Các thành phố thông minh liên kết với nhau mang đến những giấc mơ tươi đẹp. Trong những thành phố như vậy, công nghệ kỹ thuật số kết nối nhiều chức năng dân sự độc đáo để nâng cao hiệu quả hoạt động và trí thông minh. Người ta ước tính rằng đến năm 2050, 70% dân số thế giới sẽ sống trong các thành phố thông minh, nơi cuộc sống sẽ lành mạnh, hạnh phúc và an toàn. Quan trọng hơn, nó hứa hẹn sẽ thân thiện với môi trường, là quân bài cuối cùng của nhân loại chống lại sự tàn phá hành tinh.
Nhưng xây dựng thành phố thông minh là một công việc khó khăn. Công nghệ mới rất đắt đỏ, chính quyền địa phương bị hạn chế về nguồn lực, và chính trị chuyển sang các chu kỳ bầu cử ngắn, khiến việc đạt được mô hình triển khai công nghệ tập trung hiệu quả cao về mặt vận hành và tài chính, có thể tái sử dụng ở các khu vực đô thị trên toàn cầu hoặc trong nước trở nên khó khăn. Trên thực tế, hầu hết các thành phố thông minh hàng đầu được nhắc đến nhiều trên các phương tiện truyền thông chỉ là tập hợp các thử nghiệm công nghệ khác nhau và các dự án khu vực nhỏ, với rất ít triển vọng mở rộng.
Hãy xem xét các thùng rác và bãi đỗ xe thông minh với cảm biến và phân tích dữ liệu; trong bối cảnh này, lợi tức đầu tư (ROI) rất khó tính toán và chuẩn hóa, đặc biệt khi các cơ quan chính phủ lại phân tán như vậy (giữa các cơ quan công và tư nhân, cũng như giữa các thị trấn, thành phố, khu vực và quốc gia). Hãy xem xét việc giám sát chất lượng không khí; làm thế nào để dễ dàng tính toán tác động của không khí sạch đối với các dịch vụ y tế trong một thành phố? Về mặt logic, các thành phố thông minh rất khó thực hiện, nhưng cũng khó có thể phủ nhận.
Tuy nhiên, vẫn có một tia hy vọng le lói trong màn sương mù của sự chuyển đổi kỹ thuật số. Hệ thống chiếu sáng đường phố trong tất cả các dịch vụ đô thị cung cấp một nền tảng cho các thành phố lần đầu tiên có thể tích hợp các chức năng thông minh và kết hợp nhiều ứng dụng khác nhau. Hãy nhìn vào các dự án chiếu sáng đường phố thông minh đang được triển khai ở San Diego (Mỹ) và Copenhagen (Đan Mạch), và bạn sẽ thấy số lượng chúng đang ngày càng tăng. Các dự án này kết hợp nhiều cảm biến với các thiết bị phần cứng dạng mô-đun được gắn vào cột đèn để cho phép điều khiển từ xa hệ thống chiếu sáng và thực hiện các chức năng khác, chẳng hạn như bộ đếm lưu lượng giao thông, thiết bị giám sát chất lượng không khí, và thậm chí cả máy dò súng.
Từ chiều cao của cột đèn đường, các thành phố đã bắt đầu quan tâm đến “khả năng sống” trên đường phố, bao gồm lưu lượng giao thông và khả năng di chuyển, ô nhiễm tiếng ồn và không khí, cũng như các cơ hội kinh doanh mới nổi. Ngay cả các cảm biến đỗ xe, vốn thường được chôn dưới lòng đất trong bãi đỗ xe, cũng có thể được kết nối với cơ sở hạ tầng chiếu sáng một cách hiệu quả và tiết kiệm chi phí. Toàn bộ thành phố có thể đột nhiên được kết nối và tối ưu hóa mà không cần đào đường, thuê đất hay giải quyết các bài toán tính toán trừu tượng về cuộc sống lành mạnh hơn và đường phố an toàn hơn.
Điều này hiệu quả bởi vì, phần lớn, các giải pháp chiếu sáng thông minh ban đầu không được tính toán dựa trên kỳ vọng tiết kiệm chi phí từ các giải pháp thông minh. Thay vào đó, tính khả thi của cuộc cách mạng kỹ thuật số đô thị là một hệ quả ngẫu nhiên của sự phát triển đồng thời của ngành chiếu sáng.
Việc tiết kiệm năng lượng nhờ thay thế bóng đèn sợi đốt bằng đèn LED, cùng với nguồn cung cấp điện sẵn có và cơ sở hạ tầng chiếu sáng rộng khắp, đã giúp việc xây dựng thành phố thông minh trở nên khả thi.
