תאורת חוץ מבוקרת – Connected Outdoor Lighting


מאת: מהנדס נועם גונן, אלתם עין השופט

 

במאמר זה אסקור "על קצה המזלג" את נושא תאורת החוץ המבוקרת, או בהגדרה הלועזית שלה "Connected Outdoor Lighting".
המאמר נכתב עפ"י הרצאה בנושא אשר הצגתי במושב המאור של כנס "חשמל 2017" באילת.

ראשית אסקור את מבנה מערכת התאורה המבוקרת על שכבותיה,
לאחר מכן אסקור את פתרונות הבקרה ברמת הרחוב,
לאחר מכן אציג שיקולים לבחירת מערכת תאורה מבוקרת,
ולסיום אסקור את המצב בשטח כיום.

עם המעבר לתאורת LED כפתרון המוביל,אם לא היחיד, ליישומי תאורת חוץ, עברנו למעשה למערכות תאורה אלקטרונית, הן רכיבי ה- LED עצמם והן רכיבי ההפעלה מופעלים אלקטרונית ע"י דרייברים (Drivers) או ספקי כוח.
השילוב של רכיבי ההפעלה אלקטרוניים עם היכולת של רכיבי ה- LED לתגובה מיידית בשינויי עוצמת ההארה, מאפשרת שילוב קל של אפשרויות שליטה ובקרה חיצונית בתוספת מחיר סבירה.
היכולת לשלוט בתאורה ולבקר את פעולתה עולה בקנה אחד עם מגמת ה"עיר חכמה - בטוחה" אשר נדרש היום כשירות לתושב מצד העירייה.

____

מבנה השכבות של מערכות תאורת חוץ מבוקרות:

  1. שכבת הרחוב – Asset / Last Mile
    בשכבה זו כלולים גופים התאורה, עמודי התאורה, רכזת התאורה (Gateway) ותשתיות התאורה.
    ה"קצה" של שכבה זו הוא ממשק הנתונים ל"ענן" מרכזת התאורה.
    שכבה זו הינה נכס משמעותי של העיריה הפרוש על-פני כל העיר, ולכן יכול לשמש כתשתית למגוון מערכות "עיר חכמה - בטוחה".
    הערה חשובה: ע"מ לאפשר שימוש בשכבת הרחוב ליישומים נוספים, יש צורך לעבור לעבודה במצב "מחושמל תמיד" בו ההפעלה וכיבוי התאורה נעשית באופן לוגי (ע"י פקודה) ולא ע"י הפסקת הזנת החשמל לפנסים בשעות בהן הם כבויים.
  2. שכבת הענן – Network / Cloud
    בשכבה זו כלולים שרותי אגירת, ניהול ושיתוף המידע.
    שכבה זו מכילה שרתים אמתיים או וירטואליים אשר יכולים להיות באתר/בבעלות הלקוח או כשירות ב"ענן".
  3. שכבת תוכנת השליטה והבקרה – LMS
    שכבה זו כוללת תוכנות לניהול התאורה (Light Management System).
    שכבה זו מאפשרת הקמה והגדרת מערכת התאורה (commissioning), ניתוח המידע, הפעלות מבוססות פקודות משתמש, הפעלות מבוססות תסריטים ותזמונים, הפעלות אוטונומיות מבוססות הגדרות משתמש ו"גירויים חיצוניים" (triggers), יצירת התראות ויצירת דוחות.
  4. שכבת ממשק המשתמש – Dashboard / App
    שכבה זו מאפשרת הצגת המידע באופן יעיל, מתן אפשרות להפעלות מידיות, מתן אפשרות להגדרת הפעלות מבוססות תסריטים, מתן אפשרות להגדרת הפעלות אוטונומיות, הגדרת התראות, הגדרת דוחות ו"כלים לשטח" (כגון אפליקציות למכשירים ניידים).

הערה חשובה: על כל השכבות לכלול אמצעי אבטחת מידע מתאימים כנגד התקפות ופריצות.

