路燈為互連智慧城市提供理想平臺(tái)，為雙模式物聯(lián)網(wǎng)的連線支援推動(dòng)轉(zhuǎn)變。

互連智慧城市帶來了美好的夢(mèng)想。在這樣的城市中，數(shù)位技術(shù)將多種獨(dú)特的市政功能交織，以提高營(yíng)運(yùn)的效率和智慧水準(zhǔn)。預(yù)計(jì)2050年全球70%人口將會(huì)居於智慧城市，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(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保，這是人類阻止地球受破壞的最後一張王牌。

然而，智慧城市是艱鉅的工程。新技術(shù)價(jià)格昂貴，地方政府拮據(jù)，政治轉(zhuǎn)向短期選舉週期，因此難以實(shí)現(xiàn)高營(yíng)運(yùn)和財(cái)務(wù)效率的集中式技術(shù)部署模式 （該模式在全球或各國(guó)範(fàn)圍的城市區(qū)域中重複使用）。事實(shí)上，在新聞標(biāo)題中排名前十的大多數(shù)領(lǐng)先智慧城市其實(shí)只是集合了各種不同的技術(shù)試驗(yàn)和地區(qū)副專案，看起來沒有什麼可以擴(kuò)展之處。

讓我們看看垃圾箱和停車場(chǎng)，它們憑藉感測(cè)器實(shí)現(xiàn)智慧化，還具有分析功能；在這種情況下，投資報(bào)酬率（ROI）很難計(jì)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(guó)家之間）。看看一下空氣品質(zhì)監(jiān)測(cè)；在一個(gè)城市中，如何輕易計(jì)算出清潔空氣對(duì)衛(wèi)生服務(wù)的影響？從邏輯上說，智慧城市很難實(shí)施，但也很難否定。

然而，在數(shù)位化變革的迷霧中透出一點(diǎn)亮光。所有市政服務(wù)中的路燈都提供了一個(gè)平臺(tái)，可讓城市首次獲得智慧功能並聯(lián)合使用多種應(yīng)用程式。看看在美國(guó)聖地牙哥和丹麥哥本哈根實(shí)施的各種智慧路燈項(xiàng)目，它們的數(shù)量在不斷增加。這些項(xiàng)目將感測(cè)器陣列與固定在燈桿上的模組化硬體單元結(jié)合在一起，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)照明設(shè)備本身的遠(yuǎn)端控制，並且具有運(yùn)行其他功能，例如交通計(jì)數(shù)器、空氣品質(zhì)監(jiān)測(cè)器，甚至是槍擊檢測(cè)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(dòng)性、噪音和空氣污染以及新興的商業(yè)機(jī)會(huì)。即使是傳統(tǒng)上埋在停車場(chǎng)中的停車感測(cè)器，也可以便宜有效地連接到照明基礎(chǔ)設(shè)施。整個(gè)城市可以突然之間進(jìn)行網(wǎng)路化和最佳化，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(jì)算問題。

這種方案之所以可行，是因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)情況下，智慧照明解決方案的計(jì)算一開始並非押注在智慧解決方案所帶來的節(jié)約。相反地，城市數(shù)位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。

圖1 : 預(yù)估到2027年，全球3.63億盞路燈中，約90%將使用LED照明，而其中三分之一也將運(yùn)行智慧應(yīng)用程式。（source：Sierra Wireless） （3×3）

LED轉(zhuǎn)換的步伐已經(jīng)平順了，智慧照明的發(fā)展趨勢(shì)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(yùn)行智慧應(yīng)用程式，這種趨勢(shì)從幾年前就開始了。在獲得大量款項(xiàng)和公佈發(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)位技術(shù)的網(wǎng)路基礎(chǔ)設(shè)施。

節(jié)省LED成本

根據(jù)照明和感測(cè)器製造商提出的經(jīng)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)其中的大部分節(jié)約（大約50%，足以改變局面）。其餘的節(jié)約來自連接和控制照明器，以及在整個(gè)照明網(wǎng)路中傳遞有關(guān)其工作狀態(tài)的智慧資訊。

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，並且相輔相成：排程、季節(jié)性控制和調(diào)整時(shí)間；故障診斷和減少維修卡車出勤。其影響隨著照明網(wǎng)路的規(guī)模而增加，並流回到初始的投資回報(bào)案例中。市場(chǎng)表示這種方式可以在大約五年內(nèi)收回成本，並且通過整合「更軟」的智慧城市概念（例如那些停車感測(cè)器、交通監(jiān)控器、空氣品質(zhì)控制和槍擊檢測(cè)器），有潛力在更短時(shí)間內(nèi)收回成本。