Tốc độ chuyển đổi sang đèn LED hiện đang chững lại, trong khi chiếu sáng thông minh đang bùng nổ. Theo Northeast Group, một công ty phân tích cơ sở hạ tầng thông minh, khoảng 90% trong số 363 triệu đèn đường trên thế giới sẽ được chiếu sáng bằng đèn LED vào năm 2027. Một phần ba trong số đó cũng sẽ chạy các ứng dụng thông minh, một xu hướng đã bắt đầu từ vài năm trước. Cho đến khi có nguồn vốn đầu tư đáng kể và các kế hoạch chi tiết được công bố, chiếu sáng đường phố vẫn phù hợp nhất với vai trò là cơ sở hạ tầng mạng cho các công nghệ kỹ thuật số khác nhau trong các thành phố thông minh quy mô lớn.
Tiết kiệm chi phí đèn LED
Theo các nguyên tắc chung được đề xuất bởi các nhà sản xuất thiết bị chiếu sáng và cảm biến, hệ thống chiếu sáng thông minh có thể giảm chi phí quản lý và bảo trì liên quan đến cơ sở hạ tầng từ 50 đến 70 phần trăm. Nhưng phần lớn khoản tiết kiệm đó (khoảng 50 phần trăm, đủ để tạo ra sự khác biệt) có thể đạt được chỉ bằng cách chuyển sang sử dụng bóng đèn LED tiết kiệm năng lượng. Phần tiết kiệm còn lại đến từ việc kết nối và điều khiển các thiết bị chiếu sáng và truyền tải thông tin thông minh về cách chúng hoạt động trong toàn bộ mạng lưới chiếu sáng.
Việc điều chỉnh và giám sát tập trung có thể giảm đáng kể chi phí bảo trì. Có nhiều cách, và chúng bổ sung cho nhau: lập kế hoạch, kiểm soát theo mùa và điều chỉnh thời gian; chẩn đoán lỗi và giảm số lần xe bảo trì đến hiện trường. Tác động này tăng lên theo quy mô của mạng lưới chiếu sáng và phản ánh vào trường hợp hoàn vốn ban đầu. Thị trường cho thấy phương pháp này có thể hoàn vốn trong khoảng năm năm, và có tiềm năng hoàn vốn trong thời gian ngắn hơn bằng cách tích hợp các khái niệm thành phố thông minh "mềm" hơn, chẳng hạn như cảm biến đỗ xe, giám sát giao thông, kiểm soát chất lượng không khí và máy dò súng.
Guidehouse Insights, một công ty phân tích thị trường, theo dõi hơn 200 thành phố để đánh giá tốc độ thay đổi; họ cho biết một phần tư số thành phố đang triển khai các hệ thống chiếu sáng thông minh. Doanh số bán các hệ thống thông minh đang tăng vọt. ABI Research ước tính rằng doanh thu toàn cầu sẽ tăng gấp mười lần lên 1,7 tỷ đô la vào năm 2026. "Khoảnh khắc bừng sáng" của Trái đất là như thế này: Cơ sở hạ tầng chiếu sáng đường phố, vốn có liên quan mật thiết đến các hoạt động của con người, là con đường tiến lên phía trước như một nền tảng cho các thành phố thông minh trong bối cảnh rộng hơn. ABI cho biết, ngay từ năm 2022, hơn hai phần ba số công trình lắp đặt chiếu sáng đường phố mới sẽ được kết nối với một nền tảng quản lý trung tâm để tích hợp dữ liệu từ nhiều cảm biến thành phố thông minh.
Adarsh Krishnan, nhà phân tích chính tại ABI Research, cho biết: “Có rất nhiều cơ hội kinh doanh hơn nữa dành cho các nhà cung cấp thành phố thông minh tận dụng cơ sở hạ tầng cột đèn đô thị bằng cách triển khai kết nối không dây, cảm biến môi trường và thậm chí cả camera thông minh. Thách thức là tìm ra các mô hình kinh doanh khả thi khuyến khích xã hội triển khai các giải pháp đa cảm biến trên quy mô lớn một cách hiệu quả về chi phí.”
Câu hỏi đặt ra không còn là liệu có nên kết nối hay không, mà là kết nối như thế nào và kết nối đến mức độ nào ngay từ đầu. Như Krishnan nhận xét, một phần vấn đề nằm ở mô hình kinh doanh, nhưng tiền đã và đang đổ vào các thành phố thông minh thông qua hình thức tư nhân hóa tiện ích hợp tác (PPP), trong đó các công ty tư nhân gánh chịu rủi ro tài chính để đổi lấy thành công trong lĩnh vực đầu tư mạo hiểm. Các hợp đồng "dịch vụ theo yêu cầu" dựa trên mô hình đăng ký giúp phân bổ đầu tư trong các kỳ hoàn vốn, điều này cũng thúc đẩy hoạt động phát triển.
