開發設計對應熱門需求　監控系統引領智慧城市商機

智慧城市生態系統需要對實體系統、數位系統和人進行有效整合，進而為城市居民創造一個可持續、繁榮且具有包容性的未來。基礎設施網路化往往是提升經濟和政治實力、推動社會、文化和城市建設以及促進社會和環境可持續發展的基礎。

智慧城市生態系統維持安全/可持續性技術考量

技術設計人員和製造商通常在該生態系統中占有至關重要的地位，推動著智慧城市長期健康發展。統計數據顯示：自2020年10月至2025年，全球智慧城市市場規模預計將從4,108億美元成長到8,207億美元，年複合成長率(CAGR)高達14.8%。推動這一成長趨勢的因素包括：政府推出多項激勵措施、城市人口數量不斷增加、公眾對公共安全需求的日益成長。儘管有些人因新冠肺炎疫情而暫時離開城市，但疫情也加快了智慧城市的發展進程。

隨著全球多座城市逐步深化智慧城市的建設，監控系統對於提高生活品質和保持社會安定具有非常重要的作用。即時視訊監控、人臉辨識和車牌識別等技術已廣泛用於確保公共安全。在本文中，以下將探討智慧城市生態系統對智慧監控技術的要求及其趨勢，以及設計智慧監控產品和元件時需要考慮的因素。

成長產業市場趨勢

城市化是指農村和郊區人口轉化為城市人口的過程，它會加重日趨老化的基礎設施的壓力，導致治理、能源利用、交通管理、垃圾管理、污染防治等方面出現更嚴重的低效現象。從下列統計資料可見一斑：目前全球有50%的人口居住在城市，預計到2050年，這一比例將增至68%；到2025年，農村向城市遷移的人口將增加23億，主要集中在南亞和撒哈拉以南非洲地區；2025至2030年之間約有6.3億人生活在近40個超大型城市中。

儘管新冠肺炎疫情可能減緩城市化進程速度，但目前尚不清楚疫情造成的人口遷移是暫時性還是長期性。不論如何，智慧城市技術可以幫助人們克服許多社會、經濟和環境方面的挑戰，有助於在全球範圍內創建更宜居、更具包容性的城市。下列這些產業趨勢可以作為佐證。

5G與數位化

隨著5G技術在全球以及新興市場不斷普及，資料傳輸速度更快且能夠同時連接更多裝置，這會促使更多城市加入智慧城市建設的浪潮中。有了5G網路加持，更智慧的技術應用更易落地，也為物聯網(IoT)解決方案開闢了新的市場機會，如戶外監控、實體安全、政府和運輸/交通管理。市場調研機構Gartner在《市場趨勢：5G物聯網為通訊服務供應商帶來的機遇》(Market Trends: 5G Opportunities in IoT for Communications Service Providers)的報告中預測，監控攝影機作為5G物聯網的終端，其安裝數將於2020年達到250萬台，2021年達到620萬台，而到了2022年將高達1,120萬台，最大的潛在市場將會是由城市營運單位部署的監控攝影機或用於確保建築物安全的入侵者偵測攝影機。

2016年在經濟合作暨發展組織(OECD)成員國中，有95%的企業和83%的成年人都是高速寬頻用戶，其中50%的使用者會獲取線上公共服務或健康資訊。至2025年截止，全球智慧手機普及率將達到80%。即便在新興市場，網民數量也每年以近20%的速度成長，而且通常採用智慧手機上網。雖然這種廣泛連接形成的社會連結效應難以量化，但一些研究表明，數位平台幾乎可以使超過一倍的居民感受到與當地社區的連結感，超過兩倍的居民與當地政府建立聯繫。

公共安全

城市犯罪率往往影響居民生活品質，還會對房價和其他方面造成影響，而市民越來越接受和認可透過監控來預防犯罪的做法。Capgemini的一項調查顯示，三分之二的受訪者支持在公共場所安裝人工智慧攝影機來偵測並追蹤潛在犯罪行為，超過半數受訪者認為人臉辨識技術有助於追蹤犯罪分子。

儘管停車場和住宅社區的閉路電視(CCTV)監控系統是預防犯罪最有效的工具，但如果將整個城市的監控系統結合民間裝設的攝影機及槍聲探測器，搶劫、盜竊和襲擊案件則可能會減少30~40%。

隨著越來越多的企業和居民開始使用支援物聯網的監控裝置，警方和政府部門有機會在獲得許可的情況下接入這些私有系統，毋需投資安裝更多監控裝置即可擴大監控範圍。因此，智慧城市市場實際上將公有裝置和私有裝置均囊括在內。

