Sammankopplade smarta städer ger upphov till vackra drömmar. I sådana städer väver digital teknik samman flera unika samhällsfunktioner för att förbättra driftseffektivitet och intelligens. Det uppskattas att 70 % av världens befolkning år 2050 kommer att bo i smarta städer, där livet kommer att vara hälsosamt, lyckligt och säkert. Avgörande är att det lovar att vara grönt, mänsklighetens sista trumfkort mot planetens förstörelse.
Men smarta städer är hårt arbete. Ny teknik är dyr, lokala myndigheter är begränsade och politiken skiftar till korta valcykler, vilket gör det svårt att uppnå en mycket operativ och ekonomiskt effektiv centraliserad teknikdistributionsmodell som återanvänds i stadsområden globalt eller nationellt. Faktum är att de flesta av de ledande smarta städerna i rubrikerna egentligen bara är en samling olika teknikexperiment och regionala sidoprojekt, med lite att se fram emot att expandera.
Låt oss titta på containrar och parkeringsplatser, som är smarta med sensorer och analyser. I detta sammanhang är avkastning på investeringen (ROI) svår att beräkna och standardisera, särskilt när myndigheter är så fragmenterade (mellan offentliga myndigheter och privata tjänster, samt mellan städer, regioner och länder). Titta på luftkvalitetsövervakning. Hur är det enkelt att beräkna effekten av ren luft på hälso- och sjukvården i en stad? Logiskt sett är smarta städer svåra att implementera, men också svåra att förneka.
Det finns dock en ljusglimt i den digitala förändringens dimma. Gatubelysning i alla kommunala tjänster ger städer en plattform att skaffa smarta funktioner och kombinera flera applikationer för första gången. Titta på de olika smarta gatubelysningsprojekten som implementeras i San Diego i USA och Köpenhamn i Danmark, och de ökar i antal. Dessa projekt kombinerar sensoruppsättningar med modulära hårdvaruenheter fästa vid lyktstolpar för att möjliggöra fjärrstyrning av själva belysningen och för att driva andra funktioner, såsom trafikräknare, luftkvalitetsmonitorer och till och med vapendetektorer.
Från lyktstolpens höjdpunkt har städer börjat ta itu med stadens "levnadsvänlighet" på gatan, inklusive trafikflöde och mobilitet, buller och luftföroreningar samt nya affärsmöjligheter. Även parkeringssensorer, traditionellt nedgrävda på parkeringsplatser, kan billigt och effektivt anslutas till belysningsinfrastrukturen. Hela städer kan plötsligt nätverkas och optimeras utan att gräva upp gator eller hyra utrymme eller lösa abstrakta beräkningsproblem om hälsosammare boende och säkrare gator.
Detta fungerar eftersom smarta belysningslösningar för det mesta inte initialt beräknas med en satsning på besparingar från smarta lösningar. Istället är den urbana digitala revolutionens livskraft en oavsiktlig konsekvens av den samtidiga utvecklingen av belysning.
Energibesparingarna från att ersätta glödlampor med LED-belysning i fast form, tillsammans med lättillgängliga strömförsörjningar och omfattande belysningsinfrastruktur, gör smarta städer möjliga.
Takten för LED-konverteringen är redan oförändrad och smart belysning ökar kraftigt. Omkring 90 % av världens 363 miljoner gatubelysningar kommer att vara upplysta av LED-lampor år 2027, enligt Northeast Group, en analytiker inom smart infrastruktur. En tredjedel av dem kommer också att köra smarta applikationer, en trend som började för några år sedan. Tills dess att betydande finansiering och ritningar publiceras är gatubelysning bäst lämpad som nätverksinfrastruktur för olika digitala tekniker i storskaliga smarta städer.
Spara LED-kostnader
Enligt tumregler som föreslås av belysnings- och sensortillverkare kan smart belysning minska infrastrukturrelaterade administrativa och underhållskostnader med 50 till 70 procent. Men de flesta av dessa besparingar (cirka 50 procent, tillräckligt för att göra skillnad) skulle kunna realiseras genom att helt enkelt byta till energieffektiva LED-lampor. Resten av besparingarna kommer från att ansluta och styra belysningsarmaturer och skicka intelligent information om hur de fungerar över belysningsnätverket.