Ngược lại, đèn đường ở châu Âu đang được kết nối với các mạng dạng tổ ong truyền thống (thường là 2G đến LTE (4G)) cũng như thiết bị tiêu chuẩn IoT dạng tổ ong mới, LTE-M. Công nghệ băng tần siêu hẹp (UNB) độc quyền cũng đang được sử dụng, cùng với Zigbee, một số ít thiết bị Bluetooth công suất thấp và các biến thể của IEEE 802.15.4.
Liên minh Công nghệ Bluetooth (SIG) đặc biệt chú trọng đến các thành phố thông minh. Nhóm này dự đoán rằng lượng hàng Bluetooth công suất thấp được sử dụng trong các thành phố thông minh sẽ tăng gấp năm lần trong năm năm tới, lên 230 triệu chiếc mỗi năm. Hầu hết chúng được liên kết với việc theo dõi tài sản ở những nơi công cộng, chẳng hạn như sân bay, sân vận động, bệnh viện, trung tâm mua sắm và bảo tàng. Tuy nhiên, Bluetooth công suất thấp cũng hướng đến các mạng lưới ngoài trời. "Giải pháp quản lý tài sản giúp cải thiện việc sử dụng tài nguyên của thành phố thông minh và giúp giảm chi phí vận hành đô thị", Liên minh Công nghệ Bluetooth cho biết.
Kết hợp cả hai kỹ thuật sẽ tốt hơn!
Mỗi công nghệ đều có những tranh cãi riêng, một số trong đó đã được giải quyết trong các cuộc tranh luận. Ví dụ, UNB đề xuất các giới hạn nghiêm ngặt hơn về tải trọng và lịch trình phân phối, loại bỏ hỗ trợ song song cho nhiều ứng dụng cảm biến hoặc cho các ứng dụng như camera yêu cầu điều đó. Công nghệ tầm ngắn rẻ hơn và cung cấp thông lượng lớn hơn để phát triển các thiết lập chiếu sáng như một nền tảng. Quan trọng hơn, chúng cũng có thể đóng vai trò dự phòng trong trường hợp mất kết nối tín hiệu WAN và cung cấp phương tiện cho các kỹ thuật viên đọc trực tiếp các cảm biến để gỡ lỗi và chẩn đoán. Ví dụ, Bluetooth công suất thấp hoạt động với hầu hết mọi điện thoại thông minh trên thị trường.
Mặc dù mạng lưới dày đặc hơn có thể tăng cường độ ổn định, nhưng kiến trúc của nó trở nên phức tạp và đặt ra yêu cầu năng lượng cao hơn đối với các cảm biến điểm-điểm được kết nối với nhau. Phạm vi truyền dẫn cũng là một vấn đề; phạm vi phủ sóng bằng Zigbee và Bluetooth công suất thấp chỉ tối đa vài trăm mét. Mặc dù nhiều công nghệ tầm ngắn có tính cạnh tranh và rất phù hợp cho các cảm biến dựa trên mạng lưới, phủ sóng rộng khắp các khu vực lân cận, nhưng chúng là các mạng khép kín và cuối cùng vẫn cần sử dụng các cổng kết nối để truyền tín hiệu trở lại đám mây.
Thông thường, kết nối dạng tổ ong được thêm vào cuối. Xu hướng của các nhà cung cấp đèn thông minh là sử dụng kết nối dạng tổ ong điểm-đám mây để cung cấp vùng phủ sóng cho thiết bị cổng hoặc cảm biến ở khoảng cách từ 5 đến 15 km. Công nghệ tổ ong mang lại phạm vi truyền dẫn lớn và sự đơn giản; nó cũng cung cấp khả năng kết nối mạng sẵn có và mức độ bảo mật cao hơn, theo cộng đồng Hive.
Neill Young, người đứng đầu bộ phận Internet vạn vật (IoT) tại GSMA, một tổ chức đại diện cho các nhà khai thác mạng di động, cho biết: “Các nhà khai thác mạng… có vùng phủ sóng toàn bộ khu vực, do đó không cần thêm cơ sở hạ tầng để kết nối các thiết bị chiếu sáng đô thị và cảm biến. Trong mạng lưới dạng tổ ong được cấp phép, tính an toàn và độ tin cậy cao, có nghĩa là nhà khai thác có điều kiện tốt nhất, có thể hỗ trợ số lượng lớn nhu cầu, thời lượng pin dài hơn nhiều, bảo trì tối thiểu và khoảng cách truyền dẫn xa với thiết bị chi phí thấp.”
