【導(dǎo)讀】所謂的智能路燈實(shí)際上就是使用LED作為光源，再借助傳感器和先進(jìn)的無線通信技術(shù)，以可控的方式實(shí)現(xiàn)城市的公共智能照明需求，從而達(dá)到降低能源成本，提高安全性和生活質(zhì)量的目標(biāo)。憑借較高的能源效率，智能路燈將徹底改變城市照明的方式。
通過利用物聯(lián)網(wǎng)（IoT）和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)連接等先進(jìn)技術(shù)，城市可以變得更加高效、可持續(xù)和宜居，其中一個(gè)例子就是智能路燈。
所謂的智能路燈實(shí)際上就是使用LED作為光源，再借助傳感器和先進(jìn)的無線通信技術(shù)，以可控的方式實(shí)現(xiàn)城市的公共智能照明需求，從而達(dá)到降低能源成本，提高安全性和生活質(zhì)量的目標(biāo)。憑借較高的能源效率，智能路燈將徹底改變城市照明的方式。
Berg Insight公司在調(diào)查了智能路燈市場(chǎng)的新發(fā)展后給出了這樣一組數(shù)據(jù)：截至2022年底，全球獨(dú)立控制智能路燈的安裝量以22.7%的復(fù)合年增長(zhǎng)率高速增長(zhǎng)，達(dá)到了2,300萬盞；到2027年，預(yù)計(jì)這一數(shù)字將達(dá)到6,380萬盞。歐洲是智能路燈方案的積極推動(dòng)者，目前約占全球安裝基數(shù)的35%。
在實(shí)際運(yùn)作中，成本優(yōu)化只是公共管理部門在轉(zhuǎn)向智能路燈時(shí)必須考慮的因素之一，遍布全市主要街道的那些智能互聯(lián)的路燈資源在智慧城市管理中還將衍生出更多創(chuàng)新應(yīng)用。這些配備了傳感器、無線連接模塊的照明設(shè)備，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)空氣質(zhì)量、噪音水平以及交通流量等諸多信息。有了這些數(shù)據(jù)，城市管理者可以做出明智的決定，以提高城市的整體效率和宜居性。
智能路燈：智慧城市的寶貴資產(chǎn)
智能路燈通常與物聯(lián)網(wǎng)（IoT）集成，可與其他設(shè)備和系統(tǒng)進(jìn)行通信，從而創(chuàng)建一個(gè)相互連接的基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)。這種連接性使它們能夠動(dòng)態(tài)響應(yīng)不斷變化的外部環(huán)境，例如根據(jù)行人或車輛的多少以及天氣變化等情況確定亮燈時(shí)間并調(diào)整亮度，以此達(dá)到優(yōu)化能耗，提高整體安全性的目的。
智能照明為每盞燈提供了單獨(dú)控制和監(jiān)控的能力，這意味著不再需要夜間檢查。此外，安裝在每盞燈上的智能控制器允許根據(jù)一天中的時(shí)間或交通情況進(jìn)行連續(xù)感知和動(dòng)態(tài)開/關(guān)/調(diào)光控制，所有這些都將轉(zhuǎn)化為能源及運(yùn)營(yíng)成本的降低。此外，因?yàn)闊糁械墓收峡梢院苋菀椎貦z測(cè)和修復(fù)，智能照明系統(tǒng)還能大幅降低維護(hù)成本。市場(chǎng)數(shù)據(jù)表明，智能照明可使能源成本降低35%，運(yùn)營(yíng)成本降低42%。
街道照明是各地智慧城市建設(shè)的基礎(chǔ)設(shè)施，智能路燈與智慧城市基礎(chǔ)設(shè)施的整合還能帶來更多的附加價(jià)值。與大型項(xiàng)目相比，在路燈桿上安裝傳感器不那么復(fù)雜和具有破壞性，更容易在整個(gè)城市進(jìn)行集成。
智能路燈網(wǎng)絡(luò)即使在白天也會(huì)持續(xù)供電，這意味著有大量其他傳感器和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可以從智能街道照明電網(wǎng)獲取電能。由于每根燈桿都可以連接到更廣泛的網(wǎng)絡(luò)，因而每盞燈都可以轉(zhuǎn)變?yōu)槲锫?lián)網(wǎng)的安裝平臺(tái)。所有這一切意味著，發(fā)展智慧城市所需的三個(gè)基本要素智能街道照明都可以提供——即物理安裝基礎(chǔ)設(shè)施、通信基礎(chǔ)設(shè)施和永久電源。
通過在路燈上安裝額外的傳感器，可以解決城市目前面臨的常見問題。比如在智能燈桿上輔助安裝智能停車和交通傳感器、環(huán)境傳感器、閉路電視攝像頭或麥克風(fēng)等。有實(shí)驗(yàn)表明，即使是電動(dòng)汽車充電插頭也可以直接連接到路燈桿上，而無需任何土建工程。
