照亮智慧城市：智慧路燈設計師的主要考慮因素

SiliconLabs 2022-05-05 17:00

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憑借額外的無線連接和雙向通信，智慧燈桿是一個可擴展的物聯網網絡平臺，提供照明以外的多種解決方案。而Wi-SUN很可能是關鍵技術。

智慧燈桿是當前業內一個重要的話題，國內很多城市都在重新換裝或者在新區直接安裝智慧路燈，盡管在這個熱潮中人們談論很多的是在燈桿的“桿“上加裝掛載5G宏基站/微基站、Wi-Fi熱點和顯示屏等全新的外設，但是智慧燈桿在回歸到”燈“這一過程中，依然存在著許多創新的機會。新的LED路燈和Wi-SUN這樣基于IPv6的物聯網技術，正在支撐城市的公共照明創新改革，包括降本增效、“路燈下的新生活“和連接其他傳感器等增值服務。

一座文明發達的城市離不開路燈。路燈不但增強安全性，提高市民的人身安全，也延長戶外活動的時間。然而整個城市的路燈運行和維護成本往往也十分高昂，根據世界銀行（World Bank）的數據資料，基于傳統技術的現有傳統路燈系統可能占城市電力消耗的65%，而且需要昂貴的維護費用。另外從減少碳排放的角度來看，在為不夜城提供基本服務的同時，此類不必要的能源消耗會增加大氣中二氧化碳的排放量，這種浪費對財政的影響是相當可觀的。

由于 LED 照明可以節省高達 70% 的能源，許多市政當局現正采取措施以LED 替代白熾燈泡，增加它們在住宅、公共和商業場所的使用比例。LED燈的使用壽命通常長達 20 年，因而LED燈的投資回報率非常可觀，但其較長的使用壽命也促使新的商業模式浮現，包括通過控制器和傳感器增強能源服務。

除了更高效、更長效的照明，智慧燈桿上的LED照明還可以為城市帶來增值服務。LED街燈可以根據不同的節日、節氣和區域，通過物聯網連接進行亮度和顏色的可編程控制，如在春節和國慶這樣的節日里，城市或者社區廣場可以設定特別的照明方案，并可以用廣場照明來表演伴隨音樂的燈光秀，這對國內的許多城市是富有吸引力的。

當連接到全市網絡時，智能化的主要目的是啟用單一應用程序—路燈管理。智慧路燈系統能實現可調節的照明策略，例如日光照明，能符合本地化需求，并通過優化使用實現節能。通過提供異常檢測和故障警報，這實現了操作透明度和預測性維護的潛力，從而將智慧燈桿的管理成本降到最低。

第三、智慧街燈的功能性也在日趨凸顯。通過額外的無線連接和雙向通信，照明可以成為一個可擴展的物聯網保護傘，也適用于照明之外的其它眾多智慧城市解決方案，例如二氧化碳等環境傳感器、公共Wi-Fi、噪聲監測、智慧停車，甚至槍聲檢測和其他應急管理。將路燈連接到中央管理系統(CMS) 就可以接收實時信息，并在多個城市部門之間實現數據共享。

智慧燈桿需要多元化數據連接

由于智慧燈桿在“燈“與”桿“的功能上都會越來越強大，因此智慧燈桿需要多元化的連接，包括用于5G和Wi-Fi等公共通信服務的寬帶（光纖）連接，以及用于控制路燈和連接傳感器的物聯網連接。從物聯網連接來看，智慧路燈系統需要實時運行并快速適應不斷變化的環境條件，因此它們需要可擴展、安全、可靠、低延遲、遠距離、高吞吐量和雙向連接：任何連接中斷都會造成負面影響。

智慧照明的關鍵是全方位設計：了解城市特定的環境照明要求，城市的長期目標，以及對使用情況和能源消耗的可視化需求。在智慧城市生態系統中，當您從使用離散的、分立的產品轉向產品系統，再從產品系統轉向所有連接在一起的系統體系時，重要的是要確保交付給市場的硬件是經過數字化的，并且能在未來彼此交互通信。

智慧燈桿已經成為了一個完整的物聯網平臺！為了先進、可靠和便捷的物聯網技術來連接路燈，每個燈具都需安裝一個無線控制器，該控制器與管理應用程序進行通信。在開發由無線節點組成的端到端智慧 LED 路燈和燈桿控制解決方案時，系統集成商和提供功能組件的原始設備制造商（OEM）會在物聯網開發平臺中考慮以下要素：

互操作性和可擴展性

在選擇網絡拓撲和協議時，互操作性和可擴展性是最重要的。在網狀網絡中，路燈控制器通過自行配置和自我修復的網絡執行彼此之間和與網關之間的相互通信。網關負責將通信路由到 CMS。添加更多設備會創建多個通信路徑，確保沒有單點故障并加強網絡。在點對點網絡中，節點通過蜂窩網絡直接與 CMS 通信，相較于其他方式，在關鍵性任務環境中可以有較少的冗余作業。

Wi-SUN是一種領先的IPv6 sub-GHz 網狀網絡技術，可用于智慧城市和智能公用事業應用，它代表“無線智能無處不在的網絡”。由于它是大型的室外物聯網無線通信網絡在各種應用中的理想選擇，倫敦金融城（Cityof London）最近更換照明引進Wi-SUN，其緣由是它提供額外的功能使環境監測等新項目非常具有吸引力 .