基礎設施老化危機

2017年，美國土木工程師協會(ASCE)將美國基礎設施整體狀況評為「D+」級，這意謂著美國大多數城市公路和橋樑存在嚴重的老化現象並達到危險程度，而且可能會「影響美國在全球經濟體中的競爭力」，導致數百萬美元的就業損失以及數萬億美元的GDP損失。不過，基礎設施老化問題並非美國獨有，它給許多國家帶來巨大的經濟負擔。目前全球基礎設施的投資缺口達到18萬億美元，亟需切實可行的解決方案。

在2020年國際消費電子展(CES)上，專家小組探討了如何利用新技術來延長這些幾近崩潰的基礎設施使用壽命。借助智慧城市技術以及現有數位技術(兩者通常結合使用)，一些地區的基礎設施專案成本可降低45%。如果政府與民間財源之間能夠建立利益共用、風險共擔的合作夥伴關係，共同化解部分成本壓力，就有助於推動智慧路燈、聯網汽車、交通自動化、監控等項目落地，進而創建具有更強韌性和可持續性的社區。有關專家表示，要從全方位的角度去尋找解決方案，而不是單獨針對某個問題，這樣才能使利益最大化，而這正是進行產品創新和設計時需要注意的問題。

據Gartner預測，隨著數位化轉型的加快以及物聯網應用的普及，到2022年，物聯網將為消費者和企業每年節省1兆美元的維護、服務和消耗品費用。

提高可持續性並解決環境問題

可持續發展是一種長期趨勢，也應當從全方位角度去考慮。目前，城市的能源消耗量占全球總量的絕大部分，而溫室氣體(GHG)排放量預計占總排放量的80%。智慧城市解決方案有助於減少至少10~15%的溫室氣體排放，可幫助城市在實現減排70%的聯合國可持續發展目標方面取得重大進展。

監控攝影機和感測器可用於監測城市的空氣和噪音污染、調整街道照明、減少建築物和公園綠地灌溉系統的用水量。聯網攝影機還可監測並發送雨雪強度數據，用於評估雨雪對於洪水易發地區的交通狀況、污染以及房屋和公路的影響。

網路安全和隱私

值得注意的是，儘管許多城市居民對智慧城市技術和監控的接受程度越來越高，但隱私問題也不容忽視，在針對智慧城市市場進行設計時應與網路安全一樣予以重視。

智慧城市監控市場機遇

犯罪偵查與預防

如今，數以百計的城市開始使用智慧警務技術來預測犯罪易發時間和地點。聲音感測器可探測槍聲，幫助警方精準定位事發地點，進而迅速採取行動。攝影機則可在案發後協助警方偵破案件及預防犯罪行為。以美國喬治亞州亞特蘭大市為例，該市在安裝智慧路燈後，犯罪率明顯下降。這種整合感測器技術的路燈可以根據需要調高或調低光線亮度、監控交通和違規停車行為、探測槍聲、錄製影片等。

停車場管理

智慧停車場可引導駕駛快速進入空閒車位，減少尋找車位造成的擁堵以及因擔心停車難而放棄前往的情況。感測器或攝影機可用於監控違規停車行為，毋需人員現場值守。車主可以透過整合App支付超時停車費用，而不必縮短購物或娛樂時間。由於消費者可將節省的大量停車時間用於購物或參加活動，這無疑有助於智慧城市增加停車費收入和零售業稅收。

緊急回應

除了保障公共安全外，監控解決方案還可透過影片和資料獲取功能來提高警察的人身安全。借助這種智慧監控系統，警方能夠找出犯罪熱點區域，有針對性地增加該區域的巡邏次數或採取額外的犯罪預防措施。應變指揮中心可以透過即時查看現場影片來判斷是否有必要出動警力、消防員或救護車，有助於避免因誤判而浪費時間，同時能夠更高效地協調各方人員。指揮調度中心還可以持續查看影片，在警方採取行動的過程中為其提供現場最新情況。應變勤務小組則可透過車載電腦或智慧裝置即時查看影片，獲知現場狀況，進而採取較安全及有效的應對措施。

交通管理

借助來自嵌入式感測器、攝影機、眾包交通資訊和其他來源的資料，可以更容易瞭解城市的交通和行人移動模式並據此加以改進。這有助於緩解高峰時段的交通擁堵、減少因車輛長時間閒置而造成的污染、提高緊急車輛調度效率、設計更加安全的自行車專用道，而且政府部門能夠擁有更加詳實的資訊作為決策依據，讓城市規畫更趨完善。

