Paper Review 3 - AURORA: Sistem Penerangan Publik IoT yang Hemat Energi untuk Kota Pintar

Penerangan umum menyumbang jumlah yang cukup besar dari total konsumsi listrik. Solusi untuk mengurangi jejak energi (dan biaya) memang ada, dan sering diterjemahkan ke dalam proyek penggantian lampu yang mahal, yang tidak dapat dilakukan oleh sebagian besar kota. 

Untuk mengatasi situasi ini, kami mengusulkan Aurora: sistem kontrol IoT beranggaran rendah dan mudah diterapkan yang memanfaatkan jaringan seluler di mana-mana (2- 4G) dan arsitektur komputasi Cloud yang dapat diskalakan untuk memungkinkan Kota Cerdas menghemat tagihan listrik penerangan umum. Kami menerapkan Aurora di kota menengah Italia dan kami mengevaluasi kinerjanya selama 4 bulan untuk mengukur daya dan penghematan ekonomi yang dicapai oleh solusi kami. Kami memperkirakan dampak pemasangan Aurora tingkat kota dan selanjutnya memperluas analisis manfaat ke negara-negara UE yang paling banyak penduduknya.

Pendahuluan:

Seiring bertambahnya jumlah kita, dampak aktivitas kita terhadap iklim menjadi parah. Menurut Panel Antarpemerintah tentang Perubahan Iklim (IPCC), suhu permukaan diproyeksikan meningkat selama abad ke-21 di bawah semua skenario emisi. Pada tahun 2013, CO2 menyumbang sekitar 82% dari seluruh emisi gas rumah kaca AS dari aktivitas manusia, yang utamanya adalah produksi listrik yang menyebabkan sekitar 37% dari total emisi CO2 AS.

Penerangan umum juga menyumbang porsi yang cukup besar dari total konsumsi listrik. CISCO memperkirakan bahwa penerangan menyumbang 19% dari semua listrik yang dikonsumsi dan Clinton Climate Initiative (CCI) menunjukkan bahwa penerangan jalan kota dapat mewakili dari 5% hingga lebih dari 60% dari tagihan listrik administrasi kota.

Ada beberapa cara untuk mengurangi konsumsi pencahayaan, pertama dan terpenting adalah mengganti lampu jenis lama, misalnya lampu Sodium Tekanan Rendah / Tinggi (LPS, HPS), dengan lampu LED baru. Namun, biaya proyek konversi lampu jalan LED akan membutuhkan pengeluaran modal yang signifikan karena lampu LED jauh lebih mahal (2-4 kali lipat) daripada lampu konvensional. 

Untuk mengatasi situasi ini, kami mengusulkan Aurora: sistem kontrol beranggaran rendah dan mudah diterapkan yang memanfaatkan perangkat IoT, platform komputasi Cloud, dan konektivitas seluler untuk memungkinkan Kota Cerdas mengoptimalkan kontrol jalur penerangan publik, menghemat tagihan listrik terkait. 

Arsitektur Sistem:

Gambar 1 menggambarkan arsitektur sistem keseluruhan tingkat tinggi, menyoroti titik kontak eksternal (IF EXT) dan hubungan antara elemen internal (IF INT). 

Elemen Eksternal Aurora:

Jalur penerangan: satu jalur listrik memasok listrik ke satu set lampu dan biasanya berisi meteran listrik;

Pengatur Aliran: ini adalah perangkat yang mampu menstabilkan tegangan listrik dan mengatur profil tegangan untuk melindungi lampu dari lonjakan tegangan dan untuk mengurangi daya yang dikirim ke saluran penerangan.

Data Pihak Ketiga: Mereka dapat digunakan untuk mewujudkan pengoptimalan lebih lanjut dari jadwal peralihan, misalnya, prakiraan cuaca atau data cuaca waktu nyata.

The Energy Gateway:

Energy Gateway (EG) adalah perangkat IoT yang menggantikan sistem switching sebelumnya, misalnya sensor senja.

