Os padrões de tecnologia e comunicação evoluíram para conectar dispositivos e iluminação em redes de cidades inteligentes, juntamente com padrões emergentes que darão suporte a casos de uso da próxima geração.

Melhorar a segurança da comunidade, acelerar o progresso em direção às metas de sustentabilidade e fornecer retorno previsível sobre o investimento (ROI) são os principais fatores por trás da rápida adoção de sistemas de iluminação de estado sólido (SSL) baseados em LED. Cidades de Chicago a Copenhague e Christchurch estão apresentando uma variedade de benefícios sociais, ambientais e econômicos obtidos com a atualização de suas redes de iluminação externa para luzes de rua inteligentes que permitem conectividade e controle remoto por municípios e consumidores (Fig.1). Embora os benefícios da iluminação LED sejam inúmeros, o verdadeiro poder desses sistemas reside nos padrões de tecnologia subjacentes que permitem a transformação além da luz, com serviços mais inteligentes e conectados digitalmente.

À medida que as tecnologias amadurecem, o mercado de fornecedores e prestadores de serviços se torna cada vez mais dinâmico, exigindo colaboração cuidadosa com os padrões do setor para tornar os sistemas interoperáveis ​​- fornecendo ao mercado mais opções e concorrência, catalisando a inovação. Para iluminação externa, existem três elementos fundamentais do sistema: a rede de comunicação, dispositivos de terminal e software de gerenciamento. Este artigo fornecerá um breve histórico dos padrões de iluminação inteligente, sua maturação e evolução, bem como uma visualização de padrões emergentes que desbloquearão a próxima geração de casos de uso de cidades inteligentes além da iluminação.

Antes de mergulharmos nos padrões de iluminação inteligente, é importante estabelecer uma definição comum do que significa uma cidade se tornar “inteligente”. No centro, tornar-se uma cidade inteligente é utilizar a tecnologia da Internet das Coisas (IoT) e aplicativos para gerenciar a infraestrutura de uma cidade e melhorar a vida de seus cidadãos. Essas soluções prometem oferecer uma variedade de benefícios para os residentes, mas a sustentabilidade ambiental, segurança e qualidade de vida geralmente são as mais altas como as principais prioridades de muitas comunidades em todo o mundo (Fig. 2). Para uma cidade típica, a idéia de projetar, implantar e gerenciar uma rede IoT em toda a cidade pode parecer assustadora. No entanto, existe um paralelo interessante no setor de serviços públicos de eletricidade / gás / água, que apresenta um precedente e um modelo claros de como alcançar a transformação digital, conforme ilustrado pelos colegas da Utilitys Magazine da LEDs Magazine. Então, como as concessionárias abordaram o desafio da transformação digital? Tudo começa com a rede.

A fundação de uma Smart City

Cumprir a promessa da transformação digital exige a integração de um ecossistema dinâmico de hardware, software e dispositivos em um sistema unificado – que oferece conectividade e inteligência onipresentes em toda a infraestrutura da cidade. Cada caso de uso terá requisitos exclusivos para largura de banda, latência, longevidade e confiabilidade. A solução de iluminação ideal permitirá que as cidades criem uma “rede de redes” que conecte com segurança várias tecnologias de rede em um sistema unificado (Fig. 3).

As cidades e os utilitários geralmente começam com uma rede que pode ser aproveitada para dar suporte a vários aplicativos subseqüentes, também conhecidos como aplicativos de copa – um caso de uso de alta prioridade que justifica uma implantação de rede em toda a cidade. Aqui, cidades e serviços públicos enfrentam um desafio comum, ou seja, monitorar e gerenciar dispositivos de infraestrutura crítica distribuídos para reduzir o desperdício. Para utilitários, isso significa implantar medidores inteligentes equipados com comunicação bidirecional para permitir operações remotas e automatizar a coleta de dados para cobrança.

