照亮智慧城市：智慧路灯设计师的主要考虑因素

SiliconLabs 2022-05-05 17:00

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凭借额外的无线连接和双向通信，智慧灯杆是一个可扩展的物联网网络平台，提供照明以外的多种解决方案。而Wi-SUN很可能是关键技术。

智慧灯杆是当前业内一个重要的话题，国内很多城市都在重新换装或者在新区直接安装智慧路灯，尽管在这个热潮中人们谈论很多的是在灯杆的“杆“上加装挂载5G宏基站/微基站、Wi-Fi热点和显示屏等全新的外设，但是智慧灯杆在回归到”灯“这一过程中，依然存在着许多创新的机会。新的LED路灯和Wi-SUN这样基于IPv6的物联网技术，正在支撑城市的公共照明创新改革，包括降本增效、“路灯下的新生活“和连接其他传感器等增值服务。

一座文明发达的城市离不开路灯。路灯不但增强安全性，提高市民的人身安全，也延长户外活动的时间。然而整个城市的路灯运行和维护成本往往也十分高昂，根据世界银行（World Bank）的数据资料，基于传统技术的现有传统路灯系统可能占城市电力消耗的65%，而且需要昂贵的维护费用。另外从减少碳排放的角度来看，在为不夜城提供基本服务的同时，此类不必要的能源消耗会增加大气中二氧化碳的排放量，这种浪费对财政的影响是相当可观的。

由于 LED 照明可以节省高达 70% 的能源，许多市政当局现正采取措施以LED 替代白炽灯泡，增加它们在住宅、公共和商业场所的使用比例。LED灯的使用寿命通常长达 20 年，因而LED灯的投资回报率非常可观，但其较长的使用寿命也促使新的商业模式浮现，包括通过控制器和传感器增强能源服务。

除了更高效、更长效的照明，智慧灯杆上的LED照明还可以为城市带来增值服务。LED街灯可以根据不同的节日、节气和区域，通过物联网连接进行亮度和颜色的可编程控制，如在春节和国庆这样的节日里，城市或者社区广场可以设定特别的照明方案，并可以用广场照明来表演伴随音乐的灯光秀，这对国内的许多城市是富有吸引力的。

当连接到全市网络时，智能化的主要目的是启用单一应用程序—路灯管理。智慧路灯系统能实现可调节的照明策略，例如日光照明，能符合本地化需求，并通过优化使用实现节能。通过提供异常检测和故障警报，这实现了操作透明度和预测性维护的潜力，从而将智慧灯杆的管理成本降到最低。

第三、智慧街灯的功能性也在日趋凸显。通过额外的无线连接和双向通信，照明可以成为一个可扩展的物联网保护伞，也适用于照明之外的其它众多智慧城市解决方案，例如二氧化碳等环境传感器、公共Wi-Fi、噪声监测、智慧停车，甚至枪声检测和其他应急管理。将路灯连接到中央管理系统(CMS) 就可以接收实时信息，并在多个城市部门之间实现数据共享。

智慧灯杆需要多元化数据连接

由于智慧灯杆在“灯“与”杆“的功能上都会越来越强大，因此智慧灯杆需要多元化的连接，包括用于5G和Wi-Fi等公共通信服务的宽带（光纤）连接，以及用于控制路灯和连接传感器的物联网连接。从物联网连接来看，智慧路灯系统需要实时运行并快速适应不断变化的环境条件，因此它们需要可扩展、安全、可靠、低延迟、远距离、高吞吐量和双向连接：任何连接中断都会造成负面影响。

智慧照明的关键是全方位设计：了解城市特定的环境照明要求，城市的长期目标，以及对使用情况和能源消耗的可视化需求。在智慧城市生态系统中，当您从使用离散的、分立的产品转向产品系统，再从产品系统转向所有连接在一起的系统体系时，重要的是要确保交付给市场的硬件是经过数字化的，并且能在未来彼此交互通信。

智慧灯杆已经成为了一个完整的物联网平台！为了先进、可靠和便捷的物联网技术来连接路灯，每个灯具都需安装一个无线控制器，该控制器与管理应用程序进行通信。在开发由无线节点组成的端到端智慧 LED 路灯和灯杆控制解决方案时，系统集成商和提供功能组件的原始设备制造商（OEM）会在物联网开发平台中考虑以下要素：

互操作性和可扩展性

在选择网络拓扑和协议时，互操作性和可扩展性是最重要的。在网状网络中，路灯控制器通过自行配置和自我修复的网络执行彼此之间和与网关之间的相互通信。网关负责将通信路由到 CMS。添加更多设备会创建多个通信路径，确保没有单点故障并加强网络。在点对点网络中，节点通过蜂窝网络直接与 CMS 通信，相较于其他方式，在关键性任务环境中可以有较少的冗余作业。

Wi-SUN是一种领先的IPv6 sub-GHz 网状网络技术，可用于智慧城市和智能公用事业应用，它代表“无线智能无处不在的网络”。由于它是大型的室外物联网无线通信网络在各种应用中的理想选择，伦敦金融城（Cityof London）最近更换照明引进Wi-SUN，其缘由是它提供额外的功能使环境监测等新项目非常具有吸引力 .