Komponen Cloud:

Komponen Cloud (CC: Cloud Component) adalah sistem terpusat dari Aurora yang mengelola semua EG yang terinstal

Bagian depan mencakup aplikasi web yang memungkinkan pengguna akhir berinteraksi dengan sistem melalui dasbor grafis yang menunjukkan data historis dan waktu nyata. 

Bagian depan memungkinkan pengguna akhir untuk mengirim perintah ke EGs untuk komuter jalur pencahayaan (ON / OFF), meminta status garis pencahayaan saat ini (ON / OFF) atau informasi diagnostik (log), untuk reboot atau shutdown, untuk upgrade firmware atau konfigurasi.

Bagian belakang adalah titik akhir untuk komunikasi dengan EG dan elemen eksternal lainnya, misalnya, sumber data pihak ketiga

Spesifikasi Keamanan:

Keamanan fisik: akses fisik ke EG dicegah oleh sistem keamanan yang dipasang di kabinet tempat EG dipasang. Sistem keamanan kabinet, yang biasanya berupa kunci, berbeda-beda di setiap kota, dan definisinya berada di luar cakupan makalah ini. 

Keamanan komunikasi: Ada dua saluran komunikasi utama yang perlu diamankan dengan teknik Otentikasi dan Otorisasi (AA), yaitu komunikasi antara pengguna akhir dan ujung depan, dan komunikasi antara EG dan CC. Yang pertama dapat dicapai melalui saluran komunikasi standar yang aman dan teknik AA, sedangkan teknik AA tambahan harus mencegah instalasi EG baru yang tidak terkontrol dan kontrol yang tidak sah dari EG yang diinstal.

Implementasi Sistem:

Implementasi EG:

Gambar 2 menggambarkan mesin status perangkat lunak EG.

Untuk mengoptimalkan CPU dan foot-print memori di EG, dan untuk menghindari pembayaran IP statis, kami tidak menginstal server web untuk menangani penerimaan perintah dari CC. Sebagai gantinya, kami menerapkan layanan SMS, yang kompatibel dengan semua operator seluler. 

Implementasi perangkat keras EG adalah perangkat elektronik berbiaya rendah yang mampu memenuhi persyaratan fungsional yang dinyatakan dalam definisi arsitektural. Gambar 3 menunjukkan skema elektronik EG tingkat tinggi bersama dengan elemen sistem utama: ujung belakang CC, sakelar saluran, Transformator Ampere (AF), Arus Reguler (FR), dan Lampu. 

Implementasi CC:

Untuk mengimplementasikan CC kami menggunakan pola pemrograman 3-tingkat yang terkenal. Pola ini membagi program menjadi tiga lapisan yang berbeda secara logis dan arsitektural: Data Access (DA), Business Logic (BL) dan lapisan Presen- tation (P). 

DA menangani interaksi dengan database, BL menyediakan algoritma dan pemrosesan umum, sementara P mengimplementasikan Antarmuka Pengguna bersama dengan skrip sisi klien dan aturan validasi. 

Kami menerapkan CC pada Microsoft Azure menggunakan pendekatan Platform as a Service (PaaS) yang memungkinkan penskalaan otomatis dalam fungsi beban yang diukur. 

Kami mengadopsi NHibernate sebagai Object Relation Mapper (ORM), dan SQL Azure untuk database. Kami menggunakan satu layanan Microsoft Azure Cloud untuk CC, dan satu database Azure SQL (penerapan 2 standar) untuk semua data kecuali pengukuran energi, file biner dan log, yang disimpan menggunakan satu layanan Penyimpanan Azure. 

Kami menerapkan API back-end sebagai layanan web HTTPS menggunakan kerangka kerja .NET WEB API 2.0, sedangkan ujung depan diimplementasikan menggunakan HTML5 / CSS3, JQuery, pola Model View Controller (MVC), dan kerangka .NET 4. 

Untuk mengirim perintah ke EG kita menggunakan penyedia SMS (Skebby), yang dikonfigurasi dengan nomor telepon yang sesuai dengan CC.

