Các thành phố thông minh kết nối mang đến những giấc mơ tươi đẹp. Tại những thành phố này, công nghệ số kết hợp nhiều chức năng công dân độc đáo để cải thiện hiệu quả vận hành và trí tuệ. Ước tính đến năm 2050, 70% dân số thế giới sẽ sống trong các thành phố thông minh, nơi cuộc sống sẽ khỏe mạnh, hạnh phúc và an toàn. Quan trọng hơn, thành phố này hứa hẹn sẽ xanh, lá bài chủ chốt của nhân loại chống lại sự hủy diệt hành tinh.
Nhưng thành phố thông minh là một công trình khó khăn. Công nghệ mới đắt đỏ, chính quyền địa phương bị hạn chế, và chính trị chuyển sang chu kỳ bầu cử ngắn, khiến việc đạt được một mô hình triển khai công nghệ tập trung hiệu quả về mặt tài chính và vận hành cao, được tái sử dụng ở các khu vực đô thị trên toàn cầu hoặc quốc gia, trở nên khó khăn. Trên thực tế, hầu hết các thành phố thông minh hàng đầu trên các mặt báo thực chất chỉ là tập hợp các thử nghiệm công nghệ và dự án phụ khác nhau ở cấp khu vực, 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; Trong bối cảnh này, lợi tức đầu tư (ROI) rất khó tính toán và chuẩn hóa, đặc biệt là khi các cơ quan chính phủ quá phân mảnh (giữa các cơ quan công và dịch vụ 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, thành phố thông minh khó triển khai, nhưng cũng khó phủ nhận.
Tuy nhiên, vẫn còn một tia sáng le lói giữa màn sương mù của sự thay đổi kỹ thuật số. Chiếu sáng đường phố trong tất cả các dịch vụ đô thị cung cấp một nền tảng cho các thành phố tiếp cận các chức năng thông minh và kết hợp nhiều ứng dụng lần đầu tiên. Hãy nhìn vào các dự án chiếu sáng đường phố thông minh đang được triển khai tại San Diego, Hoa Kỳ và Copenhagen, Đan Mạch, và chúng đang ngày càng gia tăng về số lượng. Các dự án này kết hợp các mảng cảm biến với các bộ phận phần cứng mô-đun được gắn cố định vào cột đèn để cho phép điều khiển từ xa hệ thống chiếu sáng và vận hành các chức năng khác, chẳng hạn như máy đếm lưu lượng giao thông, máy theo dõi chất lượng không khí, và thậm chí cả máy dò súng.
Từ đỉnh cao của những cột đèn, các thành phố đã bắt đầu giải quyết vấn đề "đáng sống" của thành phố trên đường phố, bao gồm lưu lượng giao thông và khả năng di chuyển, tiếng ồn và ô nhiễm không khí, cũng như các cơ hội kinh doanh mới nổi. Ngay cả các cảm biến đỗ xe, vốn thường được chôn 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 mạng và tối ưu hóa mà không cần phải đào đường, thuê mặt bằng hay giải quyết các vấn đề 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 lợi nhuận tiết kiệm 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 chiếu sáng.
Tiết kiệm năng lượng từ việc thay thế bóng đèn sợi đốt bằng đèn LED thể rắn, cùng với nguồn điện sẵn có và cơ sở hạ tầng chiếu sáng rộng khắp, giúp cho việc xây dựng thành phố thông minh trở nên khả thi.
Tốc độ chuyển đổi sang đèn LED đã chững lại, và chiếu sáng thông minh đang bùng nổ. Theo Northeast Group, một nhà 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 tài trợ đáng kể và bản thiết kế chi tiết được công bố, chiếu sáng đường phố vẫn là lựa chọn phù hợp nhất để làm cơ sở hạ tầng mạng cho nhiều công nghệ kỹ thuật số khác nhau tại các thành phố thông minh quy mô lớn.
Tiết kiệm chi phí đèn LED
Theo nguyên tắc chung được đề xuất bởi các nhà sản xuất thiết bị chiếu sáng và cảm biến, chiếu sáng thông minh có thể giảm 50 đến 70% chi phí quản lý và bảo trì liên quan đến cơ sở hạ tầng. Tuy nhiên, phần lớn khoản tiết kiệm này (khoảng 50%, 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 còn lại đến từ việc kết nối và điều khiển các thiết bị chiếu sáng, cũng như truyền tải thông tin thông minh về cách chúng hoạt động trên toàn bộ mạng lưới chiếu sáng.