Theo ABI, trong số tất cả các công nghệ kết nối hiện có, HONEYCOMB sẽ chứng kiến sự tăng trưởng mạnh nhất trong những năm tới. Sự quan tâm lớn đến mạng 5G và cuộc chạy đua giành quyền triển khai cơ sở hạ tầng 5G đã thúc đẩy các nhà mạng tận dụng cột đèn và lắp đặt các module hình tổ ong nhỏ trong môi trường đô thị. Tại Hoa Kỳ, Las Vegas và Sacramento đang triển khai LTE và 5G, cũng như các cảm biến thành phố thông minh, trên đèn đường thông qua các nhà mạng AT&T và Verizon. Hồng Kông vừa công bố kế hoạch lắp đặt 400 cột đèn hỗ trợ 5G như một phần của sáng kiến thành phố thông minh.
Tích hợp chặt chẽ phần cứng
Nielsen nói thêm: “Nordic cung cấp các sản phẩm đa chế độ tầm ngắn và tầm xa, với SoC nRF52840 hỗ trợ Bluetooth công suất thấp, Bluetooth Mesh và Zigbee, cũng như Thread và các hệ thống 2.4GHz độc quyền. SiP nRF9160 dựa trên kiến trúc Honeycomb của Nordic hỗ trợ cả LTE-M và NB-IoT. Sự kết hợp của hai công nghệ này mang lại lợi thế về hiệu năng và chi phí.”
Việc phân tách tần số cho phép các hệ thống này cùng tồn tại, trong đó hệ thống thứ nhất hoạt động trên băng tần 2.4GHz không cần cấp phép và hệ thống thứ hai hoạt động ở bất cứ nơi nào có mạng LTE. Ở các tần số thấp hơn và cao hơn, có sự đánh đổi giữa vùng phủ sóng rộng hơn và dung lượng truyền tải lớn hơn. Nhưng trong các nền tảng chiếu sáng, công nghệ không dây tầm ngắn thường được sử dụng để kết nối các cảm biến, sức mạnh tính toán tại biên được sử dụng để quan sát và phân tích, và IoT dạng tổ ong được sử dụng để gửi dữ liệu về đám mây, cũng như điều khiển cảm biến cho các mức độ bảo trì cao hơn.
Cho đến nay, cặp radio tầm ngắn và tầm xa vẫn được bổ sung riêng biệt, chứ không được tích hợp vào cùng một chip silicon. Trong một số trường hợp, các thành phần được tách rời vì các lỗi của bộ chiếu sáng, cảm biến và radio đều khác nhau. Tuy nhiên, việc tích hợp hai radio vào một hệ thống duy nhất sẽ giúp tích hợp công nghệ chặt chẽ hơn và giảm chi phí mua sắm, đây là những yếu tố quan trọng đối với các thành phố thông minh.
Nordic cho rằng thị trường đang chuyển dịch theo hướng đó. Công ty đã tích hợp công nghệ kết nối IoT không dây tầm ngắn và mạng lưới hình tổ ong vào phần cứng và phần mềm ở cấp độ nhà phát triển để các nhà sản xuất giải pháp có thể chạy đồng thời cả hai trong các ứng dụng thử nghiệm. Bộ công cụ phát triển (DK) bo mạch của Nordic dành cho SiP nRF9160 được thiết kế cho các nhà phát triển để "làm cho các ứng dụng IoT mạng lưới hình tổ ong của họ hoạt động"; Nordic Thingy:91 được mô tả là một "cổng kết nối hoàn chỉnh có sẵn" có thể được sử dụng như một nền tảng tạo mẫu có sẵn hoặc bằng chứng về khái niệm cho các thiết kế sản phẩm ban đầu.
Cả hai đều tích hợp SiP nRF9160 dạng tổ ong đa chế độ và SoC nRF52840 tầm ngắn đa giao thức. Theo Nordic, các hệ thống nhúng kết hợp hai công nghệ này để triển khai IoT thương mại chỉ còn "vài tháng" nữa là được thương mại hóa.
Nordic Nielsen cho biết: “Nền tảng chiếu sáng thành phố thông minh đã được thiết lập với tất cả các công nghệ kết nối này; thị trường rất rõ ràng về cách kết hợp chúng lại với nhau, chúng tôi đã cung cấp các giải pháp cho bảng phát triển của các nhà sản xuất để thử nghiệm cách chúng hoạt động cùng nhau. Việc kết hợp chúng thành các giải pháp kinh doanh là điều bắt buộc, chỉ trong một thời gian ngắn.”
Thời gian đăng bài: 29/03/2022