Implementasi Komunikasi dan Keamanan:

Kami memprofilkan terlebih dahulu EG di bagian belakang, dan kami memasukkan nomor telepon yang terkait dengan layanan SMS ujung belakang ke dalam firmware perangkat, kunci RSA publik CC, dan IP publik CC untuk memungkinkan EG menjangkau layanan web . 

Kami mengenkripsi SMS yang dikirim oleh CC ke EG dengan kunci pribadi CC (2048 bit), mendapatkan keaslian dan perlindungan spoofing SMS. 

Semua layanan web yang diekspos oleh CC back end diamankan dengan Transport Layer Security (TLS), dan OAuth 2.0 untuk autentikasi EG.

Uji Coba Sistem:

Kami memasang test bed Aurora di Collegno, sebuah kota di Italia yang berpenduduk sekitar 50121 jiwa, dan dengan daerah perkotaan seluas 18,12 Km2 yang menghasilkan kepadatan penduduk sebesar 2.766 jiwa / Km2. Kami memasang 60 EG yang mengontrol 3863 titik cahaya, sesuai dengan total daya terpasang 483 kW. 

Daya rata-rata per lampu adalah 125 W, sedangkan rata-rata lampu per saluran adalah 64. 

Kami memasang semua EG antara Januari dan April 2015 dan kami menganalisis konsumsi daya yang ditagih selama 4 bulan, yaitu dari Mei hingga Agustus 2015.

Lokasi EG yang terpasang ditunjukkan pada peta yang dilaporkan pada Gambar 4

sedangkan perangkat EG yang direkayasa ditunjukkan pada Gambar 5.

Evaluasi Performa:

Kita mulai dengan memplot Fungsi Distribusi Kumulatif Empiris (ECDF) dari semua perbedaan konsumsi bulanan diperoleh garis keseluruhan (60 4 = 240 sampel) pada Gambar 6, di mana nilai positif berarti menabung.

Kami sekarang memplot pada Gambar 7 total penghematan daya per baris yang dikumpulkan selama semua bulan, memperoleh pengurangan daya rata-rata 2,1 MWh, dan Q1, median, dan Q3 masing-masing 0,35 MWh, 1 MWh, dan 2,6 MWh. 

Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 8, Aurora memperoleh penurunan yang cukup besar yaitu masing-masing sebesar 30,1 MWh, 27,2 MWh, 34,4 MWh, dan 37,1 MWh untuk bulan Mei, Juni, Juli, dan Agustus. Penghematan bulanan rata-rata adalah 31,7 MWh

Benefit AURORA untuk skala yang lebih besar:

Kami memperoleh perkiraan penghematan energi tahunan sebesar 9455 MWh, 13627 MWh, dan 17924 MWh, sesuai dengan penghematan kotor ekonomi masing-masing sebesar 1,58 Me, 2,27 Me, dan 2,99 Me untuk Turin, Milan, dan Roma (Gambar 9). 

NPV yang dihitung adalah konservatif, karena kami mempertahankan biaya pemasangan dan pemeliharaan per EG yang sama meskipun volume EG yang dibutuhkan lebih besar. 

Kesimpulan:

Kami merancang, menerapkan, dan menerapkan Aurora: solusi IoT berbiaya rendah yang dapat diskalakan yang mengoptimalkan waktu peralihan jalur penerangan publik. Aurora memanfaatkan jaringan seluler di mana-mana dan komponen Cloud terpusat yang menyediakan skalabilitas, deteksi anomali, dan antarmuka terpusat untuk pengguna akhir. 

Kami mengevaluasi penghematan energi dan ekonomi melalui uji coba nyata selama empat bulan, menunjukkan kelangsungan hidup dan manfaat yang dibawa oleh solusi kami. Kami memproyeksikan manfaat tersebut di tingkat kota dengan mempertimbangkan tiga kota besar di Italia dan lebih jauh mengukur evaluasi dampak di tingkat negara, dengan mempertimbangkan negara-negara Uni Eropa yang paling padat penduduknya. 

Pekerjaan di masa depan akan mencakup penyesuaian otomatis jadwal peralihan yang memperhitungkan data cuaca yang berasal dari prakiraan cuaca atau dari sensor yang dipasang di dalam kota.