Verbonden slimme steden brengen prachtige dromen met zich mee. In zulke steden verbinden digitale technologieën diverse unieke maatschappelijke functies met elkaar om de operationele efficiëntie en intelligentie te verbeteren. Naar schatting zal in 2050 70% van de wereldbevolking in slimme steden wonen, waar het leven gezond, gelukkig en veilig zal zijn. Cruciaal is dat ze ook groen beloven te zijn, de laatste troefkaart van de mensheid tegen de vernietiging van de planeet.
Maar slimme steden zijn een hele klus. Nieuwe technologieën zijn duur, lokale overheden hebben beperkte mogelijkheden en de politiek kenmerkt zich door korte verkiezingscycli, waardoor het moeilijk is om een zeer operationeel en financieel efficiënt, gecentraliseerd model voor de uitrol van technologie te realiseren dat wereldwijd of nationaal in stedelijke gebieden kan worden hergebruikt. Sterker nog, de meeste toonaangevende slimme steden die in het nieuws komen, zijn in werkelijkheid slechts een verzameling van verschillende technologie-experimenten en regionale nevenprojecten, met weinig perspectief op verdere uitbreiding.
Laten we eens kijken naar afvalcontainers en parkeerterreinen, die slim zijn uitgerust met sensoren en analyses; in deze context is het rendement op investering (ROI) moeilijk te berekenen en te standaardiseren, vooral wanneer overheidsinstanties zo gefragmenteerd zijn (tussen publieke en private diensten, maar ook tussen steden, regio's en landen). Neem bijvoorbeeld luchtkwaliteitsmonitoring; hoe is het eenvoudig om de impact van schone lucht op de gezondheidszorg in een stad te berekenen? Logischerwijs zijn slimme steden moeilijk te implementeren, maar tegelijkertijd ook moeilijk te ontkennen.
Er is echter een sprankje hoop te bespeuren in de mist van de digitale veranderingen. Straatverlichting in alle gemeentelijke voorzieningen biedt steden voor het eerst een platform om slimme functies te implementeren en meerdere toepassingen te combineren. Kijk bijvoorbeeld naar de verschillende slimme straatverlichtingsprojecten die worden uitgevoerd in San Diego (VS) en Kopenhagen (Denemarken); het aantal neemt toe. Deze projecten combineren sensorarrays met modulaire hardware-eenheden die aan lichtmasten zijn bevestigd, waardoor de verlichting zelf op afstand kan worden bediend en andere functies kunnen worden aangestuurd, zoals verkeerstellers, luchtkwaliteitsmeters en zelfs wapendetectoren.
Vanuit het perspectief van de lantaarnpaal zijn steden begonnen de leefbaarheid van de stad op straatniveau aan te pakken, inclusief verkeersdoorstroming en mobiliteit, geluids- en luchtvervuiling en opkomende zakelijke kansen. Zelfs parkeersensoren, die traditioneel in parkeergarages zijn weggewerkt, kunnen goedkoop en efficiënt worden aangesloten op de verlichtingsinfrastructuur. Hele steden kunnen ineens worden verbonden en geoptimaliseerd zonder straten open te breken, ruimte te huren of abstracte computerproblemen op te lossen over gezonder leven en veiligere straten.
Dit werkt omdat slimme verlichtingsoplossingen over het algemeen niet in eerste instantie worden berekend op basis van besparingen die slimme oplossingen opleveren. De levensvatbaarheid van de digitale revolutie in de stad is eerder een toevallig gevolg van de gelijktijdige ontwikkeling van verlichting.
De energiebesparing die voortvloeit uit het vervangen van gloeilampen door ledverlichting, in combinatie met de gemakkelijk verkrijgbare stroomvoorziening en een uitgebreide verlichtingsinfrastructuur, maakt slimme steden haalbaar.
De overgang naar ledverlichting verloopt al gestaag, terwijl slimme verlichting een enorme groei doormaakt. Volgens Northeast Group, een analist op het gebied van slimme infrastructuur, zal ongeveer 90% van de 363 miljoen straatverlichtingselementen wereldwijd in 2027 met leds worden verlicht. Een derde daarvan zal ook slimme applicaties ondersteunen, een trend die een paar jaar geleden is ingezet. Totdat er voldoende financiering en concrete plannen beschikbaar komen, is straatverlichting vooral geschikt als netwerkinfrastructuur voor diverse digitale technologieën in grootschalige slimme steden.
Bespaar op LED-kosten
Volgens de vuistregels van fabrikanten van verlichting en sensoren kan slimme verlichting de administratieve en onderhoudskosten van de infrastructuur met 50 tot 70 procent verlagen. Het grootste deel van die besparing (ongeveer 50 procent, genoeg om een verschil te maken) kan echter al worden gerealiseerd door simpelweg over te stappen op energiezuinige ledlampen. De rest van de besparing komt voort uit het verbinden en aansturen van de verlichtingselementen en het doorgeven van intelligente informatie over hun werking binnen het verlichtingsnetwerk.
