基于Packet Tracer的智能家居組網(wǎng)教學(xué)設(shè)計(jì)

喬焰 馬慧敏

摘要：目前物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的《網(wǎng)絡(luò)技術(shù)》實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐課程大多沿襲了早期計(jì)算機(jī)專業(yè)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程設(shè)置，無(wú)法體現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)工程的專業(yè)特色。利用最新版本的Packet Tracer 7.0軟件新添加的物聯(lián)網(wǎng)功能，可仿真智能家居的組網(wǎng)，并實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)過程中的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。通過設(shè)計(jì)智能家居組網(wǎng)實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐課程，可幫助物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)學(xué)生理解和掌握物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)理論，將理論應(yīng)用到實(shí)踐，從而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新思維。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)工程；網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)驗(yàn)；Packet Tracer；智能家居組網(wǎng)

中圖分類號(hào)：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）06-0150-04

物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)是2010年教育部新設(shè)立的本科專業(yè)，截至2016年，全國(guó)共有333所高校開設(shè)了物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)。隨著開設(shè)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的高校越來(lái)越多，如何圍繞物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的人才培養(yǎng)目標(biāo)，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)人才的社會(huì)需求，重構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)中的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)課程的教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)體系已成為物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)界和教育界廣泛關(guān)注的課題之一。

《網(wǎng)絡(luò)技術(shù)》課程是物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的基礎(chǔ)核心課程，而《網(wǎng)絡(luò)技術(shù)》的實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐課程是將《網(wǎng)絡(luò)技術(shù)》理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際的重要課程。但現(xiàn)有的《網(wǎng)絡(luò)技術(shù)》實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐課程主要沿襲了早期PC時(shí)代的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程設(shè)置，難以滿足當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的建設(shè)需要。由于物聯(lián)網(wǎng)具有全面感知、可靠傳輸、智能處理的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于智能家居、智能交通、智能農(nóng)業(yè)和智能物流等領(lǐng)域。智能家居是與人們生活聯(lián)系最緊密的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)智能家居組網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)學(xué)生必須要掌握的技能之一。然而智能家居設(shè)備普遍具有較高的科技附加值，因而價(jià)格偏高，更新?lián)Q代的速度也是其他設(shè)備無(wú)法比擬的，作為教學(xué)主體的學(xué)校很難有足夠的資金準(zhǔn)備足夠數(shù)量的智能家居設(shè)備供為學(xué)生提供實(shí)驗(yàn)條件。

本文利用Cisco公司在2016年發(fā)布的PacketTracer 7.0仿真軟件，設(shè)計(jì)了用于物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)智能家居組網(wǎng)技術(shù)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)，將所學(xué)理論與實(shí)際相結(jié)合，鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力和實(shí)踐創(chuàng)新能力。

1智能家居系統(tǒng)組網(wǎng)

利用Packet Tracer7.0組建如圖1所示的智能家居拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖中包含智能家居系統(tǒng)和遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。在智能家居系統(tǒng)中，包含智能網(wǎng)關(guān)、調(diào)溫器、空調(diào)、暖氣、燈、電扇、窗戶和本地監(jiān)控PC機(jī)；遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)包含智能家居注冊(cè)服務(wù)器、遠(yuǎn)程監(jiān)控PC機(jī)、ISP路由器、PC機(jī)網(wǎng)關(guān)路由器和服務(wù)器網(wǎng)關(guān)路由器。1.1智能家居系統(tǒng)

在圖1所示拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的智能家居部分，智能網(wǎng)關(guān)起到了連通內(nèi)網(wǎng)和連接外網(wǎng)的作用。調(diào)溫器和本地PC機(jī)通過直通線與智能網(wǎng)關(guān)相連；而燈、電扇和窗戶屬于不易布線的家居設(shè)備，因此通過Wi-Fi的方式與智能網(wǎng)關(guān)相連。此時(shí)需要手動(dòng)將燈、電扇、窗戶的網(wǎng)卡更換為PT-IOE-NM-1W無(wú)線網(wǎng)卡?？照{(diào)和暖氣通過“IoE客戶端線纜”與調(diào)溫器相連。需要注意的是，暖氣的D0接口應(yīng)連接調(diào)溫器的D1接口，而空調(diào)的D0接口應(yīng)連接調(diào)溫器的D2接口，若連接錯(cuò)誤則調(diào)溫器無(wú)法控制空調(diào)和暖氣。本地PC機(jī)和調(diào)溫器的以太網(wǎng)接口通過直通線與智能網(wǎng)關(guān)的以太網(wǎng)接口相連。

1.2遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)

遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)包括ISP路由器、遠(yuǎn)程監(jiān)控PC機(jī)、PC機(jī)所在單位網(wǎng)關(guān)路由器、智能家居注冊(cè)服務(wù)器和智能家居注冊(cè)服務(wù)器公司網(wǎng)關(guān)路由器。三個(gè)路由器均需要添加WIC-2T串口，并通過DCE串口線連接；智能家居網(wǎng)關(guān)的Internet接口與ISP路由器的以太網(wǎng)接口相連；服務(wù)器與PC機(jī)通過交叉線分別與相應(yīng)網(wǎng)關(guān)路由器的以太網(wǎng)接口相連。

2智能家居組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

在智能家居組網(wǎng)中主要包含以下幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)：1）DHCP技術(shù)；2）靜態(tài)IP地址分配技術(shù)；3）動(dòng)態(tài)路由技術(shù)；4）智能家居控制技術(shù)。

2.1 DHCP技術(shù)

DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol，動(dòng)態(tài)主機(jī)配置協(xié)議）是給內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)或網(wǎng)絡(luò)服務(wù)供應(yīng)商自動(dòng)分配IP地址的技術(shù)。通過DHCP技術(shù)能夠使網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的主機(jī)動(dòng)態(tài)的獲得IP地址、網(wǎng)關(guān)地址、DNS服務(wù)器地址等信息。智能家居設(shè)備采用DHCP的方式從智能網(wǎng)關(guān)處自動(dòng)獲得IP地址。對(duì)于每個(gè)與智能網(wǎng)關(guān)相連的智能家居設(shè)備都需要手動(dòng)將IP地址設(shè)置成DHCP模式。

2.2靜態(tài)IP地址分配技術(shù)

靜態(tài)IP地址分配是相對(duì)DHCP自動(dòng)獲取IP地址來(lái)說(shuō)的。ISP路由器、遠(yuǎn)程監(jiān)控PC機(jī)、注冊(cè)服務(wù)器和兩個(gè)網(wǎng)關(guān)路由器均采用靜態(tài)IP地址的配置方式。遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中總共存在5個(gè)子網(wǎng)，分別為202.1.1.0/24、202.1.2.0/24、202.1.3.0/24、202.1.4.0/24和202.1.5.0/24，如圖2所示。分別從各自的子網(wǎng)中選取IP地址，分配給路由器的各個(gè)接口、智能網(wǎng)關(guān)的Internet接口、PC機(jī)和服務(wù)器。分配的IP地址如表1所示。

2.3動(dòng)態(tài)路由技術(shù)

動(dòng)態(tài)路由協(xié)議是通過路由器之間相互交換信息，從而生成并維護(hù)本路由器的路由表。當(dāng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，動(dòng)態(tài)路由協(xié)議可以自動(dòng)更新路由表，并負(fù)責(zé)決定數(shù)據(jù)傳輸最佳路徑。在本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中三個(gè)路由器均運(yùn)行OSPF（最短路徑優(yōu)先協(xié)議）動(dòng)態(tài)路由協(xié)議生成路由表。OSPF路由協(xié)議是基于鏈路狀態(tài)的路由協(xié)議，通過路由器之間通告網(wǎng)絡(luò)接口的狀態(tài)信息來(lái)建立鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)，生成最短路徑樹，每個(gè)OSPF路由器使用這些最短路徑來(lái)構(gòu)造路由表。在三臺(tái)路由器上配置OSPF協(xié)議的詳細(xì)配置命令如下：

（1）ISP路由器

isp（config）#router ospf 10

isp（config-router）#network 202.1.1.0 0.0.0.255 area 0

isp（config-router）#network 202.1.2.0 0.0.0.255 area 0

isp（config-router）#network 202.1.4.0 0.0.0.255 area 0

（2）Pc機(jī)網(wǎng)關(guān)路由器

PC_Gateway（config）#router ospf 10

PC_Gateway （config-router）#network 202.1.4.0 0.0.0.255 ar-ea0

PC_Gateway （config-router）#network 202.1.5.0 0.0.0.255 ar-ea0

（3）服務(wù)器網(wǎng)關(guān)路由器

Server_Gateway（config）#router ospf 10

Server_Gateway （config-router）#network 202.1.2.0 0.0.0.255area 0

Server_Gateway （config-router）#network 202.1-3.0 0.0.0.255area 0

2.4智能家居控制技術(shù)

在圖1所示的智能家居拓?fù)渲?，需要通過本地PC機(jī)或者遠(yuǎn)程PC機(jī)監(jiān)控家庭的溫度、照明、風(fēng)扇和窗戶的狀態(tài)。

