智慧城市 智慧路燈 NB-IoT Wi-SUN LTE Cat M1

連接數位城市新亮點 LPWA物聯網串起智慧路燈

2020-11-28
智慧路燈作為智慧城市骨幹,透過無線通訊串連著城市每盞路燈,能夠即時監控狀況和控制照明系統。為了平衡成本與效率考量, 目前多數城市智慧路燈都採用LPWA來通訊,其中NB-IoT受到電信商青睞,成為最多城市使用通訊技術。

 

以往傳統路燈沒有部署通訊系統,各市政府需要定時派人巡視管理,但百密總有一疏,仍有已故障或使用年限即將到期的路燈未被發現,恐造成城市治安或交通問題。因此,許多城市把傳統路燈轉換智慧路燈,透過無線通訊串起城市每盞路燈,除了精確地掌握路燈狀況,及時維修和預防維護,也根據周圍環境來調節路燈亮度。

此外,路燈智慧化應用不僅鎖定在照明功能方面,也有城市在燈桿放置各種感測器,例如空氣偵測、車流偵測、人流偵測器,或者利用IP攝影機來蒐集資料,讓政府可以提出相關策略改善交通、治安或環境問題等。

在部署IoT裝置時,廠商經常要考慮擺放位置與供電方面問題,由於原先路燈設備已經擁有24小時供電特性,以及已經建置完成的路燈系統,同時解決了IoT設備長期面對的兩大問題,在城市建立強大物聯網系統。

LPWA智慧化映照城市

目前智慧路燈主要發揮兩大功能是控制和監測。在控制方面,過去傳統路燈讓每盞路燈都在固定時間開啟,並且發出相同流明(Lumen)數的光造成電力浪費。智慧路燈能協助管理者根據環境、時間、人流或車流等因素,每隔一兩個小時或自行設定頻率回報路燈狀況,根據回報資料在遠端控制路燈開關與亮度,有效率地發揮城市照明功能。

圖1  研揚新事業發展處物聯網事業部副理莊富傑表示國外利用Mesh和邊緣運算方式,讓智慧路燈自主決定城市路燈開關與亮度。

在監測方面,傳統路燈故障僅能依靠人工巡邏方式來檢視,除了耗費人力成本與時間成本外,也無法精準地掌握每盞路燈情形。智慧路燈則能利用有線或無線通訊來串接所有城市內的路燈,在管理後台檢視每盞路燈情況,一旦系統發出警示時,管理者能及時前往維修,提升維護的效率,甚至也能管控每盞路燈生命週期。

然而,智慧路燈的建置需求範圍大且數量多,政府希望能夠降低建置成本。因此,在成本與效率考量下,當今大部分城市選擇成本低、耗能少和傳輸範圍廣的低功耗廣域(Low Power Wide Area Network, LPWA)網路做為智慧路燈之間主要通訊模式。 現今智慧路燈常見使用的LPWA技術有NB-IoT、LoRa,屬於星狀拓撲(Star Topology)結構,還有部分城市採用Wi-SUN則屬於網狀拓撲(Mesh Topology)結構。研揚新事業發展處物聯網事業部副理莊富傑(圖1)舉例指出,目前國外已經有城市利用網狀拓撲方式,傳遞每盞路燈分析結果至匣道器或後台,再利用類似投票方式決定結果,例如1,000盞路燈中有800盞分析結果表示已達到開燈標準,由智慧路燈系統自主決定整個城市路燈的開關和亮度。

另外,從LPWA通訊模組特性檢視,因為NB-IoT是運行於授權頻段(Licensed Band)的3GPP標準,受到許多電信業者支持,以及早期在中國通訊設備廠商大力推行下,目前成為在台灣智慧路燈最常用的通訊模式,u-blox商業開發主任陳思達表示,電信營運商本身已經在都會區建置了行動網路基地台,可沿用原來基礎建設,不需要另外規畫便可快速導入,再加上NB-IoT與使用免授權頻段(Unlicensed Band)的通訊技術相比,不容易受其他訊號干擾而出現資料掉包的情況,甚至能使用電信營運商提供的NB-IoT相關後續服務,才造成很多城市建置的智慧路燈偏好支援NB-IoT,但像LoRa這類免授權頻段比較適合建置在行動通訊網路訊號覆蓋較差的區域,例如山區或海邊等來填補NB-IoT通訊範圍不足。