____

סקירת פתרונות בקרת תאורה ברמת שכבת הרחוב:

  1. בקרה אוטונומית מקומית
    פעולה עפ"י תסריטים קבועים ומגדרים מראש.
    ניתן לשילוב עם "טריגרים חיצוניים" נוספים כגון חיישן אור-יום (Photocell) חיישן נוכחות, חיישן תאוצה (זיהוי נפילה), חיישן מיקום (GPS), פיקוד מקומי ("לחצן מצוקה") וכד'.
    הערה חשובה: במערכת "מחושמל תמיד" יש צורך לפתרון בקרה אוטונומי אשר ינהל את ההפעלה/כיבוי/עמעום של התאורה ללא הסתמכות על התקשורת (בעיות אמינות).
  2. בקרה קווית
    דורש קווי בקרה נפרדים, בנוסף לקווי ההזנה.
    מקובלות שליטה אנלוגית (0-10V, PWM) או דיגיטלית (DALI, DMX).
    שליטה אנלוגית אינה מאפשרת שליטה נפרדת על גופים המחוברים במקביל ולכן יכולה לשמש כפתרון רק בגופים המכילים בקר תאורה בגוף (Node).
    שליטה דיגיטלית מאפשרת שליטה נפרדת על גופים המחוברים במקביל (כתובת) ולכן יכולה לשמש כפתרון בגופים עם או בלי בקר תאורה בגוף (Node).
  3. בקרה על-גבי ההזנה (PLC)
    לא נדרשים קווי בקרה נפרדים, בנוסף לקווי ההזנה.
    אפנון אותות השליטה והבקרה בשידור בתדר גבוה על-גבי רשת החשמל (ההזנה).
    נדרשת רשת חשמל "נקייה" ומבודדת ע"מ למנוע הפרעות למערכות חיצוניות אחרות והפרעות ממערכות חיצוניות אחרות.
    העברת התשדורות תלויה בתוואי תשתית ההזנה לגופי התאורה.
    נדרש להוסיף בקר (PLC Node) בכל גוף תאורה ורכזת (PLC Gateway) בארון החשמל.
  4. בקרה אלחוטית (RF)
    לא נדרשים קווי בקרה נפרדים ולא תלוי בתוואי תשתית המערכת.
    נדרש להוסיף בקר (RF Node) בכל גוף תאורה ורכזת (RF Gateway) במיקום מרכזי על-פי פריסת גופי התאורה.
    פתרון מתאים לשדרוג של מערכות עם תשתיות קיימות / ישנות.
    דורש פתרון מכאני לקיום תשדורת טובה (אנטנה)
    קיימות טכנולוגיות שידור שונות (<1GHz, WiFi, ZigBee, סלולרי) וטופולוגיות ניהול רשת שונות (Star, Mesh).
    טכנולוגיה זו סובלת מבעיה תדמיתית ("שידור = סרטן") ולעיתים יש צורך "להצניע" את האנטנות.
    נדרשים אמצעי אבטחה נוספים מכיוון שלא נדרש חיבור פיסי בכדי לתקוף/לפרוץ למערכת.

____

שיקולים בבחירת מערכת בקרה לתאורת חוץ:

  1. כלכליות / החזר השקעה
    יש לבצע את החישובים על-פני תקופה של לפחות 10 שנים ולוודא שאורך חיי המערכת מתאים לתקופה עליה בוצע החישוב.
    ע"מ לקבל חיסכון נוסף בחשמל נדרש לבצע ניתוח פעילות לכל אזור באופן פרטני – לבדוק היכן ומתי צריך אור ובאיזה עוצמה.
    ע"מ לחשב את החיסכון בתחזוקה יש לעשות ניתוח וסיווג עלויות התחזוקה של מערכת התאורה – לבדוק מה ניתן לחסוך הן מאורך החיים המוגדל והן מתחזוקה מתוכננת.
    רצוי לנתח היכן האזורים בהם פוטנציאל הכלכלי גבוה ביותר – בד"כ אזורים בהם ניתן לבצע עמעום משמעותי ואף כיבוי בשעות ללא פעילות.
  2. בטיחות
    בחירת אזורים להתקנה בהם יש ערך מוסף לשליטה ובקרה על התאורה – בעיות תנועה, בטחון, וכד'.
    מתן תחושת בטחון למשתמשים – שינוי רמת התאורה על-פי קריאה, "לחצן מצוקה", וכד'.
    מתן אפשרות תגובה לאירועים חריגים – הגברת רמת תאורה, ו/או איתות התאורה לטובת כוחות חילוץ והצלה.
  3. איכות סביבה ובריאות
    הפחתת "זיהום אורי" וחשיפה ל"אור כחול" ע"י הפחתת רמות התאורה במצבים המאפשרים זאת.
  4. שירות ללקוח
    תאורה מותאמת משתמש – אפשרות התאמת רמות התאורה להעדפות המשתמש.
    טיפול מהיר בתקלות – התראות על תקלות מהמערכת ללא צורך בנוכחות בשטח או בדיווחים/תלונות מהלקוחות.
    אפשרות תגובה לדרישות / בקשות חריגות – אירועים ומועדים.
  5. גיבוי / יתירות / אמינות
    בחינת אופן פעולת המערכת בעת תקלות – כיצד ממשיכה המערכת לפעול גם בעת תקלה בכל אחת מהשכבות שלה (ראו סעיף "בקרה אוטונומית מקומית").
    בחינת אמצעי האבטחה בכל שכבות המערכת כנגד פריצות – יש צורך באמצעי אבטחה שונים בכל שכבה של המערכת בהתאם לטכנולוגיה.
    בחינת אופן פעולת המערכת בעת תקלות או פריצות – יש להניח שהמערכת תיפרץ ואז לבחון את אופן פעולתה בעת פריצה (על מה ניתן לשלוט).
    בחינת אופן התאוששות המערכת מפריצה או תקלה – אפשרויות גיבוי ואחזור.
  6. שירות ותחזוקה
    קבלת שירות ואחריות לכל שכבות המערכת – מרמת הפנס, דרך שכבת הבקרה ברמת הרחוב, עד לתוכנת השליטה וממשק המשתמש.
    קבלת שירות להוספת אפשרויות ו/או רכיבים נוספים למערכת – אם או בלי תשלום.
  7. ממשק משתמש
    נוחות התפעול של תוכנת השליטה על התאורה.
    אפשרות לתמיכה והדרכה – כולל חוזה SLA (Service-Level Agreement).
    אפשרות שליטה ברמות שונות – רמת מנהל לשליטה מלאה, רמת טכנאי שטח לטיפול בתקלות, לוח בקרה (Dash-Board) לחיווים בלבד, וכד'.
  8. התממשקות / "עיר חכמה - בטוחה" / מוכנות לעתיד
    בחינת האפשרויות להתממשקות עם מערכות נוספות בכל שכבות המערכת – אפשרות ל- API (Application Programming Interface) עם גישה לכל רמות המערכת.
    שימוש בתשתית התאורה כנכס (מניב) לעירייה – אפשרות הוספת מגוון פתרונות ע"ג תשתית התאורה ואפשרות ניהול של פתרונות אלה.
    רשימה חלקית (מאוד) של פתרונות אפשריים: מצלמות, חיישנים (אור, תנועה, רעש, זיהום אוויר, וכו'), WiFi, ניהול מערכות חנייה / ניטור לאשפה / ניטור לביובים, טעינת כלי תחבורה חשמליים (אופניים, רכבים, וכו'), תשתית חשמל יתירה / בחירום, ועוד...

____

ומה המצב כיום:

  1. פתרונות אלחוטיים (RF)
    כיום מוצעים מגוון פתרונות אלחוטיים, בטכנולוגיות שונות ובתצורות שונות.
    נסקור את המובילות בהן:

    תצורת "כוכב" (Star) – הרכזת (Gateway) בקשר ישיר עם כל בקר (Node).
    מגבלת טווח בהתאם לתדר ולעוצמת השידורים, יתרון בתגובה מהירה מאוד של המערכת.
    כיום בגלל הרצון/המגבלה בעוצמת השידור נמוכה, פתרון זה ישים בעיקר בתדרים נמוכים מ- 1GHz (לדוגמא LoRa ו- LoRaWAN).