Alleen al gecentraliseerde aanpassingen en observaties kunnen de onderhoudskosten aanzienlijk verlagen. Er zijn vele manieren, die elkaar aanvullen: planning, seizoensgebonden controle en timingaanpassing; foutdiagnose en minder bezoeken van onderhoudswagens. De impact neemt toe met de omvang van het verlichtingsnetwerk en vertaalt zich terug in het initiële rendement op de investering (ROI). De markt geeft aan dat deze aanpak zichzelf in ongeveer vijf jaar terugverdient en potentieel sneller kan worden terugverdiend door de integratie van 'zachtere' smart city-concepten, zoals parkeersensoren, verkeersmonitoren, luchtkwaliteitscontrole en wapendetectoren.
Guidehouse Insights, een marktonderzoeksbureau, volgt meer dan 200 steden om het tempo van de veranderingen te meten. Volgens hen is een kwart van de steden bezig met de uitrol van slimme verlichtingssystemen. De verkoop van slimme systemen stijgt explosief. ABI Research berekent dat de wereldwijde omzet tegen 2026 vertienvoudigd zal zijn tot 1,7 miljard dollar. Het lijkt erop dat de infrastructuur voor straatverlichting, die nauw verbonden is met menselijke activiteiten, de toekomst is als platform voor slimme steden in een bredere context. Al in 2022 zal meer dan twee derde van de nieuwe straatverlichtingsinstallaties gekoppeld zijn aan een centraal beheersplatform om gegevens van meerdere slimme stadssensoren te integreren, aldus ABI.
Adarsh Krishnan, hoofdanalist bij ABI Research, zei: "Er zijn veel meer zakelijke mogelijkheden voor leveranciers van slimme stadsoplossingen die gebruikmaken van de infrastructuur van lantaarnpalen in de stad door draadloze connectiviteit, omgevingssensoren en zelfs slimme camera's te implementeren. De uitdaging is om levensvatbare bedrijfsmodellen te vinden die de samenleving stimuleren om op grote schaal en op een kosteneffectieve manier multisensoroplossingen in te zetten."
De vraag is niet langer óf we verbinding moeten maken, maar hóé, en hoeveel verbinding we überhaupt nodig hebben. Zoals Krishnan opmerkt, gaat het deels om bedrijfsmodellen, maar er stroomt al geld naar slimme steden via coöperatieve privatisering van nutsvoorzieningen (PPP), waarbij particuliere bedrijven financieel risico nemen in ruil voor succes in durfkapitaal. Abonnementscontracten "as-a-service" spreiden investeringen over terugverdienperioden, wat de activiteit eveneens stimuleerde.
In tegenstelling hiermee worden straatverlichting in Europa aangesloten op traditionele honingraatnetwerken (doorgaans 2G tot LTE (4G)) en op de nieuwe honingraat IoT-standaard, LTE-M. Ook eigen ultra-narrowband (UNB)-technologie speelt een rol, samen met Zigbee, een beperkt aantal energiezuinige Bluetooth-apparaten en afgeleiden van IEEE 802.15.4.
De Bluetooth Technology Alliance (SIG) legt bijzondere nadruk op slimme steden. De groep voorspelt dat de leveringen van energiezuinige Bluetooth-modules in slimme steden de komende vijf jaar zullen vervijfvoudigen tot 230 miljoen per jaar. De meeste worden gebruikt voor het volgen van objecten op openbare plaatsen, zoals luchthavens, stadions, ziekenhuizen, winkelcentra en musea. Energiezuinige Bluetooth is echter ook bedoeld voor buitennetwerken. "De oplossing voor objectbeheer verbetert het gebruik van de middelen van slimme steden en helpt de operationele kosten van stedelijke gebieden te verlagen", aldus de Bluetooth Technology Alliance.
Een combinatie van beide technieken is beter!
Elke technologie kent echter zijn eigen controverses, waarvan sommige in het debat zijn opgelost. Zo stelt UNB bijvoorbeeld strengere limieten voor payload en leveringsschema's voor, waardoor parallelle ondersteuning voor meerdere sensorapplicaties of voor toepassingen zoals camera's die dit vereisen, wordt uitgesloten. Technologie voor korte afstanden is goedkoper en biedt een hogere doorvoer voor de ontwikkeling van verlichting als platform. Belangrijk is dat deze technologieën ook een back-upfunctie kunnen vervullen in geval van een WAN-signaalonderbreking en technici de mogelijkheid bieden om sensoren direct uit te lezen voor debugging en diagnose. Energiezuinige Bluetooth werkt bijvoorbeeld met vrijwel elke smartphone op de markt.
Hoewel een dichter netwerk de robuustheid kan vergroten, wordt de architectuur complexer en stelt deze hogere eisen aan de energiebehoefte van onderling verbonden punt-tot-punt sensoren. Ook het zendbereik is problematisch; de dekking met Zigbee en energiezuinige Bluetooth is maximaal een paar honderd meter. Hoewel diverse technologieën voor korte afstanden concurrerend zijn en goed geschikt voor netwerkgebaseerde sensoren die de hele buurt bestrijken, zijn het gesloten netwerken die uiteindelijk gateways vereisen om signalen terug naar de cloud te verzenden.
