توفر إضاءة الشوارع منصة مثالية للمدن الذكية المترابطة

المدن الذكية المترابطة تجلب أحلامًا جميلة. وفي مثل هذه المدن، تعمل التقنيات الرقمية على دمج العديد من الوظائف المدنية الفريدة لتحسين الكفاءة التشغيلية والذكاء. وتشير التقديرات إلى أنه بحلول عام 2050، سيعيش 70% من سكان العالم في مدن ذكية، حيث ستكون الحياة صحية وسعيدة وآمنة. والأهم من ذلك، أنها تَعِد بأن تكون خضراء، وهي الورقة الرابحة الأخيرة للإنسانية ضد تدمير الكوكب.

لكن المدن الذكية عمل شاق. فالتكنولوجيات الجديدة باهظة الثمن، والحكومات المحلية مقيدة، وتتحول السياسة إلى دورات انتخابية قصيرة، مما يجعل من الصعب تحقيق نموذج مركزي عالي الكفاءة من الناحية التشغيلية والمالية يمكن إعادة استخدامه في المناطق الحضرية على المستوى العالمي أو الوطني. في الواقع، فإن معظم المدن الذكية الرائدة في العناوين الرئيسية هي في الواقع مجرد مجموعة من التجارب التكنولوجية المختلفة والمشاريع الجانبية الإقليمية، مع القليل من التطلع إلى التوسع.

دعونا نلقي نظرة على مكبات النفايات ومواقف السيارات، وهي ذكية من حيث أجهزة الاستشعار والتحليلات؛ وفي هذا السياق، يصعب حساب العائد على الاستثمار وتوحيده، وخاصة عندما تكون الهيئات الحكومية مجزأة للغاية (بين الوكالات العامة والخدمات الخاصة، وكذلك بين البلدات والمدن والمناطق والبلدان). انظر إلى مراقبة جودة الهواء؛ كيف يمكن بسهولة حساب تأثير الهواء النظيف على الخدمات الصحية في المدينة؟ ومن الناحية المنطقية، يصعب تنفيذ المدن الذكية، ولكن من الصعب أيضًا إنكارها.

ومع ذلك، هناك بصيص من الضوء وسط ضباب التغيير الرقمي. توفر إنارة الشوارع في جميع الخدمات البلدية منصة للمدن لاكتساب وظائف ذكية والجمع بين تطبيقات متعددة لأول مرة. انظر إلى مشاريع إنارة الشوارع الذكية المختلفة التي يجري تنفيذها في سان دييغو في الولايات المتحدة وكوبنهاغن في الدنمارك، وهي في تزايد مستمر. تجمع هذه المشاريع بين صفائف من أجهزة الاستشعار ووحدات الأجهزة المعيارية المثبتة على أعمدة الإنارة للسماح بالتحكم عن بعد في الإضاءة نفسها وتشغيل وظائف أخرى، مثل عدادات المرور، وأجهزة مراقبة جودة الهواء، وحتى أجهزة كشف الأسلحة.

ومن ارتفاع عمود الإنارة، بدأت المدن في معالجة مسألة "قابلية العيش" في المدينة في الشارع، بما في ذلك تدفق حركة المرور والتنقل، والضوضاء وتلوث الهواء، وفرص الأعمال الناشئة. وحتى أجهزة استشعار وقوف السيارات، التي يتم دفنها تقليديًا في مواقف السيارات، يمكن توصيلها بالبنية التحتية للإضاءة بتكلفة منخفضة وبكفاءة. يمكن فجأة ربط مدن بأكملها وتحسينها دون حفر الشوارع أو استئجار مساحات أو حل مشاكل الحوسبة المجردة حول حياة أكثر صحة وشوارع أكثر أمانًا.

ينجح هذا لأنه، في معظم الأحيان، لا يتم حساب حلول الإضاءة الذكية في البداية مع الرهان على التوفير من الحلول الذكية. وبدلا من ذلك، فإن جدوى الثورة الرقمية الحضرية هي نتيجة عرضية للتطور المتزامن للإضاءة.

إن توفير الطاقة الناتج عن استبدال المصابيح المتوهجة بإضاءة LED ذات الحالة الصلبة، إلى جانب إمدادات الطاقة المتاحة بسهولة والبنية التحتية الشاملة للإضاءة، يجعل المدن الذكية ممكنة التنفيذ.