（1）本地監(jiān)控家居設(shè)備

若采用本地PC機(jī)監(jiān)控家居設(shè)備，則需要為本地PC機(jī)配置本局域網(wǎng)IP地址，或采用DHCP的方式從智能網(wǎng)關(guān)獲取IP地址。再將每個(gè)連接智能網(wǎng)關(guān)設(shè)備的"IoE服務(wù)器（IoE Server）”設(shè)置成智能網(wǎng)關(guān)，如圖3（a）所示。

（a）本地IoE服務(wù)器設(shè)置

設(shè)置完成后打開本地PC機(jī)的瀏覽器，輸入智能網(wǎng)關(guān)的局域網(wǎng)IP地址（默認(rèn)為192.168.25.1），和管理員用戶名密碼（默認(rèn)為admin）可以顯示出所有連人智能網(wǎng)關(guān)的智能家居，通過瀏覽器可查看每個(gè)設(shè)備的狀態(tài)，并對(duì)設(shè)備功能進(jìn)行控制，如圖4（a）所示。

在設(shè)備列表頁(yè)面中通過“Conditions”功能可實(shí)現(xiàn)智能家居設(shè)備的自動(dòng)控制功能。例如設(shè)置當(dāng)室內(nèi)溫度大于等于20攝氏度時(shí)打開窗戶，并將電扇轉(zhuǎn)速調(diào)至高檔；當(dāng)室內(nèi)溫度小于等于15度時(shí)關(guān)閉窗戶，并關(guān)閉電扇（如圖4（b）所示）。

（2）遠(yuǎn)程監(jiān)控家居設(shè)備

若采用遠(yuǎn)程控制智能家居設(shè)備的方式，則需要建立智能家居注冊(cè)服務(wù)器，并將服務(wù)器上的“IoE注冊(cè)服務(wù)器”功能開啟，如圖5（a）所示。

遠(yuǎn)程PC機(jī)首先要通過瀏覽器輸入服務(wù)器的lP地址，在服務(wù)器上創(chuàng)建一個(gè)或多個(gè)具有遠(yuǎn)程監(jiān)控權(quán)限的用戶，如圖5（b）所示。最后，被遠(yuǎn)程監(jiān)控的智能設(shè)備需要將“IoE服務(wù)器（IoE serv-er）”設(shè)置為遠(yuǎn)程服務(wù)器，并輸入注冊(cè)服務(wù)器的IP地址和具有遠(yuǎn)程監(jiān)控權(quán)限的注冊(cè)用戶信息，如圖3（b）所示。

在以上設(shè)置完成后，便可使用遠(yuǎn)程PC機(jī)瀏覽器輸入注冊(cè)服務(wù)器的IP地址來(lái)監(jiān)控智能家居設(shè)備。

3智能家居組網(wǎng)的仿真與模擬

本小節(jié)通過遠(yuǎn)程PC機(jī)對(duì)智能家居設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，并在模擬狀態(tài)下查看各個(gè)設(shè)備的交互過程。

首先在遠(yuǎn)程PC機(jī)瀏覽器上輸入注冊(cè)服務(wù)器的IP地址，并輸入已注冊(cè)的用戶名和密碼登錄，此時(shí)可查看到可控制的設(shè)備列表。在列表中選擇要改變狀態(tài)的設(shè)備（例如窗戶），將窗戶的狀態(tài)由關(guān)閉改變?yōu)榇蜷_的狀態(tài)。整個(gè)過程的實(shí)現(xiàn)步驟如下：

1）遠(yuǎn)程PC機(jī)通過HTTP協(xié)議將控制命令發(fā)送到注冊(cè)服務(wù)器上，協(xié)議數(shù)據(jù)包如圖6所示；

2）注冊(cè)服務(wù)器與智能窗戶建立TCP連接，如圖7（a）所示。

3）注冊(cè)服務(wù)器通過TCP指令控制智能窗戶，窗戶接收指令并完成打開的操作，最后發(fā)送TCP報(bào)文進(jìn)行確認(rèn)，如圖7（b）所示。

4結(jié)束語(yǔ)

智能家居是物聯(lián)網(wǎng)最典型的應(yīng)用之一，智能家居組網(wǎng)技術(shù)也是物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)學(xué)生必須掌握的技能。利用Cisco Packet Tracer 7.0版本新添加的物聯(lián)網(wǎng)功能，可模擬智能家居的組網(wǎng)過程，并了解在組網(wǎng)過程中各個(gè)設(shè)備的交互過程。通過該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，可使學(xué)生掌握智能家居組網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)，并激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力。