Centraliserade justeringar och observationer kan ensamma minska underhållskostnaderna avsevärt. Det finns många sätt, och de kompletterar varandra: schemaläggning, säsongsstyrning och tidsjustering; feldiagnos och minskad närvaro från underhållsbilar. Effekten ökar med storleken på belysningsnätverket och återspeglas i det ursprungliga avkastningsfallet. Marknaden säger att denna metod kan betala sig själv på cirka fem år och har potential att betala sig själv på kortare tid genom att införliva "mjukare" smarta stadskoncept, såsom de med parkeringssensorer, trafikövervakning, luftkvalitetskontroll och vapendetektorer.
Marknadsanalytikern Guidehouse Insights följer fler än 200 städer för att mäta förändringstakten. De säger att en fjärdedel av städerna rullar ut smarta belysningssystem. Försäljningen av smarta system skjuter i höjden. ABI Research beräknar att de globala intäkterna kommer att tiodubblas till 1,7 miljarder dollar år 2026. Jordens "glödlampsögonblick" ser ut så här: Gatubelysningsinfrastruktur, som är nära relaterad till mänskliga aktiviteter, är vägen framåt som en plattform för smarta städer i ett bredare sammanhang. Redan 2022 kommer mer än två tredjedelar av nya gatubelysningsinstallationer att vara kopplade till en central hanteringsplattform för att integrera data från flera smarta stadssensorer, säger ABI.
Adarsh Krishnan, chefsanalytiker på ABI Research, sa: ”Det finns många fler affärsmöjligheter för leverantörer av smarta städer som utnyttjar urban belysningsstolpeinfrastruktur genom att distribuera trådlös anslutning, miljösensorer och till och med smarta kameror. Utmaningen är att hitta hållbara affärsmodeller som uppmuntrar samhället att distribuera multisensorlösningar i stor skala på ett kostnadseffektivt sätt.”
Frågan är inte längre om man ska ansluta, utan hur och hur mycket man ska ansluta från början. Som Krishnan observerar handlar en del av detta om affärsmodeller, men pengar flödar redan in i smarta städer genom kooperativ privatisering av allmännyttiga tjänster (PPP), där privata företag tar på sig finansiell risk i utbyte mot framgång inom riskkapital. Prenumerationsbaserade "as-a-service"-kontrakt sprider investeringar över återbetalningsperioder, vilket också stimulerade aktiviteten.
Däremot ansluts gatubelysning i Europa till traditionella bikakebaserade nätverk (vanligtvis 2G upp till LTE (4G)) såväl som den nya HONEYCOMB IoT-standardenheten, LTE-M. Egenutvecklad ultrasmalbandsteknik (UNB) kommer också in i bilden, tillsammans med Zigbee, en liten variant av Low-Power Bluetooth, och IEEE 802.15.4-derivat.
Bluetooth Technology Alliance (SIG) lägger särskild vikt vid smarta städer. Gruppen förutspår att leveranserna av strömsnål Bluetooth i smarta städer kommer att femfaldigas under de kommande fem åren, till 230 miljoner per år. De flesta är kopplade till spårning av tillgångar på offentliga platser, såsom flygplatser, arenor, sjukhus, köpcentra och museer. Lågströms Bluetooth riktar sig dock även till utomhusnätverk. ”Lösningen för tillgångshantering förbättrar utnyttjandet av smarta stadsresurser och bidrar till att minska städernas driftskostnader”, säger Bluetooth Technology Alliance.
En kombination av de två teknikerna är bättre!
Varje teknik har dock sina kontroverser, av vilka några har lösts i debatt. Till exempel föreslår UNB strängare gränser för nyttolast och leveransscheman, och utesluter parallellt stöd för flera sensorapplikationer eller för applikationer som kameror som kräver det. Kortdistansteknik är billigare och ger större dataflöde för att utveckla inställningar för belysning som en plattform. Viktigt är att de också kan spela en reservroll vid WAN-signalavbrott och ge tekniker ett sätt att läsa av sensorer direkt för felsökning och diagnostik. Bluetooth med låg strömförbrukning fungerar till exempel med nästan alla smartphones på marknaden.
Även om ett tätare nät kan öka robustheten, blir dess arkitektur komplex och ställer högre energikrav på sammankopplade punkt-till-punkt-sensorer. Överföringsräckvidden är också problematisk; täckningen med Zigbee och Bluetooth med låg strömförbrukning är bara några hundra meter som mest. Även om en mängd olika kortdistanstekniker är konkurrenskraftiga och väl lämpade för nätbaserade sensorer som täcker hela grannskapet, är de slutna nätverk som i slutändan kräver användning av gateways för att överföra signaler tillbaka till molnet.
