基于物聯網的可持續智慧城市的能源問題

　　倫敦、斯德哥爾摩、迪拜、紐約等許多城市已經開始向智慧城市轉型。隨著人們越來越普遍地認識到信息和通信進步將先于不可避免和必要的城市環境進步，能源困境將伴隨后者。根據倫敦能源和溫室氣體排放清單(“LEGGI”)，該市在 2018 年使用了大約 134,000 千兆瓦時的能源。隨著倫敦(和其他城市)逐漸發展成為一個成熟的智慧城市，這一數字只會增加。

　　在未來能源安全恐慌中，尋找更新、獨特的方法來產生運營智慧城市所需的能源可能是至關重要的一步。雖然許多發達國家的城市都在努力通過完全采用可再生能源為自己供電而成為零碳城市，但值得探索更新、小規模的能量收集設備來利用可持續能源。其中一種方法是通過物聯網增強的基于壓電的腳步發電系統。

　　物聯網系統中的壓電材料

　　隨著傳感設備在智能城市中越來越普遍，利用各種運動和振動源來生產能源成為可能。壓電材料可以“捕獲”來自人體運動、風、車輛、海浪等來源的動能，并將其轉化為電能。這些壓電材料，無論是嵌入鞋內還是固定在四肢上，都可以從行走或擺動等活動中捕獲能量。這項技術可以高效、清潔地將機械壓力轉化為電能，從而成為一種環保的電源。物聯網作為一種技術，可以在實現可行的壓電能量收集系統方面發揮框架和監管作用。

　　首先，能量收集系統中的物聯網設備會不斷監測利用能量的壓電設備的性能——檢測磨損情況、是否符合當地法規和標準。但物聯網如何通過智能管理收集能量的分配來釋放壓電能量收集系統的真正潛力呢?在智能城市中，物聯網可以促進收集能量的交易和共享。多余的能量可以賣給電網，也可以與鄰近的建筑物或基礎設施共享，從而創建一個更加互聯和可持續的能源生態系統。它可以將產生的電力用于為各種設備供電，也可以將多余的能量儲存起來以備后用。這種動態能量分配提高了系統的實用性和可靠性。此外，建立一個壓電傳感器網絡可以提高效率，而且是遠程的。

　　盡管壓電材料有可能融入一個與智能城市中普遍的電源管理基礎設施相融合的無縫系統，但這些材料仍處于起步階段，在商業上不可行，無法從人體運動、風、車輛、海浪等來源的振動中有利地利用能量轉化為電力。它呼吁對該領域和其他小規模能源收集方法進行更多研究，以補充可持續能源領域的大參與者。

　　實現智慧城市的另一個艱巨挑戰是，人們越來越擔心在不久的將來如何養活城市居民。根據《垂直農場：21 世紀養活世界》一書的作者迪克康·德斯波米爾 (Dickcon Despommier) 的說法，到 2030 年，地球人口的近 80% 將居住在城市中心，如果繼續采用傳統的耕作方式，要養活屆時新增的 30 億人口，估計需要 109 公頃新土地來種植足夠的糧食。然而，隨著城市農業在智慧城市中越來越普遍，屋頂花園、高密度園藝生產、小規模農田、社區花園和更廣泛的農業經營不斷涌現，農業實踐正在朝著變革邁出一步。但是，城市農業更傾向于對能源有較高的要求，使用設備代替較小的土地使用。

　　由于可用于農業用途的土地有限，農民將采用垂直農業、水培和其他集約化技術。這些方法涉及人工照明、氣候控制系統和自動化，所有這些都需要大量能源投入。回想起來，即使是傳統環境下的農業也需要更多的能源，因為需要養活更多的人。因此，隨著世界迫切要求零碳排放，世界各國政府一直在敦促農業部門不可避免地轉向可再生能源。

　　物聯網技術解決方案已越來越多地應用于資源管理、供應鏈管理和遠程監控農場(無論是城市農場還是傳統農場)。物聯網傳感器可實時監測土壤狀況、作物健康狀況和天氣模式，幫助農民做出明智的決定，確定何時以及如何種植、灌溉和收獲，優化作物產量和資源利用率，這些都已為農場的生產力做出了貢獻。盡管物聯網在監管方面應用廣泛，但它在農場能源效率方面的潛在作用卻常常被忽視。雖然確實存在可以監測和控制城市農業運營中能源使用的物聯網設備，但即使在能源來源處也需要納入這項技術。也就是說，雖然我們在農場的節能實踐方面取得了進步，但也有必要規范農場的能源生產。

　　農場和農業生態系統

　　農場本質上是生態系統——能夠生產自己的能源。它們可以利用太陽能、回收養分并整合可再生能源。物聯網系統可以設計為調節和管理農場內生生產的能源。在城市農業環境中，通過營養循環產生的沼氣或能源不僅可以為垂直農場和小塊土地提供電力，還可以為主電網做出貢獻——前提是它們自身的能源消耗得到優化和最小化。物聯網作為一種技術，是一種明智的工具，有助于實現即將無處不在的自給自足的智能城市。雖然物聯網是一種使智能城市得以存在的技術，但它們在緩解這些機構所面臨的挑戰方面的潛力也不容忽視。