智能路燈中的通信技術(shù)
智能路燈有許多節(jié)點(diǎn)或傳感器用來檢測(cè)各種數(shù)據(jù)，然后通過無線通信網(wǎng)絡(luò)共享這些數(shù)據(jù)，并與遠(yuǎn)程中央控制系統(tǒng)共享。通信技術(shù)被認(rèn)為是其中的“神經(jīng)系統(tǒng)”，它將智能系統(tǒng)的所有元素集成到一個(gè)平臺(tái)中，確保了硬件和軟件之間的信息傳輸，充當(dāng)了設(shè)備和軟件的粘合劑。
在通信技術(shù)的選擇上，有公共網(wǎng)絡(luò)和專有網(wǎng)絡(luò)之分，二者具有不同的安全性和可靠性，成本也有較大不同。選擇的重點(diǎn)首先要看哪種方案能夠滿足城市和其他現(xiàn)有智能系統(tǒng)的具體需求，再就是要分析公共或?qū)Ｓ镁W(wǎng)絡(luò)哪一種更容易在當(dāng)?shù)夭渴稹?br style="padding: 0px; margin: 0px auto;"/>
公共網(wǎng)絡(luò)如NB-IoT、4G或5G，由電信運(yùn)營(yíng)商安裝和維護(hù)，可以包括無限數(shù)量的設(shè)備，更適合實(shí)時(shí)通信。在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商的責(zé)任下，他們采取措施確保網(wǎng)絡(luò)的安全和正常運(yùn)行。這種類型的通信具有更高的安全性和可靠性。NB-IoT是一種專為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計(jì)的低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)，智能路燈可以利用NB-IoT連接到蜂窩網(wǎng)絡(luò)并長(zhǎng)距離傳輸數(shù)據(jù)，使它們能夠與其他設(shè)備和系統(tǒng)（如交通管理系統(tǒng)或緊急服務(wù)）可靠有效地通信。
專用網(wǎng)絡(luò)由市政當(dāng)局或智能照明提供商直接運(yùn)營(yíng)，采用的技術(shù)主要有LoRaWAN和Wi-SUN，也有一些項(xiàng)目采用了電力線通信（PLC）技術(shù)。PLC技術(shù)利用現(xiàn)有的電力線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，調(diào)制電力線上的電信號(hào)允許這些燈在沒有額外通信基礎(chǔ)設(shè)施的情況下發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。也算是一種高效且經(jīng)濟(jì)的解決方案，但該技術(shù)方案往往會(huì)受到信號(hào)干擾的限制。LoRaWAN和Wi-SUN通常在遠(yuǎn)程和低功耗下運(yùn)行，可以將多達(dá)5,000臺(tái)設(shè)備連接到單個(gè)網(wǎng)關(guān)，適合機(jī)器對(duì)機(jī)器（M2M）通信的特定需求，并且可以讓物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在單個(gè)電池上可靠運(yùn)行長(zhǎng)達(dá)10年。
很多項(xiàng)目中，專用網(wǎng)絡(luò)是解決方案提供商在設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)或智慧城市系統(tǒng)時(shí)的首選。在這些網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、安裝、維護(hù)和安全，這些都必須由照明提供商執(zhí)行。此外，安裝成本可能相對(duì)較高，用戶需要自己進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)維護(hù)，但同時(shí)節(jié)省了向運(yùn)營(yíng)商支付網(wǎng)絡(luò)費(fèi)用的成本。
LoRaWAN在智能路燈中的應(yīng)用
雖然基于蜂窩的解決方案提供了廣泛的覆蓋范圍和高數(shù)據(jù)傳輸速度，但它們也帶來了更高的功耗和基礎(chǔ)設(shè)施成本。LoRaWAN因其遠(yuǎn)程連接、低功耗和經(jīng)濟(jì)高效的部署在智能路燈方案中脫穎而出。它以極低的基礎(chǔ)設(shè)施要求提供廣泛的覆蓋范圍，是大型智能路燈項(xiàng)目的有效解決方案。