新冠肺炎疫情加快智慧城市布建因應

如上所述，儘管新冠肺炎疫情迫使一些人搬離城市，但疫情也加快了智慧城市建設並改變了人們的首要任務，全球許多城市已經意識到技術在幫助民眾、政府和企業適應變化方面的巨大潛力。智慧城市技術有助於抑制疫情傳播、提振經濟並推進數位化進程。

2020年6月，新加坡政府宣布將增加30%的技術投資，以幫助企業實現數位化轉型。相關政府部門表示，投資計畫的重點包括利用資料分析、人工智慧和感測器實現政府治理現代化，以及開發新技術工具來對抗疫情。

阿聯酋政府為對抗疫情推出了一套人工智慧系統，包括為當地警方配備的「智慧頭盔」。這種頭盔採用整合熱成像攝影機，可在保持安全距離的情況下偵測潛在的新冠病毒帶原者，同時還配備了人臉辨識和車牌識別感測器，可用於在公共場所或公路上識別對方身分。

在印度，已有45座城市啟用了綜合指揮與控制中心(ICCC)，旨在幫助政府官員做出應變決策、追蹤接觸者以及監測封鎖效果，ICCC是政府資助的「智慧城市使命」(Smart Cities Mission)建設項目的一部分，於2015年啟動。在印度北部的瓦拉納西，政府官員使用基於地理資訊系統(GIS)的地圖面板來發現違反隔離規定的行為，提供生活必需品以及應對緊急突發事件。

總之，儘管有些智慧城市專案不得不取消或延期，但這場疫情卻讓各國意識到，必須加快城市數位化進程並加強與市民的溝通，以便實現可持續發展、保障公共安全。可以進一步加強政府部門與民營企業在疫情期間展現出的合作意願，攜手推出多項抗疫舉措，如投資開發更多數位化系統以支援遠距辦公、利用多來源資料加強公共衛生與安全管理。那些在疫情爆發前就將數位平台部署到位的城市能夠從中獲益良多，包括收集並分析相關資料，進而迅速鎖定需要重點關注的地區並做出調整。

設計工程師需求

在設計戶外智慧監控工具、裝置和系統時，設計工程師往往面臨諸多挑戰。以下是設計某些戶外智慧監控裝置時需考慮的重要事項。請注意，其中提及的許多元件並非只能應對某一項挑戰。

．耐用性

大多數戶外監控裝置必須經久耐用，能夠抵禦惡劣天氣、極端溫度和紫外線照射，在某些情況下還要防止野生動物破壞。當監控裝置常常暴露於惡劣環境時，應盡可能採用強化型元件和密封型連接器。扁平柔性電纜(FFC)連接器是其中一種通用互連解決方案，可實現高性能應用所需的靈活性和耐用性。

強化型USB Type-C連接器的防水性能達到IPX8等級，是戶外監控裝置的選擇。這款連接器支援多種不同的協定，資料傳輸速率最高可達10Gbps。如泰科電子(TE)推出的USB Type-C連接器可從任意方向插入，實現快速可靠的插接，並在插座外殼背面採用了一種防電磁干擾(EMI)的設計，以幫助消除不必要的EMI產生。與USB Type-C戶外電纜配套使用時，可在惡劣環境下實現最佳性能。 裝置或元件的堅固外殼可防止惡意破壞，但也可能會影響訊號完整性或連線。在設計時需要考量這一點，可以將強化型外接天線作為備選方案。例如，M2M MIMO蜂巢式/LTE天線結構緊湊，具有堅固的薄型外殼且防水，通常可根據需要安裝在非導電面板上。它包含兩個具有有效隔離度和相關性的天線元件，涵蓋當前全球蜂巢式和LTE的所有頻段。資產追蹤的版本還包括有源天線，適用於GPS/GNSS/Galileo/Beidou等系統，可以回傳時間或地點資料。

．高資料傳輸速率和頻寬

設計時還需要考量不同裝置或系統的當前及未來頻寬需求，它會因使用目的和資料傳輸網路不同而異。例如，相比停車場管理裝置，交通管理裝置需要更多頻寬，以便達到發揮應有功能所需的資料速率。