A iluminação pública pode consumir até 50% do orçamento anual de energia de uma cidade, de acordo com o site Citylab da Atlantic Monthly1. Assim, as cidades geralmente começam com iluminação externa para permitir o agendamento remoto de on / off / escurecimento e medição de energia de nível de utilidade. Ambos os casos de uso envolvem ativos de local fixo que são onipresentemente implementados e requerem comunicações ultra-confiáveis ​​máquina a máquina (M2M). Entre na Aliança Wi-SUN (Redes Inteligentes de Utilidades Inteligentes) com uma tecnologia criada especificamente para aplicativos de missão crítica.

Em 2011, um grupo de fornecedores de tecnologia se reuniu para estabelecer a Wi-SUN Alliance, uma coalizão global da indústria cuja missão era desenvolver uma especificação de perfil técnico, com base em padrões conhecidos da indústria do IEEE e IETF, para permitir implementações de vários fornecedores e oferecer uma rede de área de campo interoperável (FAN). A visão da Wi-SUN Alliance era utilizar o espectro de radiofrequência (RF) sem licença para fornecer comunicações confiáveis ​​e resilientes para sistemas críticos de infraestrutura. A tecnologia é baseada no padrão IEEE 802.15.4g, uma topologia de malha de RF que permite a comunicação M2M entre dois dispositivos na rede.

Diferentemente das redes ponto a multiponto (ou “estrela”), um dos principais diferenciais das redes mesh é que elas oferecem cobertura superior (um exemplo de como a topologia funciona pode ser encontrado com o Bluetooth Mesh em ambientes internos). De fato, as redes mesh tornam-se mais fortes e resistentes à medida que a densidade da rede aumenta, porque cada dispositivo de terminal tem vários caminhos de conexão redundantes de volta à estação base. Dada a robustez e a densidade dessas conexões em um ambiente externo dinâmico, o Wi-SUN FAN é ideal para aplicações de cobertura, como medição inteligente e iluminação pública.

À medida que a adoção da tecnologia de rede inteligente continuou aumentando, o Wi-SUN respondeu à forte demanda do mercado, evoluindo para incorporar casos de uso emergentes de utilidades inteligentes. Por fim, isso levou a Wi-SUN Alliance a mudar a marca de redes de serviços inteligentes sem fio para redes ubíquas inteligentes, reforçando assim a posição da tecnologia como uma solução líder para redes IoT industriais (IIoT) externas. De fato, com mais de 95 milhões de dispositivos habilitados para Wi-SUN implantados até a data2, o Wi-SUN é a tecnologia IIoT mais amplamente adotada no mundo – portanto, é um ajuste perfeito para a fundação de iluminação inteligente e redes de cidades inteligentes.

Geralmente agrupados como 5G, os padrões celulares emergentes – incluindo as tecnologias / arquitetura de “pequenas células” de alta largura de banda e latência ultra-baixa, bem como os padrões celulares de banda estreita amigáveis ​​à IIoT LTE-M (Cat M1 & M2) e NB-IoT (Cat NB1 e NB2) – pode fornecer ofertas de serviços complementares e aprimoramentos de cobertura para casos de uso específicos. É possível prever cenários de rede de redes em que pequenas células 5G fornecem retorno para uma cobertura mais profunda e resiliência do ventilador de malha Wi-SUN RF Mesh. Como tecnologias de rede de área ampla de baixa potência (LPWAN), o Cat M1 e o NB-IoT podem ter penetração e alcance para fornecer conectividade resiliente para aplicativos simples de aquisição de dados e monitoramento de ativos; no entanto, preocupações com latência e taxa de transferência podem excluir aplicativos críticos como iluminação dinâmica ou otimização de tráfego. Ter um entendimento sofisticado dos vários requisitos de casos de uso e opções de tecnologia será essencial para conduzir decisões comerciais pragmáticas para essas implantações, e os padrões desempenharão um papel crítico para garantir a interoperabilidade entre redes e dispositivos em um ecossistema de vários fornecedores.