市場(chǎng)分析機(jī)構(gòu)Guidehouse Insights追蹤研究了200多個(gè)城市，以評(píng)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(jì)畫。智慧系統(tǒng)的銷售飛速增長(zhǎng)。市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)ABI Research則計(jì)算得出，到2026年全球營(yíng)收將會(huì)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(dòng)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(tái)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(tái)綁定，以整合來自多個(gè)智慧城市感測(cè)器的資料。

圖2 : 與人類活動(dòng)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(tái)的前進(jìn)之路。（source：we-goc.org）

ABI Research首席分析師Adarsh Krishnan表示：「憑藉配置無線連接、環(huán)境感測(cè)器甚至是智慧相機(jī)，利用城市燈桿基礎(chǔ)設(shè)施的智慧城市供應(yīng)商還有更多的商業(yè)機(jī)會(huì)。挑戰(zhàn)在於找到可行的業(yè)務(wù)模式，鼓勵(lì)社會(huì)以高成本效益的方式大規(guī)模地部署多感測(cè)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)於商業(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(yíng)化（PPP）方式流入智慧城市領(lǐng)域，私人企業(yè)承擔(dān)了財(cái)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)，以換取在風(fēng)險(xiǎn)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(dòng)。

但是，智慧城市的問題也與技術(shù)的選擇有關(guān)。在覆蓋範(fàn)圍、傳輸量和安全性方面，不同的應(yīng)用程式提出了不同的要求。街道照明圍繞不同市場(chǎng)的不同技術(shù)而發(fā)展。根據(jù)ABI資料，在美國(guó)，基於Zigbee的短距離網(wǎng)狀網(wǎng)路是智慧電錶的中堅(jiān)，具有80%佔(zhàn)有率。相同的公用事業(yè)公司也擁有大部分公共照明網(wǎng)路，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)範(fàn)，目前正在重新設(shè)計(jì)，以便用於照明領(lǐng)域。

相比之下，歐洲的路燈正在與傳統(tǒng)的蜂巢網(wǎng)路（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)牙的少量散佈和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(cè)，未來五年智慧城市領(lǐng)域的低功耗藍(lán)牙出貨量將會(huì)增長(zhǎng)五倍，每年達(dá)到2.3億個(gè)。大多數(shù)都與公共場(chǎng)所中的資產(chǎn)追蹤相關(guān)聯(lián)，例如機(jī)場(chǎng)、體育場(chǎng)、醫(yī)院、購(gòu)物中心和博物館。不過，低功耗藍(lán)牙也瞄準(zhǔn)了戶外網(wǎng)路。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，有助於降低城市營(yíng)運(yùn)成本。」

結(jié)合使用兩種技術(shù)更好

每種技術(shù)都有爭(zhēng)議，然而，其中某些爭(zhēng)議已在辯論中化解了。例如，UNB對(duì)有效載荷和交期時(shí)間表提出了更嚴(yán)格的限制，排除了對(duì)於多個(gè)感測(cè)器應(yīng)用程式或?qū)φ障鄼C(jī)等有需要的應(yīng)用程式的並行支援。短距離技術(shù)更便宜，並且為開發(fā)「照明即平臺(tái)」（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(hào)斷線的情況下發(fā)揮備援作用，並為技術(shù)人員提供了直接讀取感測(cè)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(chǎng)上幾乎所有的智慧手機(jī)配合操作。

儘管更密集的網(wǎng)格可以增強(qiáng)穩(wěn)固性，但其體系結(jié)構(gòu)變得複雜，並且對(duì)互連的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)感測(cè)器提出了更高的能源要求。傳輸範(fàn)圍也有問題；使用Zigbee和低功耗藍(lán)牙的覆蓋範(fàn)圍最多只有數(shù)百公尺。儘管多種短距離技術(shù)均有競(jìng)爭(zhēng)能力，並且非常適合網(wǎng)格化鄰域範(fàn)圍的感測(cè)器，但它們是封閉的網(wǎng)路，最終需要使用閘道器來將訊號(hào)傳回雲(yún)端。

最後通常會(huì)加入蜂巢連接。智慧照明供應(yīng)商的發(fā)展趨勢(shì)是採(cǎi)用點(diǎn)到雲(yún)端蜂巢連接，提供5到15公里的距離閘道或感測(cè)器設(shè)備覆蓋範(fàn)圍。蜂巢技術(shù)帶來了大傳輸範(fàn)圍和簡(jiǎn)單性；根據(jù)蜂巢社群說法，它還提供了現(xiàn)成的網(wǎng)路和更高等級(jí)的安全性。

