【IoT应用】基于Wi-SUN标准的智慧城市路灯设计考量

　　通过添加无线连接和双向通信，智能路灯可以成为可伸缩的物联网雨棚，提供照明以外的其他解决方案，而采用Wi-SUN无线技术很可能是实现此一概念的关键。智能路灯的优点长期以来一直受到赞扬，它有助于改善公民的安全，并且可以延长行人于外部活动的时间。然而，根据世界银行(World Bank)的数据，许多基于传统技术的路灯系统已经占到一个城市用电量的65%，且在公共设施昂贵的维护费用中几乎排在首位。在为不夜城提供基本服务的同时，这种财政浪费的影响相当大，同时不必要的能源消耗也增加了排放到大气中的二氧化碳量。

　　由于LED照明可以节省高达70%的能源，许多政府现在正在制定措施，以采用LED来减少白炽灯泡的使用，并增加其在住宅、公共和商业空间的使用率。LED灯的使用寿命通常可达20年，尽管它的投资回报率已相当可观，但它的长寿命更进一步促进新的商业模式出现：通过控制和传感器来增强能源服务。

　　在连接到一个泛城市网络时，智能化的主要目的是实现单一应用：路灯管理。拥有智能路灯系统的好处在于能够实施可调节的照明策略(如采光)，以符合当地需求，并通过优化使用来节省能源。这可以通过异常检测和故障警报来提供操作透明度和预测性维护的潜力。而且它也可以成为其他智慧城市应用的媒介，如二氧化碳传感器、公共Wi-Fi、智能停车场，甚至枪械探测。通过额外的无线连接和双向通信，照明可以成为可伸缩的物联网雨棚，提供照明以外的多种其他解决方案。通过将路灯连接到中央管理系统(Centralized Management System, CMS)，可以访问实时信息并实现多个城市部门之间的数据共享。

　　考虑到智能路灯系统需要实时运行并快速适应不断变化的环境条件，它们需要可扩展、安全、可靠、低延迟、远程、高吞吐量和双向连接。任何连接中断都可能产生负面影响。关键是全方位的设计：了解城市特定的环境照明要求，对使用和能源消耗的可见性的需求，并考虑城市的长期目标。在智慧城市生态系统中，当你从使用离散的、孤立的产品转向使用产品系统，并从产品系统转向连接在一起的体系时，重要的是要确保交付市场的硬件具备数字功能并随时准备与未来无缝连接。

　　为了连接路灯，在每个灯具上都需要安装无线控制器，该控制器与管理应用程序进行通信。在开发由无线节点组成的端到端智能LED路灯解决方案时，OEM在物联网开发平台中必须考虑以下元素：

　　互操作性和可扩展性

　　在选择网络拓扑和协议时，互操作性和可伸缩性显得尤为重要。在网状网络中，路灯控制器通过自我配置和自我修复网络相互通信，并与网关通信。网关将通信路由到CMS。添加更多设备会创建多条通信路径，从而确保没有单点故障，并确实增强了网络。在点对点网络中，节点通过蜂窝网络直接与CMS通信，可以证明在其他关键任务环境中提供的冗余更少。

　　Wi-SUN是“无线智能泛在网络”的简称，是一种适用于智慧城市和智能公用事业应用的领先IPv6 sub-GHz网状技术。作为大规模户外物联网无线通信网络的理想选择，伦敦市最近更新了其照明设备，将这种通信技术纳入其中，称其额外的功能使环境监测等新项目具有高度吸引力。

　　一旦路灯部署完毕，传感器节点应用程序就可以关闭任何一盏路灯。这意味着可以将传感器应用程序扩展到任意数量，这取决于一个城市正在寻找什么，以及他们希望如何部署一些新兴应用程序。Wi-SUN是一个经得起未来考验的可扩展选择，可以说它为城市提供了一种可以在30-40年内扩展其解决方案的途径。

　　灵活性

　　路灯被部署后也应保持灵活性。由于许多智慧城市目前仍处于起步阶段，Wi-SUN技术为集成新的第三方设备提供了灵活性。

　　Wi-SUN是一种开放的、基于标准的技术，任何供应商都可以使用它，构建解决方案并进行部署。它确保城市有足够的灵活性来做出修改，如果他们选择这样做的话，并且仍然让他们选择从不同供应商购买硬件和软件，从而防止供应商绑定的情形。

　　Wi-SUN是一个网状网络，位于ISM无线电频段(免费频谱)中——其中蜂窝网络通常是基于订阅的，并且位于许可频段内。一旦有了Wi-SUN在城市中部署设备，就由城市管理部门来管理整个网络。由于它是网状网络，可以在不重新部署或重新构建整个网络的情况下添加新的节点。蜂窝网络有限的寿命也是值得考虑的。手机运营商通常会在10-12年的时间内结束其产品的使用寿命，这对于智慧城市项目来说是一个狭窄的时间框架。为了说明这一点，据估计，由于2G网络的逐步淘汰，美国大约有3000万个终端沦为孤儿。

　　选用sub-GHz或2.4 GHz频率

　　当考虑照明控制器本身的通信协议或平台时，取决于OEM选择使用哪种技术，这是评估采用sub-GHz或2.4 GHz芯片的问题，并使用这些类型的频段引导自己选择正确的协议。

　　市场上有许多2.4GHz的网状网络选项，如Zigbee和蓝牙mesh，它们分别在家庭自动化和商业照明领域很受欢迎，这是由于它们的低功耗网状拓扑结构。然而，新兴的sub-GHz解决方案的吸引力在于其更长的范围和无线稳定性，因为sub-GHz频谱没有2.4GHz那么拥挤。随着智慧城市的建设，可扩展到数十万节点的选项将成为关键需求。这就是为什么在sub-GHz频段部署Wi-SUN等解决方案如此具有吸引力的原因。

　　安全至上

　　现今市场上的无线芯片功能非常灵活，当OEM制造了灯具控制器，他们不需要在下一个版本的规范出现时更换芯片。通过芯片支持的无线更新(Over-The-Air, OTA)技术，可以直接更新固件、软件和应用程序。因此，无线照明基础设施中的OTA支持可以解决安全问题和一般产品改进。

　　安全永远是最重要的。网络保护对于关键的基础设施尤其重要，你不希望城市管理者联系OEM，说有人正在入侵你的路灯吧!因此，芯片应该在硬件本身中集成一个安全元素：一个可以存储安全密钥和密码的区域，而不让黑客访问它。需要注意的内置功能包括真正的随机数生成器、加密引擎、带锁定/解锁的安全调试功能、DPA对策和防篡改芯片设计。

　　目前，全球每年的能源消耗量预计将超过5.8亿太焦耳，根据国际能源署(IEA)的数据，2021年的电力需求将增长4.5%，或超过1000太瓦时。在这个从产品到增强产品再到平台的世界里，智能互联解决方案的能力不断增强，为扭转这一能源趋势提供了更多的可能性。

　　如果我们现在就能做到这一点，那么在不久的将来，城市将在技术上变得更加智能，利用软件和无线通信来优化能源的使用，从而将能源消耗降至最低。性能监控系统将实时了解公共设施的运行情况，实现动态运行变化，优化整体性能和维护。这一切都始于智能LED照明网络。