Verbonden slimme steden brengen prachtige dromen. In zulke steden verweven digitale technologieën meerdere unieke maatschappelijke functies om de operationele efficiëntie en intelligentie te verbeteren. Naar verwachting zal in 2050 70% van de wereldbevolking in slimme steden wonen, waar het leven gezond, gelukkig en veilig zal zijn. Cruciaal is dat ze groen beloven te zijn, de laatste troefkaart van de mensheid tegen de vernietiging van de planeet.
Maar slimme steden zijn hard werken. Nieuwe technologieën zijn duur, lokale overheden hebben beperkingen en de politiek verschuift naar korte verkiezingscycli, waardoor het moeilijk is om een zeer operationeel en financieel efficiënt gecentraliseerd technologie-implementatiemodel te bereiken dat wereldwijd of nationaal in stedelijke gebieden wordt hergebruikt. Sterker nog, de meeste slimme steden die in het nieuws komen, zijn in feite slechts een verzameling van verschillende technologische experimenten en regionale zijprojecten, met weinig toekomstperspectief.
Laten we eens kijken naar afvalcontainers en parkeerplaatsen, die slim zijn 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 instanties en private diensten, maar ook tussen steden, gemeenten, regio's en landen). Kijk naar luchtkwaliteitsmonitoring. Hoe is het gemakkelijk om de impact van schone lucht op de gezondheidszorg in een stad te berekenen? Logischerwijs zijn slimme steden moeilijk te implementeren, maar ook moeilijk te ontkennen.
Er gloort echter een sprankje licht in de mist van digitale verandering. Straatverlichting in alle gemeentelijke diensten biedt steden een platform om slimme functies te verwerven en voor het eerst meerdere toepassingen te combineren. Kijk naar de verschillende slimme straatverlichtingsprojecten die worden uitgevoerd in San Diego (VS) en Kopenhagen (Denemarken), en hun aantal neemt toe. Deze projecten combineren sensorreeksen met modulaire hardware-eenheden die aan lantaarnpalen worden bevestigd om de verlichting op afstand te kunnen bedienen en andere functies te kunnen bedienen, zoals verkeerstellers, luchtkwaliteitsmonitoren en zelfs wapendetectoren.
Vanaf de hoogte van de lantaarnpalen zijn steden begonnen met het aanpakken van de 'leefbaarheid' van de stad op straat, inclusief verkeersdoorstroming en mobiliteit, geluidsoverlast en luchtvervuiling, en opkomende zakelijke kansen. Zelfs parkeersensoren, die traditioneel in parkeerterreinen verborgen zitten, kunnen goedkoop en efficiënt worden aangesloten op de verlichtingsinfrastructuur. Hele steden kunnen plotseling worden genetwerkt 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 meestal niet in eerste instantie worden berekend met het oog op besparingen door slimme oplossingen. In plaats daarvan is de levensvatbaarheid van de digitale revolutie in de stad een toevallig gevolg van de gelijktijdige ontwikkeling van verlichting.
De energiebesparing die ontstaat door het vervangen van gloeilampen door solid-state ledverlichting, gecombineerd met de gemakkelijk verkrijgbare voedingen en uitgebreide verlichtingsinfrastructuur, maken slimme steden haalbaar.
Het tempo van de LED-conversie ligt al laag en slimme verlichting is booming. Volgens Northeast Group, een analist op het gebied van slimme infrastructuur, zal ongeveer 90% van de 363 miljoen straatlantaarns wereldwijd in 2027 door leds worden verlicht. Een derde daarvan zal ook slimme applicaties draaien, een trend die enkele jaren geleden is ingezet. Totdat er aanzienlijke financiering en blauwdrukken beschikbaar zijn, is straatverlichting het meest geschikt als netwerkinfrastructuur voor diverse digitale technologieën in grootschalige slimme steden.
Bespaar 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. Maar de meeste van die besparingen (ongeveer 50 procent, genoeg om een verschil te maken) kunnen al worden gerealiseerd door simpelweg over te stappen op energiezuinige ledlampen. De rest van de besparingen komt voort uit het aansluiten en aansturen van verlichtingsarmaturen en het doorgeven van intelligente informatie over hun werking aan het verlichtingsnetwerk.
Gecentraliseerde aanpassingen en observaties kunnen de onderhoudskosten aanzienlijk verlagen. Er zijn vele manieren, en ze vullen elkaar aan: planning, seizoenssturing en timingaanpassing; storingsdiagnose en minder aanwezigheid van onderhoudswagens. De impact neemt toe met de omvang van het verlichtingsnetwerk en werkt door in de initiële ROI. De markt geeft aan dat deze aanpak zichzelf in ongeveer vijf jaar kan terugverdienen en de potentie heeft om zichzelf in kortere tijd terug te verdienen door de integratie van "zachtere" smart city-concepten, zoals die met parkeersensoren, verkeersmonitoren, luchtkwaliteitscontrole en wapendetectoren.