一旦路燈部署完成，傳感器節點應用程序就可以讓路燈在任何情況下進行作業。這意味著可以將傳感器應用擴展到任意數量的應用層面上，這取決于城市追求的是何種目標，以及他們希望如何部署在哪些新興應用上。 Wi-SUN 是一種面向未來的、可擴展的選項，為城市提供了一種可以在30-40 年內擴展其解決方案的方法。

靈活性

智慧照明部署后也應該保持靈活性，這是因為由于當今許多智慧城市應用仍處于起步階段，同時不同的城市對智慧路燈應用和增值服務都有差異化的需求，因此這些升級、添加和修改要求促使智慧燈桿方案去選擇那些由多供應商聯合開發的通信協議，Wi-SUN 技術對集成新的第三方設備提供了靈活性。同時，也要考慮諸如Silicon Labs的第二代Wireless Gecko這樣的多協議平臺芯片。

Wi-SUN 是一種開放的、基于標準的技術，任何供應商都可以使用它，從而進行構建解決方案與規劃部署。如果廠商選用Wi-SUN的話，它可確保城市有足夠的靈活性來進行修改，并且可以讓他們從不同的供應商購買硬件和軟件，避免被供應商鎖定。

蜂窩網絡通常是基于訂閱模式的，他們有獲得許可的頻段內，而 Wi-SUN 是網狀網絡，是位于 ISM 無線電頻段的一種免費頻譜。一旦 Wi-SUN 在城市中部署，就由城市管理部門來管理整個網絡。由于它是一個網狀網絡，因此可以添加新節點，而無需重新部署或重新構建整個網絡。

?值得一提的是須考慮蜂窩網絡的有限壽命。蜂窩網絡運營商通常會在 10 到 12 年內終止其產品的使用壽命，這對于智慧城市項目來說是一個過短的時間范圍。進一步來說，據估計美國約有 3000 萬個終端因 2G 網絡逐步退網而被棄用，而中國的運營商也在關閉2G和3G移動數據業務。

sub-GHz 或 2.4 GHz頻段

在考慮照明控制器本身的通信協議或平臺時（取決于 OEM 選擇部署哪種技術），設計人員必須在sub-GHz 或 2.4GHz 芯片之間進行選擇，并使用這些類型的頻段選擇合適的協議。

市場上有許多 2.4GHz 網狀網絡選項，例如 Zigbee 和藍牙網狀網絡，因其低功耗、網狀拓撲結構、不會因為某個故障點導致網絡局部癱瘓，所以它們分別在家庭自動化和商業照明領域廣受歡迎。由于sub-GHz 頻譜比2.4GHz 的擁塞程度低，新興的sub-GHz 解決方案可提供更遠的通訊范圍和無線穩健性。隨著智慧城市的建設，能擴展到數十萬個節點的選項將成為一項關鍵要求，這使得部署在sub-GHz 頻段中的Wi-SUN 等解決方案非常具有吸引力。在中國，470-510MHz頻段被廣泛用于智能表計和智慧城市等應用，推動了中國物聯網產業的發展。

安全性

今天的芯片非常靈活，因為一旦 OEM 制造了燈具控制器，即便在下一代規范版本出現時也毋需更換芯片。芯片、固件、軟件和應用程序能通過無線照明基礎設施中的無線(OTA) 更新功能進行更迭，可以解決安全問題和一般性的產品改進。

安全性始終是首要考慮因素。網絡安全保護對于關鍵基礎設施尤其重要—您不希望看到城市管理者聯系 OEM，說有人入侵了城市的路燈系統了！芯片應該在硬件內部集成一個安全元件，以實現密鑰和密碼的安全存儲。內置安全功能包括真隨機數生成器、加密引擎、具備鎖定/解鎖的安全調試功能、DPA 對策以及防篡改芯片設計。

目前，全球每年的能源消耗估計高達5.8億太焦耳，根據國際能源署的數據，2021年電力需求將增長4.5%（超過1000TWh）。在這個從產品轉向增強型產品再到平臺的領域中，功能不斷增強的智能互聯解決方案正在擴大扭轉這種能源需求趨勢可能性。

如果我們現在就做到這一點，在不久的將來，城市在技術上將變得更加智能，并利用軟件和無線通信來優化能源使用并大幅減少能耗。性能監測系統可提供實時洞察了解公共設施的運行情況，實現動態的運行變化以及整體性能和維護的優化。而這一切都將始于智能化的 LED 照明網絡。

綜上所述，利用Wi-SUN這樣的可以“自組、安全、自愈、可控和多源“的物聯網連接技術，可以充分滿足智慧燈桿上的物聯網連接需求，并創造全新的市政服務和管理手段。

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