再從當前台灣部署智慧路燈情況來看,濎通科技行銷業部經理呂沐勳(圖2)也認為,台灣智慧路燈都在人口密集的地方,設置基地台密度也較高,採用NB-IoT技術較不會有訊號盲區的問題,但台灣電信營運商會基於商業考量,較不會在人煙稀少區域特別建置一座基地台,因此也有業者考慮在智慧路燈內建置Wi-SUN模組,較不受基地台設置地點的影響,具有較高的部署彈性。目前,英國倫敦、美國邁阿密、法國巴黎和中國廣州的智慧路燈都採用Wi-SUN通訊模組。

圖2  濎通科技行銷業部經理呂沐勳認為由於Wi-SUN建置彈性高,能夠解決NB-IoT在城市布建智慧路燈的訊號盲區問題。

智慧路燈內通訊模組除了提供通訊功能外,市場上專門鎖定智慧路燈開發NB-IoT通訊模組也嵌入衛星導航系統(GNSS)系統,能夠精準標誌每盞路燈位置,但陳思達指出,雖然現有NB-IoT模組已經有提供一套GPS系統,但訊號容易在大樓之間反射情況下,真實定位與反射定位有落差,所以還需額外加裝一套GNSS模組,提供更精準的定位。

智慧路燈通訊晶片雙模化

目前LPWA廣泛應用在全世界智慧城市當中,其智慧路燈採取通訊模式各國支援情況也不同,例如中國、台灣是NB-IoT,美國則是LTE Cat M1為智慧路燈主要通訊模式。因此,IC業者在設計應用智慧路燈的晶片朝向雙模化,因應不同國家規格。Nordic區域銷售經理陳俊志表示(圖3),現在大部份晶片都採取雙模方式,這對於開發智慧路燈廠商來說能省下成本,例如通訊晶片同時整合NB-IoT與LTE Cat M1通訊模式,能輕易導入在不同國家的智慧路燈。

圖3  Nordic區域銷售經理陳俊志提出智慧路燈的通訊晶片雙模化逐漸成為趨勢,廠商除了能省下成本外也能快速進入其他國家。

莊富傑也指出,部分東南亞國家的智慧路燈沒有建置NB-IoT跟LTE Cat M1通訊模組,僅依靠LTE Cat 1方式來傳遞資料,因此在路燈控制器除了嵌入NB-IoT外,還另外嵌入LTE Cat 1通訊模組。

不但如此,大多數智慧路燈使用NB-IoT通訊模組,只會放入單一電信營運商的SIM卡。然而,莊富傑強調城市若遭遇天災問題,個別電信營運商的基地台毀損,經常需要7天以上時間才完成維修,這段期間導致智慧路燈無法提供通訊服務,等同智慧路燈失去效用。對此,廠商會在路燈控制器設計雙重SIM卡模式來解決此情形,但相對地成本也提高。

路燈應用增加擴大選擇中頻寬通訊技術

智慧路燈在長距離利用LPWA與其他智慧路燈通訊,搜集資料來控制照明開關和亮度外,短距離通訊則利用Wi-Fi、藍牙或行動網路,例如震動或環境感測器與路燈之間的通訊。不僅如此,隨著智慧路燈的應用陸續增加,例如空氣感測、數位看板、語音廣播或IP攝影機等,其搜集的資料將會整合一起,統一傳送訊息至後台。陳思達指出,現在通訊模組僅嵌入在路燈控制器內,各項設備也都是獨立嵌入NB-IoT模組來控制,但無法確定是否能夠整合其他設備統一來控制。

然而,目前NB-IoT最高頻寬僅有1Mbps,僅能負荷少數資料量,陳思達指出,原本路燈控制器只控制路燈本身,但因越來越多裝置掛載在燈桿,LTE Cat M1或LTE Cat 1才能負載整合後的傳輸量,包括影像資料。於是,原先使用NB-IoT聯網的智慧路燈,需轉向選擇使用頻寬較大的LTE Cat 1。對此,陳思達認為,雖然LTE Cat 1通訊頻寬可高達10Mbps,但從成本上考量,目前LTE Cat 1價格是NB-IoT的2倍,NB-IoT成本仍是最便宜,除非LTE Cat 1使用量達到足夠的經濟規模,其價格才會降低。

除了NB-IoT外,Wi-SUN也因應智慧路燈的功能不斷增加,最近也開始擬定規格升級,呂沐勳提到,Wi-SUN第一代只能提供300kpbs,目前正在擬定Wi-SUN第二代規格往更大頻寬而行,最高可以達到2.5Mpbs,未來嵌入Wi-SUN通訊模組的智慧路燈能夠傳遞聲音,預計在2021年底或2022年初正式發布。

 

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