GSMA是代表行動(dòng)網(wǎng)路營(yíng)運(yùn)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(dòng)營(yíng)運(yùn)商...擁有整個(gè)城區(qū)的全部覆蓋範(fàn)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感測(cè)器。在許可頻譜的蜂巢網(wǎng)路具有安全性和可靠性，意味著營(yíng)運(yùn)商具有最佳條件，可支援大量需要較長(zhǎng)電池壽命、最少維護(hù)和長(zhǎng)傳輸距離的低成本設(shè)備。」

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(zhǎng)。5G網(wǎng)路的聲勢(shì)和託管5G基礎(chǔ)設(shè)施的爭(zhēng)奪，促使?fàn)I運(yùn)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(guó)，拉斯維加斯和沙加緬度正通過營(yíng)運(yùn)商AT&T和Verizon在路燈上部署LTE和5G，以及智慧城市感測(cè)器。香港剛剛公佈了一項(xiàng)計(jì)畫，將安裝400個(gè)支持5G的燈柱，作為智慧城市計(jì)畫的一部分。

但是LTE和5G則適用於一些較為稀少的智慧城市案例，這些案例需要更高的傳輸量和更低的延遲，例如高解析度攝影機(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(gè)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(tái)和智慧城市中的其他地方發(fā)揮強(qiáng)大的作用，作為低速感測(cè)器的一部分，可以帶來有關(guān)城市功能和環(huán)境狀況的智慧資訊。

短距離無線低功耗蜂巢物聯(lián)網(wǎng)解決方案供應(yīng)商N(yùn)ordic Semiconductor技術(shù)長(zhǎng)Svein-Egil Nielsen表示：「解決方案是將價(jià)格不貴但範(fàn)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、空氣品質(zhì)和溫度、振動(dòng)和噪音等資料就可以通過安全且強(qiáng)大的蜂巢網(wǎng)路從感測(cè)器網(wǎng)路傳輸?shù)诫?yún)端。」

硬體的緊密整合

Nielsen補(bǔ)充表示：「Nordic提供多模式的短程和遠(yuǎn)端產(chǎn)品，其nRF52840 SoC支援低功耗藍(lán)牙、藍(lán)牙Mesh和Zigbee，以及Thread和專有2.4GHz系統(tǒng)。Nordic基於蜂巢的nRF9160 SiP同時(shí)提供LTE-M和NB-IoT支援。兩種技術(shù)的結(jié)合帶來了性能和成本方面的優(yōu)勢(shì)。」

頻率分離使得這些系統(tǒng)可以共存，前者運(yùn)行在免許可的2.4 GHz頻帶中，後者則運(yùn)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)域覆蓋範(fàn)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(tái)中，通常將短距離無線技術(shù)用於互連感測(cè)器，邊緣計(jì)算能力用於觀察分析，而蜂巢物聯(lián)網(wǎng)則用於回傳資料到雲(yún)端，以及用於更高維護(hù)水準(zhǔn)的感測(cè)器控制。

到目前為止，這一對(duì)短程和遠(yuǎn)端無線電是分別加入的，它們?cè)谏a(chǎn)時(shí)並非嵌入到同一塊矽晶片中。有些元件分開的情況，是因?yàn)檎彰髌鳌⒏袦y(cè)器和無線電的故障均不相同。然而，將雙無線電整合到單個(gè)系統(tǒng)中將帶來更緊密的技術(shù)整合和更低的購(gòu)置成本，這些是智慧城市的主要考慮因素。

Nordic認(rèn)為市場(chǎng)正朝著這個(gè)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)合在硬體和軟體中，以便使得解決方案製造商可以在測(cè)試應(yīng)用程式中同時(shí)運(yùn)行這對(duì)技術(shù)。Nordic用於nRF9160 SiP的單板DK是為開發(fā)人員而設(shè)計(jì)的，以便「使其蜂巢物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程式正常工作」；Nordic Thingy:91被描述為「成熟的現(xiàn)成閘道」，可作為現(xiàn)成的原型平臺(tái)或早期產(chǎn)品設(shè)計(jì)的概念驗(yàn)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)合在一起並且用於商業(yè)IoT部署的嵌入式系統(tǒng)，距離商業(yè)化僅「幾個(gè)月」時(shí)間。

Nordic的Nielsen表示：「智慧城市照明平臺(tái)已經(jīng)集合了所有這些連接技術(shù)；市場(chǎng)非常清楚地表明了要將它們組合在一起，我們已經(jīng)為解決方案製造商提供了開發(fā)板，以測(cè)試它們?nèi)绾喂餐\(yùn)作。將它們結(jié)合到商業(yè)解決方案中已經(jīng)是勢(shì)在必行，只是時(shí)間問題。」

**刊頭圖 （source：Wipro Lighting）