Chỉ riêng việc điều chỉnh và quan sát tập trung đã có thể giảm đáng kể chi phí bảo trì. Có nhiều cách, và chúng bổ trợ cho nhau: lập lịch, kiểm soát theo mùa và điều chỉnh thời gian; chẩn đoán lỗi và giảm số lượng xe bảo trì. Tác động tăng lên theo quy mô mạng lưới chiếu sáng và quay trở lại trường hợp ROI ban đầu. Thị trường cho biết phương pháp này có thể tự hoàn vốn trong khoảng năm năm, và có tiềm năng hoàn vốn trong thời gian ngắn hơn bằng cách kết hợp các khái niệm thành phố thông minh "mềm" hơn, chẳng hạn như cảm biến đỗ xe, màn hình 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; Công ty cho biết một phần tư số thành phố đang triển khai các chương trình chiếu sáng thông minh. Doanh số bán các hệ thống thông minh đang tăng vọt. ABI Research tính toán rằng doanh thu toàn cầu sẽ tăng gấp mười lần, đạt 1,7 tỷ đô la vào năm 2026. "Khoảnh khắc bóng đèn" của Trái Đất là như thế này; Cơ sở hạ tầng chiếu sáng đường phố, vốn gắn liền với hoạt động của con người, là hướng đi tương lai, trở thành 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 hệ thống 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 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 ở quy mô lớn với chi phí hiệu quả."
Câu hỏi không còn là có nên kết nối hay không, mà là kết nối như thế nào và bao nhiêu ngay từ đầu. Như Krishnan nhận thấy, một phần của vấn đề này liên quan đến các mô hình kinh doanh, nhưng dòng tiền đã và đang chảy vào các thành phố thông minh thông qua hình thức tư nhân hóa tiện ích hợp tác (PPP), nơi các công ty tư nhân chịu rủi ro tài chính để đổi lấy thành công trong đầu tư mạo hiểm. Các hợp đồng "dịch vụ theo đăng ký" dựa trên đăng ký phân bổ đầu tư theo thời gian hoàn vốn, điều này cũng thúc đẩy hoạt động.
Ngược lại, đèn đường ở châu Âu đang được kết nối với mạng lưới tổ ong truyền thống (thường là 2G đến LTE (4G)), cũng như thiết bị chuẩn HONEYCOMB IoT mới, LTE-M. Công nghệ băng thông siêu hẹp (UNB) độc quyền cũng đang được áp dụng, cùng với Zigbee, một phiên bản nhỏ của Bluetooth công suất thấp, và các biến thể 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 thiết bị Bluetooth công suất thấp được vận chuyển đến các thành phố thông minh sẽ tăng gấp năm lần trong năm năm tới, lên 230 triệu thiết bị mỗi năm. Hầu hết được kết nối với các thiết bị theo dõi tài sản tại các địa điểm công cộng 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 này 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 hai kỹ thuật sẽ tốt hơn!
Mỗi công nghệ đều có những tranh cãi riêng, tuy nhiên, một số đã được giải quyết thông qua tranh luận. Ví dụ, UNB đề xuất các giới hạn chặt chẽ hơn về tải trọng và lịch trình phân phối, loại trừ khả năng hỗ trợ song song cho nhiều ứng dụng cảm biến hoặc cho các ứng dụng như camera yêu cầu điều này. Công nghệ tầm ngắn rẻ hơn và cung cấp thông lượng lớn hơn cho việc phát triển các thiết lập chiếu sáng dưới dạng 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 cảm biến để gỡ lỗi và chẩn đoán. Ví dụ, Bluetooth công suất thấp tương thích với hầu hết mọi điện thoại thông minh trên thị trường.
Mặc dù lưới dày đặc hơn có thể tăng cường độ bền, nhưng kiến trúc của nó lại trở nên phức tạp và đặt ra nhu cầu năng lượng cao hơn cho các cảm biến điểm-điểm được kết nối với nhau. Phạm vi truyền dẫn cũng là một vấn đề; phạm vi phủ sóng sử dụng Zigbee và Bluetooth công suất thấp chỉ tối đa vài trăm mét. Mặc dù nhiều công nghệ tầm ngắn có tính cạnh tranh cao và phù hợp với các cảm biến dạng lưới, trên phạm vi lân cận, nhưng chúng là các mạng khép kín, cuối cùng đòi hỏi phải sử dụng các cổng để truyền tín hiệu trở lại đám mây.