Por fim, é importante considerar o ciclo de vida desses dispositivos conectados. A infraestrutura crítica, em particular, tem uma vida útil relativamente longa no campo. Espera-se que esses dispositivos durem mais de uma década, portanto, é importante garantir que os sistemas de conectividade subjacentes estejam disponíveis durante todo o ciclo de vida. Historicamente, as operadoras de celular atualizam a infraestrutura de rede a cada cinco a sete anos, com pouco ou nenhum suporte para as gerações anteriores de dispositivos conectados. Essas atualizações requerem equipamentos e manutenção dispendiosos para atualizar os sistemas legados. Caso contrário, esses ativos críticos de infraestrutura serão deixados “ociosos”. Um exemplo de um ativo ocioso seria estacionar quiosques de pagamento que tenham modems celulares 3G incorporados. Com as operadoras eliminando a 3G nos próximos anos3, esses dispositivos não serão mais suportados, então as cidades precisam essencialmente substituir e substituir esses ativos ociosos. As tecnologias de várias gerações, compatíveis com versões anteriores e atualizáveis ​​sem fio, proporcionam às cidades e serviços públicos a flexibilidade de implantar seus sistemas ao longo do tempo, sem nenhum dispositivo para trás.

Conectando os dispositivos na ponta

Na América do Norte, o hardware de iluminação externa herdado é controlado por um NLC (Networked Lighting Controller) de interface de soquete de 3 pinos simples, conforme definido pela ANSI C136.10. Esses dispositivos forneciam um controle simples de ligar / desligar a iluminação, necessário para a iluminação básica do crepúsculo ao amanhecer. Como era necessário que os NLCs de primeira geração tivessem flexibilidade para trabalhar com luminárias herdadas que operam em tensões e temperaturas muito altas, os fabricantes precisavam incorporar eletrônicos caros para fornecer uma fonte de alimentação estável e de alta qualidade e proteção contra sobretensão para os equipamentos. Da mesma forma, na Europa, os equipamentos de iluminação externa herdados utilizavam controladores externos de gabinete, que eram de fabricação cara e de difícil manutenção.

A introdução de LEDs de baixo custo alterou fundamentalmente os requisitos para os NLCs. Como os LEDs são dispositivos de eficiência ultra alta que usam corrente contínua (CC), as luminárias LED operam em voltagens e temperaturas significativamente mais baixas do que as luminárias tradicionais. Os componentes do aparelho (por exemplo, drivers de LED) também se tornaram mais inteligentes e incluíram eletrônicos mais avançados (às vezes redundantes). Além disso, como as luzes da rua são conectadas à rede, elevadas e onipresentes, os postes podem oferecer um valor ainda maior quando usados ​​como infraestrutura de montagem física para redes IIoT para conectar outros ativos de cidades inteligentes. À medida que as cidades adotam uma visão mais holística de suas iniciativas de modernização da iluminação, a proporção de custo de hardware em relação à instalação e mão-de-obra está se tornando menos significativa. Portanto, muitas cidades estão adotando uma visão estratégica para alavancar essas atualizações e lançar as bases para futuras aplicações.

Reconhecendo a oportunidade de utilizar sistemas de iluminação externa para possibilitar casos de uso de cidades inteligentes mais avançados, o mercado respondeu com a introdução de um padrão mais robusto, o ANSI C136.41, que especifica uma interface de 7 pinos que fornece recursos significativamente aprimorados. Dois dos sete pinos foram designados para ativar os recursos avançados de escurecimento do dispositivo LED (aumentar / diminuir os níveis de luz), proporcionando aos operadores de iluminação mais flexibilidade para gerenciar a saída de iluminação e otimizar a eficiência, a segurança e a qualidade do serviço. Os outros dois pinos (6 e 7) não foram atribuídos a funcionalidades específicas, mas o movimento recente nos comitês de padrões identificou vários casos de uso de cidades inteligentes que envolvem a conexão de sensores a essa interface.