لقد أصبحت وتيرة تحويل مصابيح LED ثابتة بالفعل، كما أن الإضاءة الذكية تزدهر. سيتم إضاءة حوالي 90٪ من مصابيح الشوارع البالغ عددها 363 مليونًا في العالم بواسطة مصابيح LED بحلول عام 2027، وفقًا لشركة Northeast Group، وهي محللة للبنية التحتية الذكية. وسيعمل ثلثهم أيضًا على تشغيل التطبيقات الذكية، وهو الاتجاه الذي بدأ قبل بضع سنوات. وإلى أن يتم نشر التمويل والمخططات الكبيرة، فإن إضاءة الشوارع هي الأنسب كبنية تحتية لشبكة التقنيات الرقمية المختلفة في المدن الذكية واسعة النطاق.

حفظ تكلفة LED

وفقًا للقواعد الأساسية التي اقترحتها الشركات المصنعة للإضاءة وأجهزة الاستشعار، يمكن للإضاءة الذكية أن تقلل من تكاليف الإدارة والصيانة المتعلقة بالبنية التحتية بنسبة 50 إلى 70 بالمائة. ولكن معظم هذه الوفورات (حوالي 50%، وهي نسبة كافية لإحداث فرق) يمكن تحقيقها ببساطة عن طريق التحول إلى مصابيح LED الموفرة للطاقة. ويأتي باقي التوفير من توصيل المصابيح والتحكم فيها وتمرير معلومات ذكية حول كيفية عملها عبر شبكة الإضاءة.

يمكن للتعديلات والملاحظات المركزية وحدها أن تقلل بشكل كبير من تكاليف الصيانة. هناك طرق عديدة، وهي تكمل بعضها البعض: الجدولة، والتحكم الموسمي، وتعديل التوقيت؛ تشخيص الأخطاء وتقليل حضور شاحنة الصيانة. ويزداد التأثير مع حجم شبكة الإضاءة ويتدفق مرة أخرى إلى حالة عائد الاستثمار الأولي. يقول السوق إن هذا النهج يمكن أن يغطي تكاليفه في غضون خمس سنوات تقريبًا، ولديه القدرة على تغطية تكاليفه في وقت أقل من خلال دمج مفاهيم المدن الذكية "الأكثر ليونة"، مثل تلك التي تحتوي على أجهزة استشعار لوقوف السيارات، وأجهزة مراقبة حركة المرور، ومراقبة جودة الهواء، وأجهزة كشف الأسلحة. .

تقوم شركة Guidehouse Insights، وهي شركة محللة للسوق، بتتبع أكثر من 200 مدينة لقياس وتيرة التغيير؛ وتقول ربع المدن تطرح مخططات الإضاءة الذكية. مبيعات الأنظمة الذكية ترتفع. وتشير تقديرات شركة ABI للأبحاث إلى أن الإيرادات العالمية سوف تقفز عشرة أضعاف لتصل إلى 1.7 مليار دولار بحلول عام 2026. وهذه هي "لحظة المصباح الكهربائي" التي تعيشها الأرض؛ إن البنية التحتية لإنارة الشوارع، والتي ترتبط ارتباطًا وثيقًا بالأنشطة البشرية، هي الطريق للمضي قدمًا كمنصة للمدن الذكية في سياق أوسع. وقالت ABI إنه في وقت مبكر من عام 2022، سيتم ربط أكثر من ثلثي تركيبات إضاءة الشوارع الجديدة بمنصة إدارة مركزية لدمج البيانات من أجهزة استشعار متعددة للمدينة الذكية.

وقال أدارش كريشنان، المحلل الرئيسي في ABI Research: "هناك العديد من الفرص التجارية لبائعي المدن الذكية الذين يستفيدون من البنية التحتية لأعمدة الإنارة الحضرية من خلال نشر الاتصال اللاسلكي وأجهزة الاستشعار البيئية وحتى الكاميرات الذكية. ويكمن التحدي في إيجاد نماذج أعمال قابلة للتطبيق تشجع المجتمع على نشر حلول أجهزة الاستشعار المتعددة على نطاق واسع وبطريقة فعالة من حيث التكلفة.

لم يعد السؤال هو ما إذا كان سيتم الاتصال أم لا، ولكن كيف، وكم يجب الاتصال في المقام الأول. وكما يلاحظ كريشنان، فإن جزءا من هذا يتعلق بنماذج الأعمال، ولكن الأموال تتدفق بالفعل إلى المدن الذكية من خلال خصخصة المرافق التعاونية، حيث تتحمل الشركات الخاصة المخاطر المالية في مقابل النجاح في رأس المال الاستثماري. تعمل عقود "كخدمة" القائمة على الاشتراك على توزيع الاستثمار على فترات الاسترداد، الأمر الذي حفز النشاط أيضًا.