Marktanalist Guidehouse Insights volgt meer dan 200 steden om het tempo van de verandering te meten. Volgens het bedrijf voert een kwart van de steden slimme verlichtingssystemen in. De verkoop van slimme systemen stijgt enorm. ABI Research voorspelt dat de wereldwijde omzet tegen 2026 vertienvoudigd zal zijn tot $ 1,7 miljard. Het 'eureka-moment' van de aarde ziet er zo uit: straatverlichtingsinfrastructuur, die nauw verbonden is met menselijke activiteiten, is de toekomst 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 beheerplatform om data van meerdere sensoren voor slimme steden te integreren, aldus ABI.
Adarsh Krishnan, hoofdanalist bij ABI Research, zei: "Er zijn veel meer zakelijke kansen voor leveranciers van slimme steden die gebruikmaken van de infrastructuur van stedelijke lichtmasten door draadloze connectiviteit, omgevingssensoren en zelfs slimme camera's te implementeren. De uitdaging is om haalbare bedrijfsmodellen te vinden die de maatschappij stimuleren om multi-sensoroplossingen op grote schaal en op een kosteneffectieve manier in te zetten."
De vraag is niet langer of er verbinding moet worden gemaakt, maar hoe, en in welke mate. Zoals Krishnan opmerkt, draait dit deels om bedrijfsmodellen, maar er stroomt al geld naar slimme steden via coöperatieve privatisering van nutsvoorzieningen (PPS), waarbij private bedrijven financieel risico nemen in ruil voor succes in durfkapitaal. Op abonnementen gebaseerde 'as-a-service'-contracten spreiden investeringen over terugverdientijden, wat ook de activiteit aanwakkerde.
Straatlantaarns in Europa worden daarentegen aangesloten op traditionele honingraatnetwerken (meestal 2G tot en met LTE (4G)) en op de nieuwe HONEYCOMB IoT-standaard, LTE-M. Ook gepatenteerde ultranarrowband (UNB)-technologie wordt steeds vaker toegepast, samen met Zigbee, een beperkte reeks Bluetooth-technologieën met laag vermogen en afgeleiden van IEEE 802.15.4.
De Bluetooth Technology Alliance (SIG) legt speciale nadruk op slimme steden. De groep voorspelt dat de levering van Bluetooth met laag vermogen in slimme steden de komende vijf jaar zal vervijfvoudigen, tot 230 miljoen per jaar. De meeste hiervan zijn gekoppeld aan het traceren van activa in openbare ruimtes, zoals luchthavens, stadions, ziekenhuizen, winkelcentra en musea. Bluetooth met laag vermogen is echter ook gericht op buitennetwerken. "De oplossing voor activabeheer verbetert de benutting van de middelen van slimme steden en helpt de operationele kosten van steden te verlagen", aldus de Bluetooth Technology Alliance.
Een combinatie van beide technieken is beter!
Elke technologie kent echter zijn controverses, waarvan sommige in debatten zijn opgelost. Zo stelt de UNB strengere limieten voor laadvermogen en leveringsschema's voor, waardoor parallelle ondersteuning voor meerdere sensortoepassingen of voor toepassingen zoals camera's die dit vereisen, wordt uitgesloten. Technologie met een kort bereik is goedkoper en biedt een hogere doorvoersnelheid voor het ontwikkelen van verlichting-als-een-platform-instellingen. Belangrijk is dat ze ook een back-up kunnen vormen in geval van een verbroken WAN-signaal en technici de mogelijkheid bieden om sensoren direct uit te lezen voor foutopsporing en diagnose. Bluetooth met laag vermogen werkt bijvoorbeeld met vrijwel elke smartphone op de markt.
Hoewel een dichter netwerk de robuustheid kan verbeteren, wordt de architectuur ervan complex en stelt hogere eisen aan de energie-efficiëntie van onderling verbonden punt-tot-punt-sensoren. Het transmissiebereik is ook problematisch; de dekking via Zigbee en Bluetooth met laag vermogen is maximaal een paar honderd meter. Hoewel diverse technologieën met een kort bereik concurrerend en zeer geschikt zijn voor netwerkgebaseerde sensoren die de hele buurt bestrijken, zijn dit gesloten netwerken die uiteindelijk gateways vereisen om signalen terug naar de cloud te sturen.
