شهرهای هوشمند متصل، رویاهای زیبایی را به ارمغان می‌آورند. در چنین شهرهایی، فناوری‌های دیجیتال، چندین کارکرد مدنی منحصر به فرد را در هم می‌آمیزند تا کارایی عملیاتی و هوش را بهبود بخشند. تخمین زده می‌شود که تا سال ۲۰۵۰، ۷۰ درصد از جمعیت جهان در شهرهای هوشمند زندگی خواهند کرد، جایی که زندگی سالم، شاد و ایمن خواهد بود. نکته مهم این است که این شهرها نوید سبز بودن را می‌دهند، آخرین برگ برنده بشریت در برابر نابودی سیاره زمین.
اما شهرهای هوشمند کار سختی هستند. فناوری‌های جدید گران هستند، دولت‌های محلی محدود هستند و سیاست‌ها به چرخه‌های انتخاباتی کوتاه‌مدت تغییر می‌کنند و دستیابی به یک مدل استقرار فناوری متمرکز با کارایی بالا و از نظر مالی کارآمد که در مناطق شهری در سطح جهانی یا ملی قابل استفاده مجدد باشد را دشوار می‌کند. در واقع، اکثر شهرهای هوشمند پیشرو در تیتر اخبار، در واقع فقط مجموعه‌ای از آزمایش‌های مختلف فناوری و پروژه‌های جانبی منطقه‌ای هستند و امید چندانی به گسترش آنها وجود ندارد.
بیایید به سطل‌های زباله و پارکینگ‌ها نگاه کنیم که با حسگرها و تجزیه و تحلیل‌ها هوشمند هستند؛ در این زمینه، محاسبه و استانداردسازی بازگشت سرمایه (ROI) دشوار است، به خصوص زمانی که سازمان‌های دولتی بسیار پراکنده هستند (بین سازمان‌های دولتی و خدمات خصوصی، و همچنین بین شهرها، شهرستان‌ها، مناطق و کشورها). به نظارت بر کیفیت هوا نگاه کنید؛ چگونه محاسبه تأثیر هوای پاک بر خدمات بهداشتی در یک شهر آسان است؟ منطقاً، پیاده‌سازی شهرهای هوشمند دشوار است، اما انکار آن نیز دشوار است.
با این حال، کورسوی نوری در مه تغییرات دیجیتال وجود دارد. روشنایی خیابان‌ها در تمام خدمات شهری، بستری را برای شهرها فراهم می‌کند تا به عملکردهای هوشمند دست یابند و برای اولین بار چندین کاربرد را با هم ترکیب کنند. به پروژه‌های مختلف روشنایی خیابان‌های هوشمند که در سن دیگو در ایالات متحده و کپنهاگ در دانمارک اجرا می‌شوند، نگاه کنید، تعداد آنها در حال افزایش است. این پروژه‌ها آرایه‌هایی از حسگرها را با واحدهای سخت‌افزاری مدولار که به تیرهای چراغ برق متصل شده‌اند، ترکیب می‌کنند تا امکان کنترل از راه دور خود روشنایی و اجرای سایر عملکردها، مانند شمارنده‌های ترافیک، مانیتورهای کیفیت هوا و حتی آشکارسازهای اسلحه را فراهم کنند.
از ارتفاع تیر چراغ برق، شهرها شروع به پرداختن به «قابلیت زندگی» شهر در خیابان، از جمله جریان ترافیک و تحرک، آلودگی صوتی و هوا و فرصت‌های تجاری نوظهور کرده‌اند. حتی حسگرهای پارکینگ که به طور سنتی در پارکینگ‌ها دفن می‌شدند، می‌توانند به صورت ارزان و کارآمد به زیرساخت‌های روشنایی متصل شوند. کل شهرها می‌توانند ناگهان بدون کندن خیابان‌ها یا اجاره فضا یا حل مسائل محاسباتی انتزاعی در مورد زندگی سالم‌تر و خیابان‌های امن‌تر، شبکه‌بندی و بهینه شوند.