LoRaWAN系統(tǒng)遵循星形拓?fù)?，網(wǎng)關(guān)充當(dāng)終端設(shè)備和云服務(wù)器之間的中介。這些系統(tǒng)易于配置，成本效益高，使用壽命長(zhǎng)，可以輕松地與交通信號(hào)燈、停車場(chǎng)和廢物管理等其他智能城市設(shè)備集成。在智能街道照明解決方案中使用LoRaWAN可以獲得以下一些優(yōu)勢(shì)：
? LoRaWAN使街道照明設(shè)備以極少的電力消耗實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信。
? LoRaWAN能為街道照明設(shè)備提供集中控制和實(shí)時(shí)監(jiān)控功能。管理員可以遠(yuǎn)程調(diào)整照明參數(shù)、安排開/關(guān)時(shí)間和監(jiān)控性能，確保高效運(yùn)行和更好的可見性。
? 使用LoRaWAN可以連續(xù)監(jiān)測(cè)街道照明系統(tǒng)的故障或出現(xiàn)的異常情況，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)維護(hù)、快速識(shí)別問題并及時(shí)維修，極大限度地減少停機(jī)時(shí)間并確?？煽窟\(yùn)行。
? LoRaWAN在智能街道照明解決方案中實(shí)現(xiàn)了能源管理的智能化。根據(jù)需要遠(yuǎn)程控制照明水平，可極大限度地減少不必要的能源消耗。
? 實(shí)施基于LoRaWAN的智能街道照明解決方案相對(duì)簡(jiǎn)單且經(jīng)濟(jì)高效。該技術(shù)的無線特性消除了對(duì)復(fù)雜布線的需求，減少了安裝時(shí)間和成本。
? LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)具有可擴(kuò)展性，可以隨著照明基礎(chǔ)設(shè)施的增長(zhǎng)或需要覆蓋新的區(qū)域而輕松擴(kuò)展。
公共照明是城市的“神經(jīng)系統(tǒng)”，是連接數(shù)億盞路燈的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施。在智能路燈領(lǐng)域，LoRaWAN已經(jīng)成為游戲規(guī)則的改變者。Semtech的LoRa技術(shù)和基于LoRaWAN協(xié)議的低功耗廣域網(wǎng)提供了一個(gè)智能傳感和控制基礎(chǔ)設(shè)施，使城市能夠以簡(jiǎn)化的方式收集和分析來自數(shù)千個(gè)連接設(shè)備的數(shù)據(jù)，以便對(duì)他們需要提供的服務(wù)做出智能決策。
早在2022年，Semtech就宣布與智慧城市智能照明解決方案供應(yīng)商CITiLIGHT合作，共同打造VELOCITi LMS照明管理系統(tǒng)。超過100萬盞路燈已經(jīng)通過智能照明解決方案實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，在100多個(gè)城市節(jié)省了12.9億千瓦時(shí)（kWh）的能源。
Semtech的LoRa和LoRaWAN產(chǎn)品組合非常完善，其中的LoRa Connect傳感器IC產(chǎn)品組合就包括sub-GHz收發(fā)器芯片、2.4GHz芯片、雙頻芯片和參考設(shè)計(jì)，具體產(chǎn)品包括SX126x系列、SX127x系列、SX128x系列和LLCC68收發(fā)器芯片，以及芯片的參考設(shè)計(jì)。它們共同代表了Semtech LoRa Connect設(shè)備的基本功能，包括長(zhǎng)距離、低功耗和經(jīng)濟(jì)高效的端到端通信。
SX1261、SX1262和SX1268 Sub-GHz無線電收發(fā)器非常適合智能路燈這種長(zhǎng)距離無線應(yīng)用，三款器件均專為實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)電池壽命而設(shè)計(jì)，僅4.2mA的有源接收會(huì)消耗電量。SX1261的傳輸功率高達(dá)+15dBm，而SX1262和SX1268可以通過高效集成功率放大器實(shí)現(xiàn)高達(dá)+22dBm的傳輸功率。這些器件均支持LPWAN用例的LoRa和長(zhǎng)距離FHSS調(diào)制以及傳統(tǒng)用例的(G)FSK調(diào)制，具有高度可配置性。射頻前端器件中的SX1250屬于Sub-GHz器件，適合搭配Semtech的SX1302基帶引擎，以打造出利用LoRa或LoRaWAN的高性能網(wǎng)關(guān)，覆蓋1GHz以下的任何頻段，非常適合支持當(dāng)今物聯(lián)網(wǎng)用例中使用的任何免授權(quán)頻段。