Kết nối dạng tổ ong thường được thêm vào cuối. Xu hướng của các nhà cung cấp thiết bị chiếu sáng thông minh là sử dụng kết nối dạng tổ ong điểm-đến-đám mây để cung cấp phạm vi phủ sóng từ 5 đến 15 km cho thiết bị cổng hoặc cảm biến. Công nghệ Beehive mang lại phạm vi truyền dẫn lớn và tính đơn giản; theo cộng đồng Hive, công nghệ này cũng cung cấp mạng lưới sẵn có và mức độ bảo mật cao hơn.
Neill Young, Giám đốc Mảng Internet Vạn Vật Dọc tại GSMA, một cơ quan đại diện cho các nhà mạng di động, cho biết: “Các nhà mạng di động… có phạm vi phủ sóng toàn bộ khu vực, do đó không cần cơ sở hạ tầng bổ sung để kết nối các thiết bị chiếu sáng và cảm biến đô thị. Trong phổ tần được cấp phép, mạng lưới tổ ong có độ an toàn và độ tin cậy cao, đồng nghĩa với việc nhà mạng có điều kiện tốt nhất, có thể hỗ trợ nhiều nhu cầu với thời lượng pin dài hơn, bảo trì tối thiểu và khoảng cách truyền dẫn xa hơn so với thiết bị giá rẻ.”
Theo ABI, trong số tất cả các công nghệ kết nối hiện có, HONEYCOMB sẽ chứng kiến sự tăng trưởng mạnh mẽ nhất trong những năm tới. Sự sôi động về mạng 5G và cuộc đua giành giật cơ sở hạ tầng 5G đã thúc đẩy các nhà mạng tranh giành cột đèn và lắp đặt các thiết bị dạng 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 cho biết 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 2,4 GHz độc quyền. Bộ định tuyến nRF9160 SiP nền tảng 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 suất và chi phí.”
Việc phân tách tần số cho phép các hệ thống này cùng tồn tại, với hệ thống trước hoạt động trong băng tần 2,4 GHz không cần cấp phép và hệ thống sau hoạt động ở bất kỳ nơi nào có LTE. Ở tần số thấp hơn và cao hơn, có sự đánh đổi giữa vùng phủ sóng rộng hơn và dung lượng truyền tải lớn hơn. Tuy nhiên, trong các nền tảng chiếu sáng, công nghệ không dây tầm ngắn thường được sử dụng để kết nối các cảm biến, năng lực điện toán biên được sử dụng cho mục đích quan sát và phân tích, và IoT tổ ong được sử dụng để gửi dữ liệu trở lại đám mây, cũng như điều khiển cảm biến để đạt mức độ bảo trì cao hơn.
Cho đến nay, cặp radio tầm ngắn và tầm xa được tích hợp riêng biệt, không được tích hợp vào cùng một chip silicon. Trong một số trường hợp, các thành phần được tách rời vì lỗi của đèn 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 đầu tư, vốn là những yếu tố quan trọng đối với các thành phố thông minh.
Nordic cho rằng thị trường đang chuyển động theo hướng đó. Công ty đã tích hợp các công nghệ kết nối IoT không dây tầm ngắn và Honeycomb 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. Bo mạch DK của Nordic dành cho nRF9160 SiP được thiết kế để các nhà phát triển "làm cho các ứng dụng IoT Honeycomb của họ hoạt động"; Nordic Thingy:91 được mô tả là một "cổng kết nối hoàn chỉnh sẵn sàng sử dụng" có thể được sử dụng làm nền tảng tạo mẫu sẵn sàng sử dụng hoặc làm bằng chứng khái niệm cho các thiết kế sản phẩm ban đầu.
Cả hai đều sử dụng 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 có thể thương mại hóa.
Nordic Nielsen cho biết: “Nền tảng chiếu sáng thành phố thông minh đã thiết lập tất cả các công nghệ kết nối này; thị trường đã rõ ràng cách kết hợp chúng với nhau. Chúng tôi đã cung cấp giải pháp cho các nhà sản xuất bảng phát triển để kiểm tra cách chúng hoạt động cùng nhau. Việc kết hợp chúng thành các giải pháp kinh doanh là điều bắt buộc, chỉ trong vấn đề thời gian.”
Thời gian đăng: 29-03-2022