□□ 王 斌 (山西職業(yè)技術(shù)學院，山西 太原 030006)

引言

Zigbee技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層的關(guān)鍵技術(shù)之一，因其低功耗、組網(wǎng)靈活、低成本等特點被廣泛應用于工業(yè)控制、智能制造、智能家居、健康監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域，實現(xiàn)了傳感以及控制的功能。智慧城市是物聯(lián)網(wǎng)的典型應用和研究熱點之一。基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧城市是通過采用各種傳感技術(shù)、自動識別技術(shù)、自組織或者移動組網(wǎng)技術(shù)、云計算、大數(shù)據(jù)以及人工智能等信息技術(shù)，實現(xiàn)城市規(guī)劃、建設(shè)、政務(wù)、交通、環(huán)境監(jiān)測等核心職能的自動化、智能化管理，顯著提高城市運轉(zhuǎn)效率，為人們的生產(chǎn)、生活提供更加便利、快捷、高效的服務(wù)。Zigbee技術(shù)憑借其獨特的技術(shù)優(yōu)勢，在智慧城市的構(gòu)建中發(fā)揮著重要作用。

1 Zigbee技術(shù)概述

1.1 Zigbee基本概念

ZigBee技術(shù)是一種無線通信技術(shù)，功耗低，節(jié)點設(shè)備和組網(wǎng)成本較低。適用于速率要求低、通信距離短的通信場景，是一種新興的短距離無線通信技術(shù)，類似于藍牙，但其主要是針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)提出的，特別適合于由小型、低成本傳感器所構(gòu)成的傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)連接需求，比如溫度傳感器、光照傳感器、環(huán)境監(jiān)測傳感器的無線組網(wǎng)連接。因此，被廣泛應用于工業(yè)控制、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、智能家居、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域。在這些領(lǐng)域中用于感知(數(shù)據(jù)收集、上傳)和控制(指令的下發(fā))。

1.2 Zigee技術(shù)特點

1.2.1 功耗低

Zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的工作流程為三個階段，分別是數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸和休眠階段。因為Zigbee節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸速率較低，發(fā)射功率較低，所以節(jié)點收發(fā)信息的功耗較低，同時在工作模式之外，節(jié)點處于休眠模式，這時大部分組件的電源供應處于暫停狀態(tài)，所以Zigbee節(jié)點設(shè)備非常省電。只需要2節(jié)5號電池，一臺Zigbee設(shè)備就可以持續(xù)工作半年到兩年的時間。

1.2.2 可靠性高

Zigbee在數(shù)據(jù)鏈路層采用沖突避免的傳輸策略，每一個數(shù)據(jù)包必須等待接收方的確認信息之后才認為發(fā)送成功，否則需要進行數(shù)據(jù)包的重傳，這一機制有效地提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

1.2.3 網(wǎng)絡(luò)容量大

一個Zigbee網(wǎng)絡(luò)可容納超過65 000個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，而各個網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器之間又可以互相建立連接，進行網(wǎng)絡(luò)擴展之后整個Zigbee網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點數(shù)目巨大。同樣是無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中的WiFi技術(shù)，路由器一般最多只支持十幾臺設(shè)備。在網(wǎng)絡(luò)容量方面，Zigbee技術(shù)具有巨大的優(yōu)勢。

1.2.4 安全性高

Zigbee支持鑒權(quán)和認證，提供數(shù)據(jù)完整性檢查，并且在數(shù)據(jù)傳輸過程中提供了ACL(Access Control List)接入控制機制以及AES-128加密算法分別作為數(shù)據(jù)傳輸時的第二級和第三級安全級別選擇。

1.3 Zigbee組網(wǎng)方式

Zigbee網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點類型分為三種，分別是協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點。協(xié)調(diào)器用于在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)初期建立網(wǎng)絡(luò)，進行網(wǎng)絡(luò)初始化，在網(wǎng)絡(luò)上組建好之后協(xié)調(diào)器節(jié)點就會自動退化為路由器節(jié)點。一個Zigbee網(wǎng)絡(luò)只有一個協(xié)調(diào)器節(jié)點。路由器節(jié)點用于轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。終端節(jié)點直接與傳感器設(shè)備連接進行數(shù)據(jù)的收集，不具備路由尋址功能。Zigbee網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)拓撲主要有星型和網(wǎng)狀型。不同的網(wǎng)絡(luò)拓撲適用于不同的通信場景中。

2 Zigbee技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)

2.1 物聯(lián)網(wǎng)的概念

物聯(lián)網(wǎng)借助多種信息感知或身份識別設(shè)備，比如射頻識別、全球定位系統(tǒng)、紅外感應器、激光掃描器等設(shè)備，按照約定的協(xié)議將任何物體接入到互聯(lián)網(wǎng)中，進行信息交換，最終實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控以及管理。物聯(lián)網(wǎng)就是物與物相聯(lián)的互聯(lián)網(wǎng)，通過物與物的相連，將世界萬物都接入互聯(lián)網(wǎng)中。

2.2 物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分成三層，分別是感知層、傳輸層以及應用層。感知層主要負責數(shù)據(jù)收集，主要依靠各種傳感器、射頻識別技術(shù)等。傳輸層將收集到的數(shù)據(jù)傳送給應用層，主要包括有線和無線通信技術(shù)。無線通信技術(shù)包括短距離無線通信和長距離無線通信技術(shù)。短距離無線通信技術(shù)包括藍牙、WiFi、Zigbee等技術(shù)，長距離無線通信技術(shù)包括GPRS、LTE、5G、NB-IOT等技術(shù)。應用層包括云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新興技術(shù)。