LoRaWAN技術(shù)憑借其遠(yuǎn)程連接、低能耗和成本效益，正在徹底改變智能街道照明控制。通過利用LoRaWAN技術(shù)，城市可以通過智能街道照明控制實(shí)現(xiàn)能源效率、成本節(jié)約和宜居性的提高。
圖2：SX126X系統(tǒng)框圖（圖源：Semtech）
Wi-SUN技術(shù)在智能路燈中的應(yīng)用
近年來，LPWA（低功耗廣域）等無線技術(shù)越來越多地被應(yīng)用于社會(huì)基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用中，以配置大規(guī)模區(qū)域室外網(wǎng)絡(luò)。然而，傳統(tǒng)的LPWA協(xié)議如LoRaWAN、NB-IoT容易受到周圍環(huán)境變化（即新建筑開發(fā)）的影響，包括通信速度降低和通信故障等。
Wi-SUN聯(lián)盟是一個(gè)全球性的行業(yè)聯(lián)盟，它推動(dòng)了可互操作的無線解決方案的普及，該技術(shù)正在使日常智慧城市的應(yīng)用更加高效。無線智能泛在網(wǎng)絡(luò)（Wi-SUN）是一種基于IEEE 802.15.4g標(biāo)準(zhǔn)的新興技術(shù)，適用于智慧城市和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。Wi-SUN技術(shù)網(wǎng)絡(luò)支持星形、網(wǎng)狀拓?fù)浜颓度刖W(wǎng)狀拓?fù)渲械幕旌闲切?網(wǎng)狀部署，其中每個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)以提供網(wǎng)絡(luò)連接。Wi-SUN技術(shù)網(wǎng)絡(luò)可用于高功率和電池供電的設(shè)備。
圖3：Wi-SUN與其他物聯(lián)網(wǎng)無線標(biāo)準(zhǔn)的比較（圖源：ROHM） 從上圖可以看出，Wi-SUN的特點(diǎn)是通信距離比Wi-Fi長(zhǎng)，速度比LoRaWAN和Sigfox快。這些平衡的特性具有不依賴于基站的適中傳輸速率，使其成為物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)的極佳無線協(xié)議。這使其能夠與預(yù)計(jì)將在不久的將來推出的5G共存，從而實(shí)現(xiàn)與5G的互補(bǔ)使用。
Wi-SUN FAN（Field Area Network）是一種可互操作的低功耗無線通信標(biāo)準(zhǔn)，也是新的Wi-SUN標(biāo)準(zhǔn)，它將IEEE802.15.4g低功耗無線傳輸與IPv6多級(jí)技術(shù)相結(jié)合，具有三大技術(shù)特征：
使用Wi-SUN FAN作為底層網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將智能路燈網(wǎng)絡(luò)作為互連的天幕，可以為智慧城市中的各種應(yīng)用提供安全的無線連接，越來越多的后續(xù)應(yīng)用可以從而連接到同一通信網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行管理，如智慧停車、污染監(jiān)測(cè)、交通流管理、智慧標(biāo)牌等。
2019年，由ROHM與日本日新系統(tǒng)株式會(huì)社和京都大學(xué)信息學(xué)研究生院原田浩史教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組，共同開發(fā)了Wi-SUN FAN兼容無線設(shè)備，這是業(yè)界第一個(gè)通過測(cè)試并獲得認(rèn)證的設(shè)備，并于次年投產(chǎn)并推向市場(chǎng)。
ROHM公司新推出的Wi-SUN FAN模塊解決方案BP35C5是一種超小型（15.0mm×19.0mm尺寸）Wi-SUN FAN無線通信模塊，通過在網(wǎng)關(guān)MCU中為大規(guī)模系統(tǒng)安裝Wi-SUN FAN堆棧，至多可以連接1,000個(gè)設(shè)備（例如交通信號(hào)和路燈），從而能夠配置覆蓋整個(gè)城市的遠(yuǎn)程無線管理系統(tǒng)。此外，BP35C5還包括必要的安全功能，用于在不需要復(fù)雜控制的情況下進(jìn)行安全通信。