En bikakeanslutning läggs vanligtvis till i slutet. Trenden för leverantörer av smart belysning är att använda punkt-till-moln-bikakeanslutning för att ge täckning av gateways eller sensorer på 5 till 15 km. Beehive-tekniken ger stor överföringsräckvidd och enkelhet; den erbjuder också färdiga nätverk och en högre säkerhetsnivå, enligt Hive-communityn.
Neill Young, chef för Internet of Things Vertical på GSMA, en branschorganisation som representerar mobiloperatörer, sa: ”Operatörernas åtgärder… har täckning av hela området och kräver därför ingen ytterligare infrastruktur för att ansluta stadsbelysningsenheter och sensorer. Inom det licensierade spektrumet har bikakenätet säkerhet och tillförlitlighet, vilket innebär att operatören har de bästa förutsättningarna, kan stödja ett stort antal behov, en mycket längre batteritid och minimalt underhåll samt långa överföringsavstånd för billig utrustning.”
Av alla tillgängliga anslutningstekniker kommer HONEYCOMB att se den största tillväxten under de kommande åren, enligt ABI. Uppståndelsen kring 5G-nätverk och kampen om att få 5G-infrastruktur har fått operatörer att ta över lyktstolparna och bygga små bikakeformade enheter i stadsmiljöer. I USA distribuerar Las Vegas och Sacramento LTE och 5G, såväl som smarta stadssensorer, på gatubelysning genom operatörerna AT&T och Verizon. Hongkong har just presenterat en plan för att installera 400 5G-aktiverade lyktstolpar som en del av sitt smarta stadsinitiativ.
Tät integration av hårdvara
Nielsen tillade: ”Nordic erbjuder multimodala produkter för både kort och lång räckvidd, med sin nRF52840 SoC som stöder Bluetooth med låg strömförbrukning, Bluetooth Mesh och Zigbee, samt Thread och egna 2,4 GHz-system. Nordics Honeycomb-baserade nRF9160 SiP erbjuder stöd för både LTE-M och NB-IoT. Kombinationen av de två teknikerna ger prestanda- och kostnadsfördelar.”
Frekvensseparation gör att dessa system kan samexistera, där det förra körs i det tillståndsfria 2,4 GHz-bandet och det senare körs varhelst LTE finns. Vid lägre och högre frekvenser finns det en avvägning mellan bredare täckningsområde och större överföringskapacitet. Men i belysningsplattformar används vanligtvis trådlös teknik med kort räckvidd för att sammankoppla sensorer, kantberäkningskraft används för observation och analys, och honeycomb IoT används för att skicka data tillbaka till molnet, samt sensorstyrning för högre underhållsnivåer.
Hittills har paret av kortdistans- och långdistansradioapparater lagts till separat, inte byggts in i samma kiselchip. I vissa fall är komponenterna separerade eftersom felen hos belysningsinstrumentet, sensorn och radioapparaten alla är olika. Att integrera dubbla radioapparater i ett enda system kommer dock att resultera i närmare teknikintegration och lägre anskaffningskostnader, vilket är viktiga överväganden för smarta städer.
Nordic tror att marknaden rör sig i den riktningen. Företaget har integrerat trådlösa kortdistans- och honeycomb-IoT-anslutningstekniker i hårdvara och mjukvara på utvecklarnivå så att lösningstillverkare kan köra paret samtidigt i testapplikationer. Nordics kort DK för nRF9160 SiP designades för att utvecklare skulle kunna "få sina Honeycomb IoT-applikationer att fungera"; Nordic Thingy:91 har beskrivits som en "fullfjädrad färdig gateway" som kan användas som en färdig prototypplattform eller proof-of-concept för tidiga produktdesigner.
Båda har en multimodal honeycomb-processor av typen nRF9160 SiP och en multiprotokollbaserad nRF52840 SoC med kort räckvidd. Inbyggda system som kombinerar de två teknikerna för kommersiella IoT-distributioner är bara "månader" från kommersialisering, enligt Nordic.
Nordic Nielsen sa: ”En smart stadsbelysningsplattform har etablerats för att skapa alla dessa anslutningstekniker. Marknaden har mycket tydliga kunskaper om hur man kombinerar dem. Vi har tillhandahållit lösningar för tillverkares utvecklingsplattformar för att testa hur de fungerar tillsammans. Att de kombineras till affärslösningar är absolut nödvändigt, på bara en tidsfråga.”
Publiceringstid: 29 mars 2022