Camadas em comunicações multiuso aprimoraram ainda mais o ROI para sistemas de iluminação inteligentes, fornecendo visibilidade em tempo real para monitorar e controlar qualquer ativo de cidade inteligente conectado. À medida que a tecnologia continuava amadurecendo, a taxa de adoção se acelerou, com muitas das principais cidades do mundo concluindo lançamentos em larga escala de implantações. Isso apresentou um novo conjunto de desafios: com muitas implantações que excedem centenas de milhares ou até milhões de dispositivos conectados, essas implantações de alto volume apresentaram maior risco de erro humano. Por exemplo, manter informações precisas sobre ativos geralmente requer entrada manual de dados em vários sistemas de back-office. A instalação e o comissionamento automatizados prometeram corrigir muitos desses problemas, mas exigiram aprimoramentos adicionais para fornecer mais dados que melhorariam o gerenciamento de ativos.

De olho no futuro, o próximo padrão ANSI 137.4 incorpora uma interface de iluminação endereçável digital (DALI) – um padrão criado pela Digital Illumination Interface Alliance – para fornecer uma estrutura comum para a coleta de dados específicos da luminária para gerenciamento de ativos (consulte uma prévia artigo para informações sobre DALI e DALI-2). Esse recurso aprimorado permite aos fabricantes programar dados de ativos sobre cada ponto de luz diretamente no driver de LED. Quando combinado com um controlador de iluminação inteligente, esse recurso automatiza a coleta de informações importantes (por exemplo, marca / modelo do fabricante, número de série, potência) que permitem aos operadores de iluminação monitorar e gerenciar seus conjuntos de dados com precisão e eficiência.

Embora o receptáculo NEMA de 7 pinos com trava de torção tenha sido a configuração mais amplamente adotada até hoje para os controladores de iluminação (fora da Europa e parte da Ásia), a tecnologia tem sido o resultado de uma série de melhorias incrementais em uma solução que foi criada inicialmente para controlar sistemas de iluminação herdados, de alta tensão e alimentados por CA, estabelecendo uma oportunidade perfeita para novas tecnologias de perturbar o setor de iluminação externa.

Na Europa e em partes da Ásia, o novo padrão Zhaga Book 18 (e o novo padrão norte-americano ANSI 136.58) para controladores de iluminação inteligentes atende à necessidade fundamental do setor de ter um controlador de iluminação otimizado para sistemas de iluminação LED de baixa tensão e alimentados por CC . Ao projetar os controladores especificamente para luminárias DC, os controladores de iluminação Zhaga podem eliminar muitas das restrições de custo, durabilidade e volume que os fabricantes de dispositivos tiveram que considerar para projetos baseados em NEMA. Os controladores Zhaga também foram projetados para maximizar a interoperabilidade dos componentes de iluminação em uma ampla gama de fornecedores, reconhecendo as diversas necessidades das cidades inteligentes e a demanda do mercado por soluções flexíveis e atualizáveis. Nota do editor: Uma demonstração de interoperabilidade ocorreu recentemente no Simpósio profissional de LED.

Além do papel principal de conectar e controlar luminárias LED, os controladores de iluminação podem servir como uma plataforma para permitir outros ativos de cidades inteligentes conectadas. Os controladores compatíveis com Zhaga apresentam quatro pontos de conexão: a fonte de alimentação de 24V DC, dois conectores DALI para gerenciamento de ativos da luminária e uma interface digital de uso geral usada para módulos de extensão que fornecem recursos de detecção e comunicação.

A inclusão de um módulo de extensão no design do controlador Zhaga transforma o controlador de iluminação em uma plataforma extensível para sensores avançados de cidades inteligentes. A fonte de alimentação interna de 24V DC também aborda alguns dos desafios dos sistemas legados de alta tensão e alta corrente. A oferta de acesso direto à energia DC torna possível eliminar o hardware redundante para proteção contra sobretensão e condicionamento de energia no driver de LED e no controlador de iluminação, o que reduz drasticamente o custo e a complexidade dos módulos de extensão. Essa abordagem é análoga à maneira como a interface USB (Universal Serial Bus) simplificou o ecossistema de acessórios para PC e dispositivos móveis. Por fim, essa abordagem simplificada abrirá uma ampla gama de possibilidades para novos casos de uso que não são de iluminação.

