Zigbee技术在智慧城市中的应用①

□□ 王 斌 (山西职业技术学院，山西 太原 030006)

引言

Zigbee技术是物联网网络层的关键技术之一，因其低功耗、组网灵活、低成本等特点被广泛应用于工业控制、智能制造、智能家居、健康监测、环境监测等领域，实现了传感以及控制的功能。智慧城市是物联网的典型应用和研究热点之一。基于物联网的智慧城市是通过采用各种传感技术、自动识别技术、自组织或者移动组网技术、云计算、大数据以及人工智能等信息技术，实现城市规划、建设、政务、交通、环境监测等核心职能的自动化、智能化管理，显著提高城市运转效率，为人们的生产、生活提供更加便利、快捷、高效的服务。Zigbee技术凭借其独特的技术优势，在智慧城市的构建中发挥着重要作用。

1 Zigbee技术概述

1.1 Zigbee基本概念

ZigBee技术是一种无线通信技术，功耗低，节点设备和组网成本较低。适用于速率要求低、通信距离短的通信场景，是一种新兴的短距离无线通信技术，类似于蓝牙，但其主要是针对无线传感器网络提出的，特别适合于由小型、低成本传感器所构成的传感器网络组网连接需求，比如温度传感器、光照传感器、环境监测传感器的无线组网连接。因此，被广泛应用于工业控制、农业生产、智能家居、环境监测等领域。在这些领域中用于感知(数据收集、上传)和控制(指令的下发)。

1.2 Zigee技术特点

1.2.1 功耗低

Zigbee网络节点的工作流程为三个阶段，分别是数据采集、数据传输和休眠阶段。因为Zigbee节点的数据传输速率较低，发射功率较低，所以节点收发信息的功耗较低，同时在工作模式之外，节点处于休眠模式，这时大部分组件的电源供应处于暂停状态，所以Zigbee节点设备非常省电。只需要2节5号电池，一台Zigbee设备就可以持续工作半年到两年的时间。

1.2.2 可靠性高

Zigbee在数据链路层采用冲突避免的传输策略，每一个数据包必须等待接收方的确认信息之后才认为发送成功，否则需要进行数据包的重传，这一机制有效地提高了数据传输的可靠性。

1.2.3 网络容量大

一个Zigbee网络可容纳超过65 000个网络节点，而各个网络中的网络协调器之间又可以互相建立连接，进行网络扩展之后整个Zigbee网络的节点数目巨大。同样是无线网络技术中的WiFi技术，路由器一般最多只支持十几台设备。在网络容量方面，Zigbee技术具有巨大的优势。

1.2.4 安全性高

Zigbee支持鉴权和认证，提供数据完整性检查，并且在数据传输过程中提供了ACL(Access Control List)接入控制机制以及AES-128加密算法分别作为数据传输时的第二级和第三级安全级别选择。

1.3 Zigbee组网方式

Zigbee网络中的节点类型分为三种，分别是协调器、路由器和终端节点。协调器用于在网络建设初期建立网络，进行网络初始化，在网络上组建好之后协调器节点就会自动退化为路由器节点。一个Zigbee网络只有一个协调器节点。路由器节点用于转发数据包。终端节点直接与传感器设备连接进行数据的收集，不具备路由寻址功能。Zigbee网络的网络拓扑主要有星型和网状型。不同的网络拓扑适用于不同的通信场景中。

2 Zigbee技术与物联网

2.1 物联网的概念

物联网借助多种信息感知或身份识别设备，比如射频识别、全球定位系统、红外感应器、激光扫描器等设备，按照约定的协议将任何物体接入到互联网中，进行信息交换，最终实现智能化识别、定位、跟踪、监控以及管理。物联网就是物与物相联的互联网，通过物与物的相连，将世界万物都接入互联网中。

2.2 物联网的关键技术

物联网的网络架构分成三层，分别是感知层、传输层以及应用层。感知层主要负责数据收集，主要依靠各种传感器、射频识别技术等。传输层将收集到的数据传送给应用层，主要包括有线和无线通信技术。无线通信技术包括短距离无线通信和长距离无线通信技术。短距离无线通信技术包括蓝牙、WiFi、Zigbee等技术，长距离无线通信技术包括GPRS、LTE、5G、NB-IOT等技术。应用层包括云计算、大数据、人工智能等新兴技术。