    תצורת "רשת" (Mesh) – הרכזת (Gateway) בקשר עם הבקרים (Nodes) אשר בטווח השידור שלה, הבקרים משמשים כמשדר/מקלט ומעבירים את התשדורת לבקרים הבאים וכך נוצרת רשת ניתוב (Routing) להעברת התשדורת עד לבקרים המרוחקים ביותר.
    מגבלת הטווח תלויה רק בהעברת התשדורת בין בקר אחד לבקרים שכנים לו, פעולה המכונה "קפיצה" (Hop).
    זמן התגובה יותר איטי מ"כוכב" ומשתנה עפ"י מספר ה"קפיצות" (Hops).
    נדרשת יתירות לכיסוי מצב בו בקר בנתיב העברת המידע "נופל" – מרחק "קפיצה" (Hop) צריך להיות לפחות כפול מהמרחק בין בקרים שכנים.

    תדרים בתחום
    <1GHz – תשדורות בתדרים נמוכים מ- 1GHz.
    ישנם כמה תדרים מתוקננים, ובאירופה נעשה שימוש רב בתדר של 868MHz.
    יש יתרון בקבלת טווחים יותר גדולים ככל שהתדר נמוך יותר ולכן ניתן לעיתים אף ליישום בתוך גופי תאורה מתכתיים ללא אנטנה חיצונית לגוף.
    יש סיכוי פחות לפריצות או הפרעות מכיוון שאין שימוש נרחב בתדרים אלה.
    בישראל שימוש בפתרונות אלה בעייתי בגלל איסור של משרד התקשורת על שימוש ברוב התדרים וכיום ניתן לעבוד בישראל רק ב- 916MHz ברוחב פס צר מאוד או ב- 433MHz.
    קיימים פתרונות בתצורת "כוכב" (Star), ובתצורת "רשת" (Mesh).
    ע"מ להגיע לטווחים גדולים בתצורת "כוכב" מבלי לעלות את עוצמות השידור, מפחיתים מאוד את קצב העברת הנתונים והכמות שלהם – פתרון המיושם ב- LoRa.

    WiFi ו- Zigbee – תשדורות בתדרים 4GHz ו- 5GHz,
    עקב התדר הגבוה נדרשת כמעט תמיד אנטנה חיצונית לקבלת טווחים סבירים ובנוסף מקובל לעבוד בתצורת Mesh ע"מ להתגבר על בעיית הטווחים – מקובל ZigBee Mesh.
    תחום תדרים מאוד "עמוס" ועלול ליצור הפרעות (Clutter).

