□□ 王 斌 (山西職業(yè)技術(shù)學(xué)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(diǎn)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、智能制造、智能家居、健康監(jiān)測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域，實(shí)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(yīng)用和研究熱點(diǎn)之一?；谖锫?lián)網(wǎng)的智慧城市是通過(guò)采用各種傳感技術(shù)、自動(dòng)識(shí)別技術(shù)、自組織或者移動(dòng)組網(wǎng)技術(shù)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)以及人工智能等信息技術(shù)，實(shí)現(xiàn)城市規(guī)劃、建設(shè)、政務(wù)、交通、環(huán)境監(jiān)測(cè)等核心職能的自動(dòng)化、智能化管理，顯著提高城市運(yùn)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(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，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(wú)線通信技術(shù)，功耗低，節(jié)點(diǎn)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(chǎng)景，是一種新興的短距離無(wú)線通信技術(shù)，類似于藍(lán)牙，但其主要是針對(duì)無(wú)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(cè)傳感器的無(wú)線組網(wǎng)連接。因此，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、智能家居、環(huán)境監(jiān)測(cè)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(diǎn)

1.2.1 功耗低

Zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的工作流程為三個(gè)階段，分別是數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸和休眠階段。因?yàn)閆igbee節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸速率較低，發(fā)射功率較低，所以節(jié)點(diǎn)收發(fā)信息的功耗較低，同時(shí)在工作模式之外，節(jié)點(diǎn)處于休眠模式，這時(shí)大部分組件的電源供應(yīng)處于暫停狀態(tài)，所以Zigbee節(jié)點(diǎn)設(shè)備非常省電。只需要2節(jié)5號(hào)電池，一臺(tái)Zigbee設(shè)備就可以持續(xù)工作半年到兩年的時(shí)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(gè)數(shù)據(jù)包必須等待接收方的確認(rèn)信息之后才認(rèn)為發(fā)送成功，否則需要進(jìn)行數(shù)據(jù)包的重傳，這一機(jī)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(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)可容納超過(guò)65 000個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，而各個(gè)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(jìn)行網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展之后整個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)目巨大。同樣是無(wú)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(tái)設(shè)備。在網(wǎng)絡(luò)容量方面，Zigbee技術(shù)具有巨大的優(yōu)勢(shì)。

1.2.4 安全性高

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

1.3 Zigbee組網(wǎng)方式

Zigbee網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)類型分為三種，分別是協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器用于在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)初期建立網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)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(diǎn)就會(huì)自動(dòng)退化為路由器節(jié)點(diǎn)。一個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)只有一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。路由器節(jié)點(diǎn)用于轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。終端節(jié)點(diǎn)直接與傳感器設(shè)備連接進(jìn)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?fù)渲饕行切秃途W(wǎng)狀型。不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥m用于不同的通信場(chǎng)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(shí)別設(shè)備，比如射頻識(shí)別、全球定位系統(tǒng)、紅外感應(yīng)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(jìn)行信息交換，最終實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)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(guò)物與物的相連，將世界萬(wàn)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(yīng)用層。感知層主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)收集，主要依靠各種傳感器、射頻識(shí)別技術(shù)等。傳輸層將收集到的數(shù)據(jù)傳送給應(yīng)用層，主要包括有線和無(wú)線通信技術(shù)。無(wú)線通信技術(shù)包括短距離無(wú)線通信和長(zhǎng)距離無(wú)線通信技術(shù)。短距離無(wú)線通信技術(shù)包括藍(lán)牙、WiFi、Zigbee等技術(shù)，長(zhǎng)距離無(wú)線通信技術(shù)包括GPRS、LTE、5G、NB-IOT等技術(shù)。應(yīng)用層包括云計(jì)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(yīng)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(guò)各種傳感器設(shè)備、射頻識(shí)別設(shè)備對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)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(wú)線通信技術(shù)手段傳輸?shù)胶笈_(tái)的應(yīng)用層。最后，應(yīng)用層將傳輸層傳來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、計(jì)算、利用云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等手段進(jìn)行決策，將相關(guān)的控制命令經(jīng)由傳輸層傳達(dá)給終端設(shè)備執(zhí)行。Zigbee是傳輸層短距離無(wú)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(wú)線通信技術(shù)的WiFi、藍(lán)牙在物聯(lián)網(wǎng)的各種應(yīng)用中有著更加廣泛的應(yīng)用，已廣泛應(yīng)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(yīng)用