2.3 Zigbee技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)依靠感知層、傳輸層和應用層完成數(shù)據(jù)的收集、傳輸、分析和決策。首先，感知層通過各種傳感器設(shè)備、射頻識別設(shè)備對數(shù)據(jù)進行收集。接著，傳輸層將感知層收集到的數(shù)據(jù)借助各種有線、無線通信技術(shù)手段傳輸?shù)胶笈_的應用層。最后，應用層將傳輸層傳來的數(shù)據(jù)進行分析、計算、利用云計算、大數(shù)據(jù)等手段進行決策，將相關(guān)的控制命令經(jīng)由傳輸層傳達給終端設(shè)備執(zhí)行。Zigbee是傳輸層短距離無線通信技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)之一，因其功耗低、成本低、安全性高、網(wǎng)絡(luò)容量大，相比于同樣是短距離無線通信技術(shù)的WiFi、藍牙在物聯(lián)網(wǎng)的各種應用中有著更加廣泛的應用，已廣泛應用于感知層中傳感器網(wǎng)絡(luò)的信息傳輸。

3 Zigbee技術(shù)在智慧城市中的應用

3.1 智能電網(wǎng)遠程抄表

智能電網(wǎng)遠程抄表是智慧城市智能電網(wǎng)中的重要組成部分，建設(shè)遠程抄表系統(tǒng)能夠幫助有效地降低抄表的人力成本，同時通過實時收集用戶的用電信息還為用戶提供更好的配電和供電服務(wù)。

在很多基于Zigbee網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)遠程抄表的應用中，Zigbee終端節(jié)點模塊直接與電表相連接，負責采集電表的相關(guān)數(shù)據(jù)信息。各個終端節(jié)點在電表數(shù)據(jù)采集完成之后將數(shù)據(jù)經(jīng)由路由節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)，匯總到網(wǎng)關(guān)節(jié)點處，網(wǎng)關(guān)節(jié)點可以與有線計算機網(wǎng)絡(luò)或者遠距離無線通信網(wǎng)絡(luò)(如LTE、GPRS等)連接，網(wǎng)關(guān)節(jié)點將數(shù)據(jù)經(jīng)由與之連接的網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)胶笈_的數(shù)據(jù)管理控制中心。后臺的管理控制中心對收集到的電表數(shù)據(jù)進行分析、存儲、計算并做出相關(guān)決策。后臺數(shù)據(jù)管理中心下發(fā)的控制命令經(jīng)由網(wǎng)關(guān)節(jié)點、Zigbee路由節(jié)點傳輸至Zigbee終端節(jié)點模塊執(zhí)行。

3.2 智慧路燈

智慧路燈是基于物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)智慧城市的重要方面之一，智慧路燈控制系統(tǒng)能夠及時地收集路燈、路況、道路行駛環(huán)境信息，對路燈照明進行實時智能控制，為城市的智慧照明和節(jié)能減排做出貢獻。

在很多基于Zigbee網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的智慧路燈系統(tǒng)中，Zigbee終端節(jié)點模塊與路燈設(shè)備上安裝的各種傳感器(光照傳感器等)直接相連，負責收集道路當前照明、車流量大小等數(shù)據(jù)信息，收集到的數(shù)據(jù)經(jīng)由Zigbee路由節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)，匯總到邊緣網(wǎng)關(guān)節(jié)點處，網(wǎng)關(guān)節(jié)點與計算機網(wǎng)絡(luò)或者移動通信網(wǎng)絡(luò)相連接，最終數(shù)據(jù)傳輸至后臺控制中心。后臺控制中心對照明信息、道路交通信息進行分析并做出決策。下發(fā)的決策指令經(jīng)由網(wǎng)關(guān)節(jié)點、Zigbee路由節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)，下發(fā)至各個Zigbee終端節(jié)點處，執(zhí)行相應的照明調(diào)節(jié)動作。基于Zigbee網(wǎng)絡(luò)的智慧路燈照明系統(tǒng)能夠及時根據(jù)道路當前車流量、照明情況對于路燈的照明強度及照明時長進行調(diào)節(jié)，有效降低城市照明的用電量，同時延長了路燈的使用壽命。

3.3 環(huán)境監(jiān)測

基于物聯(lián)網(wǎng)的城市環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)也是建設(shè)智慧城市的重要方面之一。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進行城市環(huán)境監(jiān)測，能夠更加及時、科學地應對目前日益嚴峻的城市環(huán)境問題，比如光污染、工業(yè)污染、汽車尾氣、城市灰塵等問題。在很多基于物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)測的系統(tǒng)方案中，Zigbee技術(shù)是傳輸層的重要選擇。

在很多基于Zigbee網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的智慧環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中，終端節(jié)點直接與各種環(huán)境監(jiān)測傳感器設(shè)備相連接，比如溫度傳感器、濕度傳感器、CO濃度傳感器，PM2.5濃度傳感器等。Zigbee終端節(jié)點能夠及時收集環(huán)境監(jiān)測的各種數(shù)據(jù)，經(jīng)過Zigbee路由節(jié)點傳送至網(wǎng)絡(luò)邊緣的網(wǎng)關(guān)節(jié)點，經(jīng)由與網(wǎng)關(guān)節(jié)點相連接網(wǎng)絡(luò)傳送至后臺管理控制中心。管理控制中心對監(jiān)測到的環(huán)境數(shù)據(jù)進行分析，做出科學地環(huán)境監(jiān)督和環(huán)境管理決策。

4 結(jié)語

綜上，Zigbee網(wǎng)絡(luò)因其低功耗、低成本、較高數(shù)據(jù)傳輸可靠性、組網(wǎng)靈活等優(yōu)勢，在智慧城市的眾多應用中正在并且將會更加廣泛應用，特別是適合低功耗、低成本的無線傳感器的組網(wǎng)連接。