Por exemplo, o módulo de extensão pode ser usado para adicionar um sensor de radar para medir a taxa de transferência de tráfego, fornecendo aos operadores de iluminação dados em tempo real para permitir que programas de escurecimento dinâmico correspondam aos padrões de tráfego. Como alternativa, o módulo de extensão pode ser usado para alimentar uma variedade de gateways de rede celular ou LPWAN, criando assim uma rede de redes para fornecer conectividade econômica a uma ampla variedade de ativos da cidade.

Trazendo a rede à vida

Agora que estabelecemos a base da rede e as interfaces físico-mecânicas para conectar ativos de cidades inteligentes, o próximo desafio é como dar vida a esses dispositivos. Especificamente, como esses dispositivos são implantados, configurados e gerenciados em uma rede de cidade inteligente?

Desde 2002, a Open Mobile Alliance (OMA) define uma estrutura padrão de gerenciamento de dispositivos para permitir dispositivos móveis interoperáveis ​​em várias tecnologias e operadoras de rede. Embora o OMA tenha fornecido uma estrutura para orientar futuras implementações de IoT, o desafio de gerenciar dispositivos IoT heterogêneos e muitas vezes restritos requer uma abordagem diferente.

Para enfrentar esses desafios, os principais fornecedores de equipamentos e operadores de rede colaboraram para criar um novo protocolo, o LightweightM2M (LWM2M), que facilita o gerenciamento do ciclo de vida completo dos dispositivos conectados, a partir das instalações de fabricação, garantindo comunicações seguras e monitorando o fim da vida útil. A visão era fornecer uma estrutura que permitisse que um ecossistema de dispositivos conectados à IoT garantisse interoperabilidade contínua entre vários fornecedores, operadoras e mídias de conectividade.

O LWM2M fornece uma estrutura padrão para fornecedores de tecnologia criarem soluções que podem se conectar e interoperar com segurança em uma rede de cidade inteligente. Isso permite que as operadoras de rede, independentemente da mídia de conectividade, habilitem um ecossistema de fornecedores. Para os fornecedores de tecnologia, a padronização do protocolo de gerenciamento de dispositivos minimiza o custo e a complexidade do desenvolvimento de uma solução que funcione em várias redes, o que acelera drasticamente o tempo de lançamento no mercado.

Embora a seção anterior tenha abordado muitas das barreiras técnicas para permitir um ecossistema interoperável de cidade inteligente, os padrões de iluminação também desempenham um papel vital ao permitir que as cidades façam uso dessas soluções em suas operações diárias. Especificamente, como esses padrões disponibilizam dados para aplicativos do usuário final?

O software de gerenciamento de iluminação é o principal fator por trás desse movimento. O mercado reconheceu que as cidades exigem flexibilidade e escolha em todas as camadas do sistema de iluminação inteligente. Vários fornecedores líderes de iluminação externa estabeleceram o TALQ Consortium para criar um padrão globalmente reconhecido para interfaces de software de gerenciamento central (CMS) para configurar, comandar, controlar e monitorar redes de iluminação externa heterogêneas. Foi um passo importante para os fabricantes adotarem, para que as cidades não ficassem trancadas em sistemas proprietários.

Em 2017, o TALQ Consortium ampliou seu escopo para promover a compatibilidade entre vários aplicativos de cidades inteligentes. Agora, o TALQ Smart City Protocol é uma especificação para troca de informações, adequada para implementação em produtos de software e hardware, para permitir a interoperabilidade entre o CMS e as redes de dispositivos externos (ODNs) de diferentes fornecedores. Os benefícios são um modelo de dados flexível que é aplicável a uma ampla variedade de setores e a muitos casos de uso diferentes, como controle de iluminação externa; recolha de resíduos; detecção de vaga de estacionamento; coleta de dados ambientais; gerenciamento de energia; e outros.