2.3 Zigbee技术与物联网

物联网依靠感知层、传输层和应用层完成数据的收集、传输、分析和决策。首先，感知层通过各种传感器设备、射频识别设备对数据进行收集。接着，传输层将感知层收集到的数据借助各种有线、无线通信技术手段传输到后台的应用层。最后，应用层将传输层传来的数据进行分析、计算、利用云计算、大数据等手段进行决策，将相关的控制命令经由传输层传达给终端设备执行。Zigbee是传输层短距离无线通信技术中的关键技术之一，因其功耗低、成本低、安全性高、网络容量大，相比于同样是短距离无线通信技术的WiFi、蓝牙在物联网的各种应用中有着更加广泛的应用，已广泛应用于感知层中传感器网络的信息传输。

3 Zigbee技术在智慧城市中的应用

3.1 智能电网远程抄表

智能电网远程抄表是智慧城市智能电网中的重要组成部分，建设远程抄表系统能够帮助有效地降低抄表的人力成本，同时通过实时收集用户的用电信息还为用户提供更好的配电和供电服务。

在很多基于Zigbee网络实现远程抄表的应用中，Zigbee终端节点模块直接与电表相连接，负责采集电表的相关数据信息。各个终端节点在电表数据采集完成之后将数据经由路由节点转发，汇总到网关节点处，网关节点可以与有线计算机网络或者远距离无线通信网络(如LTE、GPRS等)连接，网关节点将数据经由与之连接的网络传输到后台的数据管理控制中心。后台的管理控制中心对收集到的电表数据进行分析、存储、计算并做出相关决策。后台数据管理中心下发的控制命令经由网关节点、Zigbee路由节点传输至Zigbee终端节点模块执行。

3.2 智慧路灯

智慧路灯是基于物联网建设智慧城市的重要方面之一，智慧路灯控制系统能够及时地收集路灯、路况、道路行驶环境信息，对路灯照明进行实时智能控制，为城市的智慧照明和节能减排做出贡献。

在很多基于Zigbee网络构建的智慧路灯系统中，Zigbee终端节点模块与路灯设备上安装的各种传感器(光照传感器等)直接相连，负责收集道路当前照明、车流量大小等数据信息，收集到的数据经由Zigbee路由节点转发，汇总到边缘网关节点处，网关节点与计算机网络或者移动通信网络相连接，最终数据传输至后台控制中心。后台控制中心对照明信息、道路交通信息进行分析并做出决策。下发的决策指令经由网关节点、Zigbee路由节点转发，下发至各个Zigbee终端节点处，执行相应的照明调节动作。基于Zigbee网络的智慧路灯照明系统能够及时根据道路当前车流量、照明情况对于路灯的照明强度及照明时长进行调节，有效降低城市照明的用电量，同时延长了路灯的使用寿命。

3.3 环境监测

基于物联网的城市环境监测系统也是建设智慧城市的重要方面之一。通过物联网技术进行城市环境监测，能够更加及时、科学地应对目前日益严峻的城市环境问题，比如光污染、工业污染、汽车尾气、城市灰尘等问题。在很多基于物联网环境监测的系统方案中，Zigbee技术是传输层的重要选择。

在很多基于Zigbee网络构建的智慧环境监测系统中，终端节点直接与各种环境监测传感器设备相连接，比如温度传感器、湿度传感器、CO浓度传感器，PM2.5浓度传感器等。Zigbee终端节点能够及时收集环境监测的各种数据，经过Zigbee路由节点传送至网络边缘的网关节点，经由与网关节点相连接网络传送至后台管理控制中心。管理控制中心对监测到的环境数据进行分析，做出科学地环境监督和环境管理决策。

4 结语

综上，Zigbee网络因其低功耗、低成本、较高数据传输可靠性、组网灵活等优势，在智慧城市的众多应用中正在并且将会更加广泛应用，特别是适合低功耗、低成本的无线传感器的组网连接。