این امر به این دلیل مؤثر است که در بیشتر موارد، راه‌حل‌های روشنایی هوشمند در ابتدا با شرط‌بندی روی صرفه‌جویی حاصل از راه‌حل‌های هوشمند محاسبه نمی‌شوند. در عوض، امکان‌پذیری انقلاب دیجیتال شهری، پیامد تصادفی توسعه همزمان روشنایی است.
صرفه‌جویی در مصرف انرژی ناشی از جایگزینی لامپ‌های رشته‌ای با روشنایی LED حالت جامد، همراه با منابع تغذیه‌ی در دسترس و زیرساخت‌های گسترده‌ی روشنایی، شهرهای هوشمند را امکان‌پذیر می‌سازد.
سرعت تبدیل به LED در حال حاضر ثابت است و روشنایی هوشمند در حال رونق گرفتن است. به گفته گروه Northeast، تحلیلگر زیرساخت‌های هوشمند، حدود ۹۰ درصد از ۳۶۳ میلیون چراغ خیابانی جهان تا سال ۲۰۲۷ توسط LED روشن خواهند شد. یک سوم از آنها نیز برنامه‌های هوشمند را اجرا خواهند کرد، روندی که چند سال پیش آغاز شد. تا زمانی که بودجه و طرح‌های قابل توجهی منتشر نشود، روشنایی خیابان به عنوان یک زیرساخت شبکه برای فناوری‌های دیجیتال مختلف در شهرهای هوشمند در مقیاس بزرگ مناسب‌تر است.
صرفه جویی در هزینه LED
طبق قوانین کلی که توسط تولیدکنندگان روشنایی و حسگرها پیشنهاد شده است، روشنایی هوشمند می‌تواند هزینه‌های اداری و نگهداری مربوط به زیرساخت‌ها را ۵۰ تا ۷۰ درصد کاهش دهد. اما بیشتر این صرفه‌جویی‌ها (حدود ۵۰ درصد، که برای ایجاد تغییر کافی است) را می‌توان صرفاً با تغییر به لامپ‌های LED کم‌مصرف محقق کرد. بقیه صرفه‌جویی‌ها از اتصال و کنترل روشن‌کننده‌ها و انتقال اطلاعات هوشمند در مورد نحوه عملکرد آنها در شبکه روشنایی حاصل می‌شود.
تنظیمات و مشاهدات متمرکز به تنهایی می‌توانند هزینه‌های تعمیر و نگهداری را به میزان قابل توجهی کاهش دهند. روش‌های زیادی وجود دارد و آنها مکمل یکدیگر هستند: برنامه‌ریزی، کنترل فصلی و تنظیم زمان‌بندی؛ تشخیص خطا و کاهش حضور کامیون‌های تعمیر و نگهداری. این تأثیر با اندازه شبکه روشنایی افزایش می‌یابد و به مورد اولیه بازگشت سرمایه (ROI) بازمی‌گردد. بازار می‌گوید این رویکرد می‌تواند در حدود پنج سال هزینه خود را جبران کند و با گنجاندن مفاهیم شهر هوشمند «نرم‌تر»، مانند آنهایی که دارای حسگرهای پارکینگ، مانیتورهای ترافیک، کنترل کیفیت هوا و آشکارسازهای اسلحه هستند، این پتانسیل را دارد که در زمان کمتری هزینه خود را جبران کند.