في المقابل، يتم ربط مصابيح الشوارع في أوروبا بشبكات قرص العسل التقليدية (عادةً 2G حتى LTE (4G)) بالإضافة إلى جهاز HONEYCOMB Iot القياسي الجديد، LTE-M. يتم أيضًا تشغيل تقنية النطاق الضيق للغاية (UNB) الخاصة، جنبًا إلى جنب مع Zigbee، وهي مجموعة صغيرة من البلوتوث منخفض الطاقة، ومشتقات IEEE 802.15.4.

يركز تحالف تقنية Bluetooth (SIG) بشكل خاص على المدن الذكية. وتتوقع المجموعة أن تنمو شحنات البلوتوث منخفضة الطاقة في المدن الذكية بمقدار خمسة أضعاف خلال السنوات الخمس المقبلة، لتصل إلى 230 مليونًا سنويًا. ويرتبط معظمها بتتبع الأصول في الأماكن العامة، مثل المطارات والملاعب والمستشفيات ومراكز التسوق والمتاحف. ومع ذلك، فإن تقنية Bluetooth منخفضة الطاقة تستهدف أيضًا الشبكات الخارجية. وقال تحالف تقنية Bluetooth: "يعمل حل إدارة الأصول على تحسين استخدام موارد المدينة الذكية ويساعد على تقليل تكاليف التشغيل الحضرية".

مزيج من التقنيتين هو الأفضل!

ومع ذلك، فإن كل تقنية لها خلافاتها، وقد تم حل بعضها في النقاش. على سبيل المثال، يقترح UNB فرض قيود أكثر صرامة على جداول الحمولة والتسليم، مع استبعاد الدعم المتوازي لتطبيقات أجهزة الاستشعار المتعددة أو لتطبيقات مثل الكاميرات التي تتطلب ذلك. تعد التكنولوجيا قصيرة المدى أرخص وتوفر إنتاجية أكبر لتطوير إعدادات الإضاءة كمنصة. والأهم من ذلك، يمكنهم أيضًا لعب دور احتياطي في حالة انقطاع إشارة WAN، وتوفير وسيلة للفنيين لقراءة المستشعرات مباشرة لتصحيح الأخطاء والتشخيص. على سبيل المثال، تعمل تقنية Bluetooth منخفضة الطاقة مع كل الهواتف الذكية المتوفرة في السوق تقريبًا.

على الرغم من أن الشبكة الأكثر كثافة يمكن أن تعزز المتانة، إلا أن بنيتها تصبح معقدة وتفرض متطلبات طاقة أعلى على أجهزة الاستشعار المترابطة من نقطة إلى نقطة. نطاق الإرسال يمثل أيضًا مشكلة؛ تبلغ التغطية باستخدام Zigbee وBluetooth منخفض الطاقة بضع مئات من الأمتار فقط على الأكثر. على الرغم من أن مجموعة متنوعة من التقنيات قصيرة المدى قادرة على المنافسة ومناسبة تمامًا لأجهزة الاستشعار القائمة على الشبكة وعلى مستوى الجوار، إلا أنها شبكات مغلقة تتطلب في النهاية استخدام بوابات لإرسال الإشارات مرة أخرى إلى السحابة.

عادةً ما تتم إضافة اتصال قرص العسل في النهاية. يتمثل الاتجاه السائد لدى بائعي الإضاءة الذكية في استخدام اتصال قرص العسل من نقطة إلى سحابة لتوفير بوابة مسافة تتراوح من 5 إلى 15 كيلومترًا أو تغطية جهاز استشعار. توفر تقنية Beehive نطاق نقل كبير وبساطة؛ كما يوفر أيضًا شبكات جاهزة ومستوى أعلى من الأمان، وفقًا لمجتمع Hive.

وقال نيل يونج، رئيس قسم إنترنت الأشياء العمودي في GSMA، وهي هيئة صناعية تمثل مشغلي شبكات الهاتف المحمول: "يتمتع مشغلو العمليات ... بتغطية المنطقة بأكملها، وبالتالي لا يحتاجون إلى بنية تحتية إضافية لتوصيل أجهزة الإضاءة وأجهزة الاستشعار في المناطق الحضرية . تتمتع شبكة قرص العسل ذات الطيف المرخص بالسلامة والموثوقية، مما يعني أن المشغل يتمتع بأفضل الظروف، ويمكنه دعم عدد كبير من الاحتياجات وعمر بطارية أطول بكثير والحد الأدنى من الصيانة ومسافة نقل طويلة للمعدات منخفضة التكلفة.