    סלולרי (GSM, GPRS, LTE, ועוד) – כל בקר מהווה מנוי סלולרי עם SIM ושימוש ברשתות סלולריות קיימות להעברת התשדורות.
    יש יתרון שאין צורך בנתב (Gateway) להעברת הנתונים לשכבת הענן, אך הפתרון הנ"ל יקר (עדין) וישים בעיקר לאתרים מבודדים, ללא רצף של תשתיות או עם טווחי עבודה מאוד גדולים בין היחידות.
  2. יישום ברמת גוף התאורה
    ישנה העדפה לפתרון שליטה ובקרה אשר יהיה מוכלל בגוף התאורה ע"מ לא לסבך את ההתקנה ואת תנאי האחריות.
    מקובל להשתמש בדרייבר DALI בתוך גוף התאורה מכיוון שתקן ה- DALI מוגדר היטב, מה שמאפשר חליפיות עם רכיבי DALI אחרים ומגוון ספקים רחב.
    בעבודה במצב "מחושמל תמיד" על הבקרים בגוף התאורה לנהל את ההפעלה/כיבוי/עמעום באופן אוטונומי, למקרה של כשל בתקשורת – נדרש בקר עם לפחות שעון אסטרונומי פנימי + זיכרון לתסריטי פעולה + זיכרון אגירת מידע ע"מ לבצע משימות אלה.
    פתרון DALI – חיווט ישיר מהתשתית לדרייבר DALI בגוף התאורה, ישים היכן שיש תשתית DALI מתאימה (עוד זוג גידים).
    פתרון PLC – התקנת PLC Node בתוך גוף התאורה עם יציאת DALI לדרייבר בגוף.
    פתרון אלחוטי – התקנת RF Node בתוך גוף התאורה, עם או בלי הוצאת אנטנה אל מחוץ לגוף, ויציאת DALI לדרייבר בגוף.
    פתרון אלחוטי מבוסס מחבר NEMA – הבקר RF מורכב חיצונית ע"ג גוף התאורה ומתחבר ע"י מחבר סטנדרטי מכונה NEMA Plug (תואם תקן ANSI C136.41).
    המחבר הסטנדרטי מאפשר הפעלת הבקר (הזנה) ושליטה על גוף התאורה (DALI) עפ"י מוסכמת חיבורים קבועה.
    מאפשר חליפיות בין ספקי בקרים שונים ללא התערבות במבנה גוף התאורה.
  3. יישום ברמת שכבת הרחוב
    הבקרים בגופי התאורה מתקשרים עם הרכזת (Gateway).
    הרכזת "מעלה" את הנתונים ל"ענן", או דרך תקשורת קווית (סיב אופטי) או דרך תקשורת סלולרית.
    מעבר לעבודה במצב "מחושמל תמיד" מייתר את הצורך בבקרה נוספת בארון החשמל (שעון אסטרונומי, Photo-Cell, וכו').
    פתרון DALI – חיווט ישיר לדרייבר DALI בגוף התאורה ורכזת DALI בארון החשמל. עקב הצורך בתשתית נוספת, מתאים בעיקר להתקנות חדשות.
    פתרון PLC – התקנת PLC Node בתוך גוף התאורה עם יציאת DALI לדרייבר ורכזת PLC בארון החשמל.
    פתרון אלחוטי – התקנת RF Node בתוך או על גוף התאורה, עם או בלי הוצאת אנטנה אל מחוץ לגוף.
    הרכזת ה- RF יכולה להיות בכל מקום עם הזנת חשמל קבועה, אך רצוי למקם אותה בהתאם לפריסת הגופים לקבלת ניתובים כמה שיותר טובים.
    הערה חשובה: חשוב להבין שברמת שכבת הרחוב, ללא תלות בטכנולוגיה הנבחרת, כל פתרון הוא ייחודי (proprietary) לספק/ייצרן שלו ואפשרות לשיתוף מידע עם יישומים אחרים נעשה רק ברמות הגבוהות יותר (שכבת הענן).
  4. יישום ברמת שכבת הענן
    אפשרות לפתרונות "אירוח" (Hosting) למאגרי המידע והתוכנות בשרתים וירטואליים, שרתים מקומיים, או שילוב של השניים עפ"י העדפת הלקוח – בעיקר נוגע לשיקולי ביטחון.
    אין עדיין סטנדרט מקובל להעברת מידע בין יישומים שונים לכן עדיין כל יישום פועל ומנוהל באופן עצמאי (מבנה Silos) ונדרש API להעברת הנתונים בין היישומים.
    יש ניסיונות להקמת איגודים (consortiums) לתיאום שיתוף הנתונים בין תוכנות הניהול השונות – TALQ, LUCI ועוד.
    כניסה של "שחקנים כבדים" לתחום ע"מ לנצל את התאורה כקרש קפיצה להכנסת פתרונות " עיר חכמה - בטוחה " נוספים – CISCO, Google, Qualcom, Verizon, ועוד.

____

לסיכום, במאמר זה סקרתי "על קצה המזלג" את נושא תאורת החוץ המבוקרת.
כפי שניתן להבין, אנו צפויים לחדירה מאסיבית של פתרונות אלה המהווים נדבך חשוב בנושא "עיר חכמה - בטוחה".
כמו-כן, מכיוון שאורך החיים של גופי תאורה מבוססי LED הוא ארוך, רצוי כבר כיום לאפיין ולהתקין גופים "מוכנים לעתיד" (Future Proof) שיש להם את היכולת להתממשקות למערכות נוספות בעתיד.

 _________________________________________________

אלתם עין השופט היא החברה הותיקה והמנוסה ביותר בישראל בתחום השליטה ובקרה במערכות תאורה.

לאלתם רקע של מעל ל-15 שנים בפיתוח, ייצור רכיבים והטמעת מערכות שליטה ובקרה בארץ ובעולם. כחלק מכך, אלתם עובדת היום בשיתוף פעולה עם סיסקו (Cisco) וחברות נוספות להטמעת מערכות שו"ב לתאורה במערכת ניהול עיר חכמה (דוגמת: Cisco Kinetic).

** צרו איתנו קשר לייעוץ, הצעות מחיר וסיוע בפרויקטים **

** לחצו לעיון בפרויקט שליטה ובקרה אלחוטית (RF) בתאורת רחובות ביישובי גדרות **