گایدهاوس اینسایتس، یک تحلیلگر بازار، بیش از ۲۰۰ شهر را برای سنجش سرعت تغییر رصد می‌کند؛ این موسسه می‌گوید یک چهارم شهرها در حال اجرای طرح‌های روشنایی هوشمند هستند. فروش سیستم‌های هوشمند در حال افزایش است. ABI Research محاسبه کرده است که درآمدهای جهانی تا سال ۲۰۲۶ ده برابر شده و به ۱.۷ میلیارد دلار خواهد رسید. «لحظه روشن شدن چراغ» زمین اینگونه است؛ زیرساخت روشنایی خیابان، که ارتباط نزدیکی با فعالیت‌های انسانی دارد، به عنوان بستری برای شهرهای هوشمند در یک زمینه وسیع‌تر، راه پیش رو است. ABI اعلام کرد که تا اوایل سال ۲۰۲۲، بیش از دو سوم از نصب‌های جدید روشنایی خیابان به یک پلتفرم مدیریت مرکزی برای ادغام داده‌ها از چندین حسگر شهر هوشمند متصل خواهند شد.
آدارش کریشنان، تحلیلگر ارشد ABI Research، گفت: «فرصت‌های تجاری بسیار بیشتری برای فروشندگان شهر هوشمند وجود دارد که با استقرار اتصال بی‌سیم، حسگرهای محیطی و حتی دوربین‌های هوشمند، از زیرساخت‌های تیرهای چراغ برق شهری بهره می‌برند. چالش، یافتن مدل‌های تجاری مناسبی است که جامعه را به استقرار راه‌حل‌های چند حسگری در مقیاس بزرگ و به شیوه‌ای مقرون‌به‌صرفه تشویق کند.»
دیگر سوال این نیست که آیا باید متصل شد یا خیر، بلکه سوال این است که در وهله اول چگونه و چقدر باید متصل شد. همانطور که کریشنان مشاهده می‌کند، بخشی از این موضوع مربوط به مدل‌های کسب‌وکار است، اما پول از طریق خصوصی‌سازی مشارکتی خدمات شهری (PPP) به شهرهای هوشمند سرازیر می‌شود، جایی که شرکت‌های خصوصی در ازای موفقیت در سرمایه‌گذاری خطرپذیر، ریسک مالی را می‌پذیرند. قراردادهای «به عنوان سرویس» مبتنی بر اشتراک، سرمایه‌گذاری را در طول دوره‌های بازپرداخت تقسیم می‌کنند که این امر نیز باعث افزایش فعالیت شده است.
در مقابل، چراغ‌های خیابان در اروپا به شبکه‌های لانه زنبوری سنتی (معمولاً 2G تا LTE (4G)) و همچنین دستگاه استاندارد جدید HONEYCOMB IoT، LTE-M، متصل می‌شوند. فناوری اختصاصی باند فوق باریک (UNB) نیز به همراه Zigbee، طیف کوچکی از بلوتوث کم‌مصرف، و مشتقات IEEE 802.15.4 در حال ورود به عرصه است.
اتحادیه فناوری بلوتوث (SIG) تأکید ویژه‌ای بر شهرهای هوشمند دارد. این گروه پیش‌بینی می‌کند که عرضه بلوتوث کم‌مصرف در شهرهای هوشمند طی پنج سال آینده پنج برابر افزایش یابد و به ۲۳۰ میلیون در سال برسد. بیشتر این بلوتوث‌ها به ردیابی دارایی‌ها در اماکن عمومی مانند فرودگاه‌ها، استادیوم‌ها، بیمارستان‌ها، مراکز خرید و موزه‌ها مرتبط هستند. با این حال، بلوتوث کم‌مصرف همچنین شبکه‌های فضای باز را هدف قرار داده است. اتحادیه فناوری بلوتوث اعلام کرد: «راهکار مدیریت دارایی، استفاده از منابع شهر هوشمند را بهبود می‌بخشد و به کاهش هزینه‌های عملیاتی شهری کمک می‌کند.»
ترکیبی از دو تکنیک بهتر است!
