符合智慧城市解決方案需求的閘道

March 28, 2018 Patrick Mannion

以物聯網 (IoT) 概念為基礎的智慧城市部署持續進行,但設計師與系統整合商也面對著在維持成本與提供更多功能方面的挑戰。有許多現成的軟硬體解決方案可協助達成這些相互衝突的目標,不過設計師與系統整合商必須確保這些解決方案耐用、安全、可擴充、可管理,而且能輕鬆地與已經部署的網路和 IT 基礎架構整合。講到功能需求日益增加的應用,智慧街燈是一個例子,它是採用率最高的應用之一,也是最容易看見的智慧城市元素。

身兼多職的街燈

典型的智慧街燈可能會整合一個偵測陽光的太陽輻射感應器、偵測現場車輛或行人的動作感應器,以及一些將資料回傳至中央管理系統的工具。這在開始時只是一個簡單的想法,要以更有效率、也更符合成本效益的方式為城市提供照明,但卻讓不起眼的街燈成為智慧城市的關鍵元素。很大的原因是街燈的普遍性使其自然地成為其他智慧城市感測應用的聚集點,例如空氣品質、濕度、氣流、溫度、震動、風速計,以及可用於交通監測與安全用途的 IP 攝影機(圖 1)。

圖 1. 從基本的照明控制不停演進,現在具有空氣監測功能與視訊攝影機的街燈已經在智慧城市中扮演關鍵角色。(資料來源:Advantech)

此外,隨著連網交通工具的數量增加,以及車對基礎架構 (V2I) 技術的發達,街燈的角色將會越來越重要,Advantech 的產品經理 Brook Lee 這麼說。由於所有的這些附加功能和需求,在設定與滿足智慧城市需求時,判斷用於支援街燈的合適軟硬體便成為重要的課題。

適用於智慧城市的智慧閘道

隨著功能性越來越多,我們也必須重新思考收集和處理資料的方法,Lee 這麼說。將所有資料傳送至雲端分析的方法已經不再合理。這會帶來不必要的延遲和頻寬使用量,導致擴充性與管理性受限。由於有越來越多的感應器和功能加入,我們需要安全地提供並管理新的裝置和感應器。這些昂貴的功能不僅需要更高的邊緣處理效能,也需要在 RF 前端擁有更高的彈性,才能配合多種無線介面運作。Lee 表示,除了安全性與遠端管理能力以外,還需要運用智慧閘道。他以 Advantech 的 UTX-3117 物聯網閘道圖 2)做為例子。這款閘道搭載 Intel Atom® 處理器 E3900,擁有高達四個核心、最高 1.6 GHz 的運作頻率,加上 8 GB 的 LPDDR4 記憶體。擁有這樣的運算能力,Lee 表示:「我們可以在本地進行資料分析」。

圖 2. Advantech 的 UTX-3117 物聯網閘道可在廣泛溫度範圍中運作且能搭配三種 RF 模組,在連線上提供靈活彈性。(資料來源:Advantech)

由影片與成像的角度來看,這個處理器的特點包括可支援 Ultra HD 4K,以及能以 30 fps 同時分析最多 15 個 1080p 解碼串流。Lee 指出:「擁有更高的效能,現在就能進行影像與視訊分析」。閘道也支援三種 RF 模組,可用於導入 Zigbee、6LoWPAN,或是窄頻物聯網等其他選項。彈性的 RF 支援能實現不同目的的混合網路。舉例來說,閘道可能會使用:

  1. 行動數據,用於以相對較高的資料速率進行廣域連線
  2. LoRaWAN,用於低資料速率的長距離控制和感測應用
  3. Wi-Fi 或藍牙,用於本地維護與更新,無需爬上街燈燈桿

其他 I/O 包括兩個 USB 3.0 連接埠與兩個 COM 連接埠,可用於日後額外增加更多感應器或攝影機。為了簡化新增與佈建這些新功能的流程,UTX-3117 具有 Advantech 的 WISE-PaaS 支援,以及遠端監控和管理 (RMM) 服務。這是預先設定的雲端服務軟體,可將感應器連接至雲端並推送韌體更新(圖 3)。

圖 3.  Advantech WISE-PaaS/RMM 著重於遠端管理與監控。(資料來源:Advantech)

針對安全性部分,UTX-3117 使用 TPM 2.0,並採用 Wind River PulsarOS,根據 Lee 表示,這樣就「擁有能預防駭客的安全性」。Pulsar 是容器化的 Linux 作業系統,可快速透過 Wind River 儲存庫遞送修補程式和安全性修正。根據 Lee 的說法,這樣能保護裝置不受與未經管理的開放原始碼技術相關的風險影響。Wind River 致力於為 Pulsar OS 提供長期支援,這能確保長久的安全性更新。PulsarOS 亦經過 Microsoft Azure 和 Amazon Web Services (AWS) 的認證,可簡易地連接至這些服務。在此開發者可以部署不同的雲端應用,像是預測性維護或巨量資料分析。

智慧城市閘道的耐用度極為重要

除了關鍵的效能與安全性以外,系統也需要能在廣泛的溫度範圍下運作。在標準部署的情況下,UTX-3117 可安裝於外殼內,避免受外部元素污染,但卻會因封閉環境而受到高溫的影響,Lee 這麼說。因此,閘道設計為可在攝氏 -20 到 +60 度的範圍之間運作。Lee 還說,Advantech 選擇 Intel Atom 處理器 E3900 的原因便是其可在攝氏 -20 到 +105 度的溫度之間運作,並具有 7 年保固,而且可靠使用度長達 15 年。此外,UTX-3117 的體積小巧,尺寸只有 128 x 152 x 37 公釐這麼大。對 Lee 來說,運用照明基礎架構部署智慧城市的下一階段包括連接停車格,將空位資訊提供給移動中的連網車輛。同時,下一代智慧城市解決方案的基礎就是提供可在邊緣進行分析之安全、可擴充,可輕鬆管理的物聯網閘道解決方案。

作者簡介

Patrick Mannion

Patrick Mannion is a independent content developer and consultant who has been analyzing developments in technology for more than 25 years. Formerly Brand Director for EETimes, EDN, Embedded, Planet Analog, and Embedded.com, now part of AspenCore, he has also been developing and executing community-oriented online- and events-based engineer-to-engineer learning platforms. His focus is on connecting engineers to find novel design solutions and focused skills acquisition in the areas of Embedded, IoT, Test and Measurement, RF/Wireless, and Analog & Mixed-Signal Design.

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