Een honingraatverbinding wordt meestal aan het einde toegevoegd. De trend onder leveranciers van slimme verlichting is om point-to-cloud honingraatconnectiviteit te gebruiken om gateway- of sensorapparaten een bereik van 5 tot 15 km te bieden. Beehive-technologie biedt een groot transmissiebereik en eenvoud; het biedt ook kant-en-klare netwerkmogelijkheden en een hoger beveiligingsniveau, aldus de Hive-community.
Neill Young, hoofd van de afdeling Internet of Things Vertical bij de GSMA, een brancheorganisatie die mobiele netwerkoperators vertegenwoordigt, zei: "Action operators... hebben volledige dekking in het hele gebied en hebben daarom geen extra infrastructuur nodig om de stedelijke verlichtingsapparatuur en sensoren aan te sluiten. In het gelicentieerde spectrum is het honingraatnetwerk veilig en betrouwbaar, wat betekent dat de operator de beste voorwaarden heeft, een groot aantal behoeften kan ondersteunen, een veel langere batterijduur heeft, minimaal onderhoud vereist en een lange transmissieafstand van goedkope apparatuur."
Van alle beschikbare connectiviteitstechnologieën zal HONEYCOMB de komende jaren de grootste groei doormaken, aldus ABI. De hype rond 5G-netwerken en de strijd om 5G-infrastructuur te hosten, heeft ertoe geleid dat exploitanten lantaarnpalen hebben gegrepen en kleine honingraatvormige units in stedelijke omgevingen hebben geplaatst. In de Verenigde Staten implementeren Las Vegas en Sacramento LTE en 5G, evenals slimme stadssensoren, op straatverlichting via providers AT&T en Verizon. Hongkong heeft zojuist een plan onthuld om 400 5G-compatibele lantaarnpalen te installeren als onderdeel van het smart city-initiatief.
Nauwe integratie van hardware
Nielsen voegde eraan toe: "Nordic biedt multi-mode producten voor zowel korte als lange afstanden, met de nRF52840 SoC die Bluetooth met laag vermogen, Bluetooth Mesh en Zigbee ondersteunt, evenals Thread en gepatenteerde 2,4 GHz-systemen. Nordics op honingraat gebaseerde nRF9160 SiP biedt zowel LTE-M als NB-iot-ondersteuning. De combinatie van beide technologieën levert prestatie- en kostenvoordelen op."
Dankzij frequentiescheiding kunnen deze systemen naast elkaar bestaan, waarbij het eerste in de toestemmingsvrije 2,4 GHz-band werkt en het tweede overal waar LTE zich bevindt. Bij lagere en hogere frequenties is er een afweging tussen een grotere dekking en een grotere transmissiecapaciteit. Maar in verlichtingsplatforms wordt doorgaans draadloze technologie met een kort bereik gebruikt om sensoren met elkaar te verbinden, edge computing wordt gebruikt voor observatie en analyse, en honeycomb IoT wordt gebruikt om gegevens terug te sturen naar de cloud, evenals sensorbeheer voor hogere onderhoudsniveaus.
Tot nu toe zijn de korte- en langeafstandsradio's afzonderlijk toegevoegd en niet ingebouwd in dezelfde siliciumchip. In sommige gevallen zijn de componenten gescheiden omdat de storingen van de verlichting, sensor en radio allemaal verschillend zijn. De integratie van twee radio's in één systeem zal echter resulteren in nauwere technologische integratie en lagere aanschafkosten, wat belangrijke overwegingen zijn voor slimme steden.
Nordic denkt dat de markt zich in die richting beweegt. Het bedrijf heeft draadloze technologieën met een kort bereik en honingraat IoT-connectiviteit geïntegreerd in hardware en software op ontwikkelaarsniveau, zodat fabrikanten van oplossingen deze twee technologieën gelijktijdig in testtoepassingen kunnen gebruiken. Nordics DK-board voor de nRF9160 SiP is ontworpen voor ontwikkelaars om "hun honingraat IoT-toepassingen te laten werken"; Nordic Thingy:91 wordt omschreven 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 zijn voorzien van multi-mode honingraat nRF9160 SiP en multi-protocol short-range nRF52840 SoC. Embedded systemen die beide technologieën combineren voor commerciële IoT-implementaties zijn volgens Nordic nog maar "maanden" verwijderd van commercialisering.
Nordic Nielsen zei: "Het smart city-verlichtingsplatform heeft al deze verbindingstechnologieën opgezet; de markt is heel duidelijk over hoe ze gecombineerd kunnen worden. We hebben oplossingen ontwikkeld voor de ontwikkelafdeling van fabrikanten om te testen hoe ze samenwerken. Het is essentieel dat ze binnen afzienbare tijd tot bedrijfsoplossingen worden gecombineerd."
Plaatsingstijd: 29-03-2022