با این حال، هر فناوری اختلافات خود را دارد که برخی از آنها در بحث حل شده‌اند. به عنوان مثال، UNB محدودیت‌های سختگیرانه‌تری را در مورد بار مفید و برنامه‌های تحویل پیشنهاد می‌دهد و پشتیبانی موازی برای کاربردهای حسگر چندگانه یا برای کاربردهایی مانند دوربین‌هایی که به آن نیاز دارند را حذف می‌کند. فناوری برد کوتاه ارزان‌تر است و توان عملیاتی بیشتری را برای توسعه تنظیمات روشنایی به عنوان یک پلتفرم فراهم می‌کند. نکته مهم این است که آنها همچنین می‌توانند در صورت قطع سیگنال WAN نقش پشتیبان را ایفا کنند و وسیله‌ای را برای تکنسین‌ها فراهم کنند تا حسگرها را مستقیماً برای اشکال‌زدایی و تشخیص بخوانند. به عنوان مثال، بلوتوث کم‌مصرف تقریباً با هر تلفن هوشمند موجود در بازار کار می‌کند.
اگرچه یک شبکه متراکم‌تر می‌تواند استحکام را افزایش دهد، اما معماری آن پیچیده می‌شود و تقاضای انرژی بالاتری را برای حسگرهای نقطه به نقطه متصل ایجاد می‌کند. برد انتقال نیز مشکل‌ساز است؛ پوشش با استفاده از Zigbee و بلوتوث کم‌مصرف حداکثر تنها چند صد متر است. اگرچه انواع فناوری‌های برد کوتاه رقابتی هستند و برای حسگرهای مبتنی بر شبکه و در سطح همسایه مناسب هستند، اما آنها شبکه‌های بسته‌ای هستند که در نهایت نیاز به استفاده از دروازه‌ها برای انتقال سیگنال‌ها به ابر دارند.
معمولاً یک اتصال لانه زنبوری در انتها اضافه می‌شود. روند فروشندگان روشنایی هوشمند، استفاده از اتصال لانه زنبوری نقطه به ابر برای ارائه پوشش دروازه یا دستگاه حسگر در فاصله ۵ تا ۱۵ کیلومتر است. فناوری زنبور عسل، برد انتقال وسیع و سادگی را به ارمغان می‌آورد. همچنین، طبق گفته انجمن Hive، این فناوری شبکه آماده و سطح بالاتری از امنیت را فراهم می‌کند.
نیل یانگ، رئیس بخش اینترنت اشیا عمودی در GSMA، نهادی صنعتی که نماینده اپراتورهای شبکه تلفن همراه است، گفت: «اپراتورهای Action... تمام منطقه را پوشش می‌دهند، بنابراین به زیرساخت اضافی برای اتصال دستگاه‌های روشنایی شهری و حسگرها نیاز ندارند. در طیف فرکانسی دارای مجوز، شبکه لانه زنبوری دارای ایمنی و قابلیت اطمینان است، به این معنی که اپراتور بهترین شرایط را دارد، می‌تواند از تعداد زیادی از نیازها، عمر باتری بسیار طولانی‌تر و حداقل نگهداری و مسافت انتقال طولانی تجهیزات کم‌هزینه پشتیبانی کند.»
طبق گزارش ABI، از بین تمام فناوری‌های ارتباطی موجود، HONEYCOMB بیشترین رشد را در سال‌های آینده خواهد داشت. هیاهوی شبکه‌های 5G و تلاش برای میزبانی زیرساخت‌های 5G، اپراتورها را بر آن داشته است تا تیرهای چراغ برق را بردارند و واحدهای کوچک لانه زنبوری را در محیط‌های شهری پر کنند. در ایالات متحده، لاس وگاس و ساکرامنتو از طریق اپراتورهای AT&T و Verizon در حال استقرار LTE و 5G و همچنین حسگرهای شهر هوشمند در چراغ‌های خیابان هستند. هنگ کنگ به تازگی از طرحی برای نصب 400 تیر چراغ برق مجهز به 5G به عنوان بخشی از ابتکار عمل شهر هوشمند خود رونمایی کرده است.