一旦路灯部署完成，传感器节点应用程序就可以让路灯在任何情况下进行作业。这意味着可以将传感器应用扩展到任意数量的应用层面上，这取决于城市追求的是何种目标，以及他们希望如何部署在哪些新兴应用上。 Wi-SUN 是一种面向未来的、可扩展的选项，为城市提供了一种可以在30-40 年内扩展其解决方案的方法。

灵活性

智慧照明部署后也应该保持灵活性，这是因为由于当今许多智慧城市应用仍处于起步阶段，同时不同的城市对智慧路灯应用和增值服务都有差异化的需求，因此这些升级、添加和修改要求促使智慧灯杆方案去选择那些由多供应商联合开发的通信协议，Wi-SUN 技术对集成新的第三方设备提供了灵活性。同时，也要考虑诸如Silicon Labs的第二代Wireless Gecko这样的多协议平台芯片。

Wi-SUN 是一种开放的、基于标准的技术，任何供应商都可以使用它，从而进行构建解决方案与规划部署。如果厂商选用Wi-SUN的话，它可确保城市有足够的灵活性来进行修改，并且可以让他们从不同的供应商购买硬件和软件，避免被供应商锁定。

蜂窝网络通常是基于订阅模式的，他们有获得许可的频段内，而 Wi-SUN 是网状网络，是位于 ISM 无线电频段的一种免费频谱。一旦 Wi-SUN 在城市中部署，就由城市管理部门来管理整个网络。由于它是一个网状网络，因此可以添加新节点，而无需重新部署或重新构建整个网络。

值得一提的是须考虑蜂窝网络的有限寿命。蜂窝网络运营商通常会在 10 到 12 年内终止其产品的使用寿命，这对于智慧城市项目来说是一个过短的时间范围。进一步来说，据估计美国约有 3000 万个终端因 2G 网络逐步退网而被弃用，而中国的运营商也在关闭2G和3G移动数据业务。

sub-GHz 或 2.4 GHz频段

在考虑照明控制器本身的通信协议或平台时（取决于 OEM 选择部署哪种技术），设计人员必须在sub-GHz 或 2.4GHz 芯片之间进行选择，并使用这些类型的频段选择合适的协议。

市场上有许多 2.4GHz 网状网络选项，例如 Zigbee 和蓝牙网状网络，因其低功耗、网状拓扑结构、不会因为某个故障点导致网络局部瘫痪，所以它们分别在家庭自动化和商业照明领域广受欢迎。由于sub-GHz 频谱比2.4GHz 的拥塞程度低，新兴的sub-GHz 解决方案可提供更远的通讯范围和无线稳健性。随着智慧城市的建设，能扩展到数十万个节点的选项将成为一项关键要求，这使得部署在sub-GHz 频段中的Wi-SUN 等解决方案非常具有吸引力。在中国，470-510MHz频段被广泛用于智能表计和智慧城市等应用，推动了中国物联网产业的发展。

安全性

今天的芯片非常灵活，因为一旦 OEM 制造了灯具控制器，即便在下一代规范版本出现时也毋需更换芯片。芯片、固件、软件和应用程序能通过无线照明基础设施中的无线(OTA) 更新功能进行更迭，可以解决安全问题和一般性的产品改进。

安全性始终是首要考虑因素。网络安全保护对于关键基础设施尤其重要—您不希望看到城市管理者联系 OEM，说有人入侵了城市的路灯系统了！芯片应该在硬件内部集成一个安全元件，以实现密钥和密码的安全存储。内置安全功能包括真随机数生成器、加密引擎、具备锁定/解锁的安全调试功能、DPA 对策以及防篡改芯片设计。

目前，全球每年的能源消耗估计高达5.8亿太焦耳，根据国际能源署的数据，2021年电力需求将增长4.5%（超过1000TWh）。在这个从产品转向增强型产品再到平台的领域中，功能不断增强的智能互联解决方案正在扩大扭转这种能源需求趋势可能性。

如果我们现在就做到这一点，在不久的将来，城市在技术上将变得更加智能，并利用软件和无线通信来优化能源使用并大幅减少能耗。性能监测系统可提供实时洞察了解公共设施的运行情况，实现动态的运行变化以及整体性能和维护的优化。而这一切都将始于智能化的 LED 照明网络。

综上所述，利用Wi-SUN这样的可以“自组、安全、自愈、可控和多源“的物联网连接技术，可以充分满足智慧灯杆上的物联网连接需求，并创造全新的市政服务和管理手段。

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