Enquanto a primeira geração do TALQ incorporou muitos dos mesmos recursos de gerenciamento de dispositivos abordados pelo LWM2M, o escopo expandido do protocolo TALQ requer um alinhamento adicional.

A adoção de estruturas de gerenciamento de dispositivos, como o LWM2M, garantirá que os padrões de CMS, como o TALQ, continuem a oferecer suporte à interoperabilidade com o ecossistema mais amplo dos fornecedores de soluções de IoT.

Com a modernização da iluminação (ou seja, a atualização do LED com controles inteligentes de iluminação) como uma aplicação líder de dossel, as cidades começaram a exigir maior interoperabilidade, incluindo a compatibilidade do TALQ como uma solicitação em seus concursos. Como resultado, mais e mais fornecedores estão começando a integrar o TALQ Smart City Protocol em seus produtos de iluminação inteligente e cidade inteligente.

Hoje, os operadores de iluminação continuam a expandir a inovação na cidade inteligente, incorporando sensores avançados para ajudar a otimizar as condições de iluminação, aumentar a economia de energia e melhorar a segurança (Fig. 4). Por exemplo, muitas cidades estão experimentando controles dinâmicos de iluminação que utilizam sensores de movimento avançados ou câmeras inteligentes para ajustar os níveis de iluminação com base nas condições de tráfego local. A incorporação desses dispositivos no CMS unificado será facilitada se todos os componentes forem certificados como compatíveis com TALQ.

A próxima fronteira da inovação em cidades inteligentes

Com tecnologia comprovada e um caso comercial claro, os sistemas inteligentes de iluminação externa desempenharão um papel vital na viabilização da cidade do futuro. De fato, a adoção deve acelerar na próxima década4, reforçando a iluminação como um catalisador de inovação para cidades inteligentes. O ecossistema de fornecedores de soluções amadurecerá e se diversificará em todas as camadas do conjunto de soluções: a rede, dispositivos de terminal e aplicativos de valor agregado.

Enquanto olhamos para o futuro, o próximo desafio será como explorar esse ecossistema de soluções interoperáveis ​​para desbloquear o próximo conjunto de casos de uso de cidades inteligentes. A inovação nos padrões de tecnologia será essencial para alcançar essa visão.

O que mais importa para as cidades não é a tecnologia que elas implantam, mas que essas soluções podem criar uma melhoria significativa nos resultados econômicos, ambientais e sociais que as cidades podem oferecer para seus residentes. Viver em uma cidade verdadeiramente inteligente deve ser uma experiência perfeita, onde dispositivos inteligentes fornecem visibilidade às condições e serviços em tempo real. Por exemplo, câmeras inteligentes podem ser utilizadas para otimizar dinamicamente os sinais de trânsito e / ou direcionar os motoristas para os pontos de estacionamento disponíveis. Isso exigirá inteligência distribuída para analisar dados, bem como comunicações M2M de latência ultra-baixa para eliminar a necessidade de comunicação com sistemas de back-office centralizados.

Os padrões desempenharão um papel crítico no cumprimento dessa promessa por meio de iluminação e infraestrutura de rede. É hora de começar a considerar a construção de redes de IoT em toda a cidade como uma missão, com a base de conhecimento de suporte adequada, e não como um desafio.

Referências

1. N. Berg, “The Secret Energy Drain on Cities: Streetlights,” Citylab website (Apr. 30, 2012).
2. Navigant Research, “Global AMI Tracker 2Q19, Smart Meter Projects: Project Tracking, Regional Analysis, and Market Shares.”
3. Telit post, “The 3G network sunset and its implications for IoT,” RCR Wireless News (Apr. 10, 2019).
4. Northeast Group, LLC, “Global Smart Street Lighting & Smart Cities: Market Forecast (2019-2028), Volume V.”

Artigo original em inglês publicado em LEDs Magazine.