ادغام دقیق سخت‌افزار
نیلسن افزود: «نوردیک محصولات چند حالته برد کوتاه و بلند ارائه می‌دهد و nRF52840 SoC آن از بلوتوث کم‌مصرف، بلوتوث مش و Zigbee و همچنین Thread و سیستم‌های اختصاصی ۲.۴ گیگاهرتزی پشتیبانی می‌کند. nRF9160 SiP مبتنی بر Honeycomb نوردیک از LTE-M و NB-iot پشتیبانی می‌کند. ترکیب این دو فناوری، مزایای عملکرد و هزینه را به همراه دارد.»
جداسازی فرکانس به این سیستم‌ها اجازه می‌دهد تا در کنار هم وجود داشته باشند، به طوری که اولی در باند ۲.۴ گیگاهرتز بدون نیاز به مجوز اجرا می‌شود و دومی در هر جایی که LTE قرار دارد، اجرا می‌شود. در فرکانس‌های پایین‌تر و بالاتر، بین پوشش منطقه‌ای وسیع‌تر و ظرفیت انتقال بیشتر، بده‌بستان وجود دارد. اما در پلتفرم‌های روشنایی، معمولاً از فناوری بی‌سیم کوتاه‌برد برای اتصال حسگرها، از توان محاسباتی لبه برای مشاهده و تجزیه و تحلیل و از اینترنت اشیا لانه زنبوری برای ارسال داده‌ها به فضای ابری و همچنین کنترل حسگر برای سطوح بالاتر نگهداری استفاده می‌شود.
تاکنون، جفت رادیوهای برد کوتاه و برد بلند به طور جداگانه اضافه شده‌اند و در یک تراشه سیلیکونی واحد تعبیه نشده‌اند. در برخی موارد، اجزا از هم جدا شده‌اند زیرا خرابی‌های چراغ، حسگر و رادیو همگی متفاوت هستند. با این حال، ادغام رادیوهای دوگانه در یک سیستم واحد منجر به ادغام نزدیک‌تر فناوری و کاهش هزینه‌های خرید خواهد شد که از ملاحظات کلیدی برای شهرهای هوشمند هستند.
نوردیک معتقد است که بازار در این جهت حرکت می‌کند. این شرکت فناوری‌های اتصال بی‌سیم کوتاه‌برد و لانه زنبوری اینترنت اشیا را در سطح توسعه‌دهنده در سخت‌افزار و نرم‌افزار ادغام کرده است تا تولیدکنندگان راهکار بتوانند این دو را به‌طور همزمان در برنامه‌های آزمایشی اجرا کنند. برد DK نوردیک برای nRF9160 SiP برای توسعه‌دهندگان طراحی شده است تا «برنامه‌های لانه زنبوری اینترنت اشیا خود را به کار بیندازند». نوردیک تینگی:91 به عنوان یک «دروازه آماده و کامل» توصیف شده است که می‌تواند به عنوان یک پلتفرم نمونه‌سازی آماده یا اثبات مفهوم برای طرح‌های اولیه محصول مورد استفاده قرار گیرد.
هر دو دارای تراشه لانه زنبوری چند حالته nRF9160 SiP و تراشه چند پروتکلی برد کوتاه nRF52840 SoC هستند. به گفته نوردیک، سیستم‌های تعبیه‌شده‌ای که این دو فناوری را برای استقرار تجاری اینترنت اشیا ترکیب می‌کنند، تنها «ماه‌ها» تا تجاری‌سازی فاصله دارند.
نوردیک نیلسن گفت: «پلتفرم روشنایی شهر هوشمند، تمام این فناوری‌های ارتباطی را راه‌اندازی کرده است؛ بازار به وضوح می‌داند که چگونه آنها را با هم ترکیب کند، ما راه‌حل‌هایی را برای هیئت توسعه تولیدکنندگان ارائه داده‌ایم تا نحوه همکاری آنها را آزمایش کنیم. ترکیب آنها در راه‌حل‌های تجاری، امری ضروری است و تنها در عرض چند دقیقه امکان‌پذیر خواهد بود.»
زمان ارسال: ۲۹ مارس ۲۰۲۲