3.1 智能電網(wǎng)遠(yuǎn)程抄表

智能電網(wǎng)遠(yuǎn)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(yuǎn)程抄表系統(tǒng)能夠幫助有效地降低抄表的人力成本，同時(shí)通過(guò)實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表的應(yīng)用中，Zigbee終端節(jié)點(diǎn)模塊直接與電表相連接，負(fù)責(zé)采集電表的相關(guān)數(shù)據(jù)信息。各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)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(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)，匯總到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)處，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)可以與有線計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)或者遠(yuǎn)距離無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)(如LTE、GPRS等)連接，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)經(jīng)由與之連接的網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)胶笈_(tái)的數(shù)據(jù)管理控制中心。后臺(tái)的管理控制中心對(duì)收集到的電表數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、存儲(chǔ)、計(jì)算并做出相關(guān)決策。后臺(tái)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(diǎn)、Zigbee路由節(jié)點(diǎn)傳輸至Zigbee終端節(jié)點(diǎn)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(shí)地收集路燈、路況、道路行駛環(huán)境信息，對(duì)路燈照明進(jìn)行實(shí)時(shí)智能控制，為城市的智慧照明和節(jié)能減排做出貢獻(xiàn)。

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(diǎn)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(fù)責(zé)收集道路當(dāng)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(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)，匯總到邊緣網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)處，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)或者移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)相連接，最終數(shù)據(jù)傳輸至后臺(tái)控制中心。后臺(tái)控制中心對(duì)照明信息、道路交通信息進(jìn)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(diǎn)、Zigbee路由節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)，下發(fā)至各個(gè)Zigbee終端節(jié)點(diǎn)處，執(zhí)行相應(yīng)的照明調(diào)節(jié)動(dòng)作?；赯igbee網(wǎng)絡(luò)的智慧路燈照明系統(tǒng)能夠及時(shí)根據(jù)道路當(dāng)前車流量、照明情況對(duì)于路燈的照明強(qiáng)度及照明時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，有效降低城市照明的用電量，同時(shí)延長(zhǎng)了路燈的使用壽命。

3.3 環(huán)境監(jiān)測(cè)

基于物聯(lián)網(wǎng)的城市環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也是建設(shè)智慧城市的重要方面之一。通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行城市環(huán)境監(jiān)測(cè)，能夠更加及時(shí)、科學(xué)地應(yīng)對(duì)目前日益嚴(yán)峻的城市環(huán)境問(wèn)題，比如光污染、工業(yè)污染、汽車尾氣、城市灰塵等問(wèn)題。在很多基于物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)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(cè)系統(tǒng)中，終端節(jié)點(diǎn)直接與各種環(huán)境監(jiān)測(cè)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(diǎn)能夠及時(shí)收集環(huán)境監(jiān)測(cè)的各種數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)Zigbee路由節(jié)點(diǎn)傳送至網(wǎng)絡(luò)邊緣的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，經(jīng)由與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)相連接網(wǎng)絡(luò)傳送至后臺(tái)管理控制中心。管理控制中心對(duì)監(jiān)測(cè)到的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，做出科學(xué)地環(huán)境監(jiān)督和環(huán)境管理決策。

4 結(jié)語(yǔ)

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(shì)，在智慧城市的眾多應(yīng)用中正在并且將會(huì)更加廣泛應(yīng)用，特別是適合低功耗、低成本的無(wú)線傳感器的組網(wǎng)連接。