсилання даних назад у хмару, а також для керування датчиками для вищого рівня обслуговування.
Досі пара радіостанцій ближнього та далекого радіуса дії додавалася окремо, а не вбудовувалася в один кремнієвий чіп. У деяких випадках компоненти розділені, оскільки відмови освітлювача, датчика та радіостанції різні. Однак інтеграція двох радіостанцій в єдину систему призведе до тіснішої інтеграції технологій та зниження витрат на придбання, що є ключовими міркуваннями для розумних міст.
Nordic вважає, що ринок рухається в цьому напрямку. Компанія інтегрувала технології бездротового зв'язку малого радіуса дії та стільникового Інтернету речей в апаратне та програмне забезпечення на рівні розробника, щоб виробники рішень могли одночасно запускати ці технології в тестових програмах. Плата Nordic DK для nRF9160 SiP була розроблена для розробників, щоб «змусити свої стільникові Інтернет речей працювати»; Nordic Thingy:91 описують як «повноцінний готовий шлюз», який можна використовувати як готову платформу для створення прототипів або підтвердження концепції для ранніх розробок продуктів.
Обидва оснащені багаторежимним стільниковим SiP nRF9160 та багатопротокольною короткодіючою SoC nRF52840. За даними Nordic, вбудовані системи, що поєднують ці дві технології для комерційного розгортання Інтернету речей, знаходяться лише за «місяці» від комерціалізації.
У Nordic Nielsen заявили: «Платформа розумного міського освітлення була створена для всіх цих технологій з’єднання; ринок дуже чітко показує, як їх поєднати, ми надали рішення для розробників, щоб перевірити, як вони працюють разом. Їх поєднання в бізнес-рішення є вкрай необхідним, і це лише питання часу».
Час публікації: 29 березня 2022 р.