影片或人臉辨識相關裝置通常需要更高的頻寬性能，才能採集並傳送清晰的影像。隨著資料輸送量的提高，需要性能更佳的天線，這時可以考慮採用多個天線或MIMO天線來提高數據傳輸速率。USB Type-C連接器和高速板對板連接器可提供可靠的訊號完整性和良好的訊號傳送速率，資料傳輸速率高達10Gbps甚至更高。

有業者已開發出能夠實現32Gbps或更高速率的自由高度板對板連接器，該連接器採用堅固的插頭/插座結構設計，提高了可靠性，並能在拔出距離達0.5mm的情況下保持性能不變。

．小型化

戶外監控裝置通常需要外型小巧，以免過於醒目。此外，它還需要在狹小的空間內整合眾多功能，因此採用小型化元件是關鍵。設計時需要考量的因素包括較小的中心線或間距、更薄的厚度和更輕便的互連解決方案。有些元件通常還需要進行強化或封裝，以便在極端天氣、溫度和濕度條件下實現最佳功能。

有些小型化元件適合狹小空間和高資料速率應用，還有一些專門針對惡劣環境而設計，例如：SMA/SSMA和微型同軸電纜和連接器；AMP CT、AMP迷你CT和AMP微型CT互連產品；FPC連接器；0.5mm、0.6mm、0.8mm和1mm自由高度連接器；行動裝置電池連接器；USB Type-C連接器等。

．訊號完整性

對於大多數用於犯罪偵查和預防的智慧裝置，輸送量和訊號完整性往往是設計的關鍵。低輸送量會降低頻寬，影響資料和影片輸出，造成影片或人臉辨識影像模糊等問題。TE現場應用工程經理Rickard Barrefelt表示，天線及其正確部署的重要性往往被低估。當室外環境中存在許多其他連接裝置及多種干擾因素時，天線設計和訊號完整性對裝置性能至關重要—天線的設計和部署是消除雜訊的關鍵。 彈簧夾有助於防止電磁干擾引起的噪音及靜電，可提供高度可靠的連接，並能為天線饋電提供經濟高效的解決方案，且因所占空間較小可在設計中實現多功能性。板級遮罩產品可用於隔離板級元件，降低EMI干擾，在不影響系統速度的前提下大幅降低串擾。一件或兩件式金屬籠有助於減小裝置厚度、搭配多個天線、提高資料傳輸速率及工作頻率。

．無線連接

戶外無線連接常常會遇到各種潛在干擾源及訊號阻塞的問題。例如，高層建築、地標和天氣都會影響網路連接和訊號完整性。隨著不同產業的工程師採用更多無線通訊技術進行設計以實現先進功能，通訊環境的複雜性和無線電干擾的可能性不斷增加。

5G技術憑藉其高速率、高可靠、高連接密度的特性成為智慧裝置生態系統的基礎，可為端到端解決方案提供良好的互通性，並豐富其功能。因此，防止戶外元件和其他裝置元件干擾是設計的關鍵，這也意謂著天線的選擇對於裝置的可靠性和功能至關重要。

Barrefelt表示，天線通常需要嵌入裝置，因此整個裝置本質上也是天線的一部分，不應將天線視為單個無源元件。天線的正確部署是裝置設計成敗的關鍵，因此他認為在概念階段和設計之初就應將天線納入考量。

．模組化設計

如今的工程設計通常需要考慮高性能、訊號完整性、電磁干擾(EMC)合規性以及透過電源和訊號連接實現高速資料傳輸。連接器必須具有更小的外型以減少占用空間，重量必須更輕，通常還必須能夠耐受各種環境條件。選擇正確的互連產品有助於設計工程師保持靈活，不斷突破設計限制，進而在不影響連接可靠性的情況下符合嚴苛的設計規範。

薄型柔性印刷電路(FPC)連接器與TE雙接觸FPC連接器以及其他連接器一樣，可為設計師提供靈活性並有助於節省空間，進而在更小空間內整合更多技術。對於因中心線間距較小而無法採用較大線對板互連產品的情況，其輕質FPC連接器可發揮作用。此外，許多應用需要能確保可靠性的連接器，如可實現更高精度和準確度的閉鎖功能及鍍金處理。

例如，經久耐用的高性能互連產品可提供垂直和水平(直角)連接器安裝方式以確保多功能性，而方釘技術使該產品可與業內大量其他同類產品進行插接。如TE的線對板HPI連接器系統提供薄型款，鎖定功能有助於插頭元件與插座的安全連接，進而線上對板訊號或低功率應用中實現可靠的連接。此外還提供鍍金選項，以免在惡劣環境中受到腐蝕。

(本文由泰科電子提供)