Een honingraatverbinding wordt meestal aan het einde toegevoegd. De trend bij leveranciers van slimme verlichting is om point-to-cloud honingraatverbindingen te gebruiken om gateways of sensoren over een afstand van 5 tot 15 km te kunnen bedienen. De honingraattechnologie biedt een groot transmissiebereik en eenvoud; het biedt ook kant-en-klare netwerkoplossingen en een hoger beveiligingsniveau, aldus de Hive-community.
Neill Young, hoofd van de Internet of Things-afdeling bij de GSMA, een brancheorganisatie die mobiele netwerkoperators vertegenwoordigt, zei: "Operators hebben dekking over het hele gebied en hebben daarom geen extra infrastructuur nodig om de stedelijke verlichtingsapparaten en sensoren aan te sluiten. Het gelicentieerde spectrum met honingraatstructuur biedt veiligheid en betrouwbaarheid, wat betekent dat de operator over de beste voorwaarden beschikt, een veel langere batterijduur en minimaal onderhoud kan bieden, en een groot transmissiebereik heeft met goedkope apparatuur."
Volgens ABI zal HONEYCOMB van alle beschikbare connectiviteitstechnologieën de komende jaren de grootste groei doormaken. De hype rond 5G-netwerken en de strijd om 5G-infrastructuur te plaatsen, heeft ertoe geleid dat operators massaal lantaarnpalen gebruiken om kleine honingraatstructuren in stedelijke gebieden te plaatsen. In de Verenigde Staten implementeren Las Vegas en Sacramento LTE en 5G, evenals slimme stadssensoren, op straatverlichting via de providers AT&T en Verizon. Hongkong heeft onlangs een plan onthuld om 400 lantaarnpalen met 5G-functionaliteit te installeren als onderdeel van haar smart city-initiatief.
Nauwe integratie van hardware
Nielsen voegde eraan toe: “Nordic biedt multimode producten voor zowel korte als lange afstanden. De nRF52840 SoC ondersteunt energiezuinige Bluetooth, Bluetooth Mesh en Zigbee, evenals Thread en eigen 2,4 GHz-systemen. Nordic's op Honeycomb gebaseerde nRF9160 SiP biedt ondersteuning voor zowel LTE-M als NB-IoT. De combinatie van deze twee technologieën levert prestatie- en kostenvoordelen op.”
Frequentiescheiding maakt het mogelijk dat deze systemen naast elkaar bestaan, waarbij het eerste systeem werkt in de 2,4 GHz-band waar geen toestemming nodig is en het tweede systeem overal waar LTE beschikbaar is. Bij lagere en hogere frequenties is er een afweging tussen een groter dekkingsgebied en een hogere transmissiecapaciteit. In verlichtingsplatforms wordt echter doorgaans draadloze technologie met een kort bereik gebruikt om sensoren met elkaar te verbinden, edge computing wordt ingezet voor observatie en analyse, en honeycomb IoT wordt gebruikt om data terug te sturen naar de cloud, evenals sensorbesturing voor een hoger onderhoudsniveau.
Tot nu toe zijn de korte- en langeafstandsradio's afzonderlijk toegevoegd en niet in dezelfde siliciumchip geïntegreerd. In sommige gevallen zijn de componenten gescheiden omdat de storingen van de verlichtingseenheid, sensor en radio allemaal verschillend zijn. Het integreren van twee radio's in één systeem zal echter leiden tot een nauwere technologische integratie en lagere aanschafkosten, wat belangrijke overwegingen zijn voor slimme steden.
Nordic denkt dat de markt die kant opgaat. Het bedrijf heeft draadloze connectiviteitstechnologieën voor korte afstanden en honingraat-IoT-connectiviteit geïntegreerd in hardware en software op ontwikkelaarsniveau, zodat fabrikanten van oplossingen de twee technologieën tegelijkertijd in testapplicaties kunnen gebruiken. Nordic's board DK voor nRF9160 SiP is ontworpen voor ontwikkelaars om "hun honingraat-IoT-applicaties werkend te krijgen"; Nordic Thingy:91 is beschreven als een "volwaardige, kant-en-klare gateway" die kan worden gebruikt als een kant-en-klaar prototypingplatform of proof-of-concept voor vroege productontwerpen.
Beide chips beschikken over een multi-mode honingraat nRF9160 SiP en een multi-protocol nRF52840 SoC voor korte afstanden. Volgens Nordic zijn embedded systemen die de twee technologieën combineren voor commerciële IoT-toepassingen nog maar "enkele maanden" verwijderd van commercialisering.
Nordic Nielsen verklaarde: "Het platform voor slimme stadsverlichting is opgezet om al deze verbindingstechnologieën te integreren. De markt laat duidelijk zien hoe deze technologieën gecombineerd kunnen worden. Wij hebben oplossingen geleverd voor fabrikanten om te testen hoe ze samenwerken. Het is essentieel dat ze binnen afzienbare tijd worden geïntegreerd in zakelijke oplossingen."
Geplaatst op: 29 maart 2022