من بين جميع تقنيات الاتصال المتاحة، ستشهد HONEYCOMB أكبر نمو في السنوات القادمة، وفقًا لـ ABI. دفعت الضجة حول شبكات 5G والتدافع لاستضافة البنية التحتية لـ 5G المشغلين إلى الاستيلاء على عمود الإنارة وملء وحدات قرص العسل الصغيرة في البيئات الحضرية. وفي الولايات المتحدة، تنشر لاس فيغاس وساكرامنتو شبكات LTE و5G، بالإضافة إلى أجهزة استشعار المدينة الذكية، على أضواء الشوارع من خلال شركات الاتصالات AT&T وVerizon. كشفت هونج كونج للتو عن خطة لتركيب 400 عمود إنارة مزود بتقنية 5G كجزء من مبادرة المدينة الذكية.

التكامل المحكم للأجهزة

وأضاف Nielsen: "تقدم شركة Nordic منتجات قصيرة المدى وطويلة المدى متعددة الأوضاع، مع nRF52840 SoC الذي يدعم تقنية Bluetooth منخفضة الطاقة وBluetooth Mesh وZigbee، بالإضافة إلى أنظمة Thread وأنظمة 2.4 جيجا هرتز. يوفر nRF9160 SiP القائم على قرص العسل من Nordic دعم LTE-M وNB-iot. إن الجمع بين التقنيتين يوفر الأداء ومزايا التكلفة.

يسمح فصل التردد لهذه الأنظمة بالتعايش، حيث يعمل الأول في نطاق 2.4 جيجا هرتز بدون إذن ويعمل الأخير في أي مكان يوجد فيه LTE. في الترددات المنخفضة والعالية، هناك مفاضلة بين تغطية منطقة أوسع وقدرة نقل أكبر. ولكن في منصات الإضاءة، تُستخدم عادةً التكنولوجيا اللاسلكية قصيرة المدى لربط أجهزة الاستشعار، وتُستخدم قوة الحوسبة الطرفية للمراقبة والتحليل، ويتم استخدام تقنية Honeycomb IOT لإرسال البيانات مرة أخرى إلى السحابة، بالإضافة إلى التحكم في أجهزة الاستشعار لمستويات صيانة أعلى.

حتى الآن، تمت إضافة زوج من أجهزة الراديو قصيرة المدى وطويلة المدى بشكل منفصل، ولم يتم دمجهما في نفس شريحة السيليكون. في بعض الحالات، يتم فصل المكونات بسبب اختلاف أعطال المصباح والمستشعر والراديو. ومع ذلك، فإن دمج أجهزة الراديو المزدوجة في نظام واحد سيؤدي إلى تكامل تكنولوجي أوثق وانخفاض تكاليف الشراء، وهي اعتبارات رئيسية للمدن الذكية.

ويعتقد نورديك أن السوق يتحرك في هذا الاتجاه. قامت الشركة بدمج تقنيات الاتصال اللاسلكية قصيرة المدى وتقنيات اتصال إنترنت الأشياء على شكل قرص العسل في الأجهزة والبرامج على مستوى المطورين حتى يتمكن مصنعو الحلول من تشغيل الزوج في وقت واحد في تطبيقات الاختبار. تم تصميم لوحة DK من Nordic لـ nRF9160 SiP للمطورين "لجعل تطبيقات Honeycomb iot الخاصة بهم تعمل"؛ تم وصف Nordic Thingy:91 بأنها "بوابة كاملة جاهزة للاستخدام" يمكن استخدامها كمنصة نماذج أولية جاهزة أو إثبات للمفهوم لتصميمات المنتجات المبكرة.

يتميز كلاهما بقرص العسل متعدد الأوضاع nRF9160 SiP وnRF52840 SoC متعدد البروتوكولات قصير المدى. الأنظمة المدمجة التي تجمع بين التقنيتين لنشر إنترنت الأشياء التجاري لا تبعد سوى "أشهر" فقط عن التسويق، وفقًا لشركة نورديك.

وقال نورديك نيلسن: “تم إعداد منصة إضاءة المدينة الذكية بكل تقنيات الاتصال هذه؛ من الواضح جدًا أن السوق هو كيفية الجمع بينهما معًا، وقد قدمنا ​​حلولاً لمجلس تطوير الشركات المصنعة، لاختبار كيفية عملهم معًا. ومن الضروري دمجها في حلول الأعمال في غضون وقت قصير."