圖4：超小型Wi-SUN FAN無線通信模塊BP35C5（圖源：貿(mào)澤電子）
智能城市對(duì)互聯(lián)和智能技術(shù)的采用越來越多，對(duì)優(yōu)化能源使用的需求越來越大，對(duì)改善客戶體驗(yàn)的需求激增，這些都直接影響了智能路燈Wi-SUN技術(shù)市場(chǎng)的增長(zhǎng)。在2021年至2028年的預(yù)測(cè)期內(nèi)，智能路燈Wi-SUN技術(shù)市場(chǎng)預(yù)計(jì)將以29.20%的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)。
STMicroelectronics公司的高性能超低功耗S2-LP射頻收發(fā)器原生支持IEEE802.15.4g數(shù)據(jù)包格式，可隨時(shí)用于Wi-SUN應(yīng)用。S2-LP是一款高性能的超低功耗RF收發(fā)器，適用于sub-1 GHz頻段的RF無線應(yīng)用。該器件設(shè)計(jì)為在免許可的ISM和SRD（433、512、868和920MHz）頻帶上均可運(yùn)行，但也可以對(duì)其進(jìn)行編程，以便在其他額外頻率下運(yùn)行。S2-LP支持多種不同的調(diào)制方案，包括2(G)FSK、4(G)FSK、OOK和ASK。還可以對(duì)無線數(shù)據(jù)傳輸速率進(jìn)行編程，范圍從0.1到500kbps。
圖5：S2-LP簡(jiǎn)化系統(tǒng)框圖（圖源：STMicroelectronics）
本文小結(jié)
根據(jù)Mordor Intelligence的一項(xiàng)研究，2023年智能照明市場(chǎng)估計(jì)價(jià)值超過190億美元，預(yù)計(jì)到2028年將達(dá)到近500億美元，相當(dāng)于預(yù)測(cè)期（2023-2028）的復(fù)合年增長(zhǎng)率超過20%。
正如數(shù)據(jù)所表明的那樣，城市管理者已經(jīng)開始認(rèn)識(shí)到，在一個(gè)依賴于永久電力和連通性的世界里，街道照明網(wǎng)絡(luò)是一項(xiàng)寶貴的資產(chǎn)。智能路燈為城市環(huán)境走向更加互聯(lián)和可持續(xù)的未來鋪平了道路。
智能街道照明系統(tǒng)不僅提供更好的照明，還收集交通、空氣質(zhì)量和噪音水平的數(shù)據(jù)，這些系統(tǒng)可以遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制，以便進(jìn)行主動(dòng)維護(hù)和快速響應(yīng)。通過利用智能街道照明網(wǎng)絡(luò)在城市周圍安裝額外的智能應(yīng)用，長(zhǎng)期成本將大大降低，新服務(wù)還能以更快的速度部署。智能路燈這項(xiàng)技術(shù)的可能性及其集成潛力數(shù)不勝數(shù)，但自動(dòng)化路燈為智能城市基礎(chǔ)設(shè)施提供了完美的切入點(diǎn)。它們可以擴(kuò)展、集成和連接各種技術(shù)，使其成為城市或城鎮(zhèn)在發(fā)展過程中的寶貴資源，并據(jù)此做出更明智、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的決策。
借助LoRaWAN技術(shù)的魔力，我們可以通過實(shí)施明亮高效的智能街道照明系統(tǒng)將智慧城市基礎(chǔ)設(shè)施提升到一個(gè)新的水平。作為一項(xiàng)新技術(shù)，Wi-SUN FAN有望在大規(guī)模、高可靠性的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中得到應(yīng)用，使用的例子包括智能街道照明以及與電動(dòng)汽車（EV）和下一代智能電表相關(guān)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。
與傳統(tǒng)路燈相比，智能路燈具有各種優(yōu)勢(shì)，如更好的節(jié)能、更高的運(yùn)營(yíng)效率、更低的維護(hù)成本和減少碳排放等。與此同時(shí)，智能路燈也為L(zhǎng)oRaWAN和Wi-SUN技術(shù)提供了市場(chǎng)發(fā)展機(jī)會(huì)。
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