喬焰 馬慧敏

摘要：目前物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的《網(wǎng)絡技術(shù)》實驗與實踐課程大多沿襲了早期計算機專業(yè)的計算機網(wǎng)絡課程設置，無法體現(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)，并實現(xiàn)組網(wǎng)過程中的幾項關(guān)鍵技術(shù)。通過設計智能家居組網(wǎng)實驗與實踐課程，可幫助物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)學生理解和掌握物聯(lián)網(wǎng)基礎理論，將理論應用到實踐，從而激發(fā)學生學習興趣和創(chuàng)新思維。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)工程；網(wǎng)絡技術(shù)實驗；Packet Tracer；智能家居組網(wǎng)

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）06-0150-04

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

《網(wǎng)絡技術(shù)》課程是物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的基礎核心課程，而《網(wǎng)絡技術(shù)》的實驗與實踐課程是將《網(wǎng)絡技術(shù)》理論知識應用于實際的重要課程。但現(xiàn)有的《網(wǎng)絡技術(shù)》實驗與實踐課程主要沿襲了早期PC時代的計算機網(wǎng)絡課程設置，難以滿足當前物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的建設需要。由于物聯(lián)網(wǎng)具有全面感知、可靠傳輸、智能處理的特點，被廣泛應用于智能家居、智能交通、智能農(nóng)業(yè)和智能物流等領域。智能家居是與人們生活聯(lián)系最緊密的物聯(lián)網(wǎng)應用，設計與實現(xiàn)智能家居組網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)學生必須要掌握的技能之一。然而智能家居設備普遍具有較高的科技附加值，因而價格偏高，更新?lián)Q代的速度也是其他設備無法比擬的，作為教學主體的學校很難有足夠的資金準備足夠數(shù)量的智能家居設備供為學生提供實驗條件。

本文利用Cisco公司在2016年發(fā)布的PacketTracer 7.0仿真軟件，設計了用于物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)智能家居組網(wǎng)技術(shù)的教學實驗，將所學理論與實際相結(jié)合，鍛煉學生的動手能力和實踐創(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所示的智能家居拓撲結(jié)構(gòu)。圖中包含智能家居系統(tǒng)和遠程監(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；遠程監(jiān)控系統(tǒng)包含智能家居注冊服務器、遠程監(jiān)控PC機、ISP路由器、PC機網(wǎng)關(guān)路由器和服務器網(wǎng)關(guān)路由器。1.1智能家居系統(tǒng)

在圖1所示拓撲結(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備，因此通過Wi-Fi的方式與智能網(wǎng)關(guān)相連。此時需要手動將燈、電扇、窗戶的網(wǎng)卡更換為PT-IOE-NM-1W無線網(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接口應連接調(diào)溫器的D1接口，而空調(diào)的D0接口應連接調(diào)溫器的D2接口，若連接錯誤則調(diào)溫器無法控制空調(diào)和暖氣。本地PC機和調(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遠程操控系統(tǒng)

遠程操控系統(tǒng)包括ISP路由器、遠程監(jiān)控PC機、PC機所在單位網(wǎng)關(guān)路由器、智能家居注冊服務器和智能家居注冊服務器公司網(wǎng)關(guān)路由器。三個路由器均需要添加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；服務器與PC機通過交叉線分別與相應網(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，動態(tài)主機配置協(xié)議）是給內(nèi)部網(wǎng)絡或網(wǎng)絡服務供應商自動分配IP地址的技術(shù)。通過DHCP技術(shù)能夠使網(wǎng)絡環(huán)境中的主機動態(tài)的獲得IP地址、網(wǎng)關(guān)地址、DNS服務器地址等信息。智能家居設備采用DHCP的方式從智能網(wǎng)關(guān)處自動獲得IP地址。對于每個與智能網(wǎng)關(guān)相連的智能家居設備都需要手動將IP地址設置成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DHCP自動獲取IP地址來說的。ISP路由器、遠程監(jiān)控PC機、注冊服務器和兩個網(wǎng)關(guān)路由器均采用靜態(tài)IP地址的配置方式。遠程監(jiān)控系統(tǒng)中總共存在5個子網(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接口、智能網(wǎng)關(guān)的Internet接口、PC機和服務器。分配的IP地址如表1所示。

2.3動態(tài)路由技術(shù)

動態(tài)路由協(xié)議是通過路由器之間相互交換信息，從而生成并維護本路由器的路由表。當拓撲結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時，動態(tài)路由協(xié)議可以自動更新路由表，并負責決定數(shù)據(jù)傳輸最佳路徑。在本拓撲結(jié)構(gòu)中三個路由器均運行OSPF（最短路徑優(yōu)先協(xié)議）動態(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)絡接口的狀態(tài)信息來建立鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫，生成最短路徑樹，每個OSPF路由器使用這些最短路徑來構(gòu)造路由表。在三臺路由器上配置OSPF協(xié)議的詳細配置命令如下：

（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所示的智能家居拓撲中，需要通過本地PC機或者遠程PC機監(jiān)控家庭的溫度、照明、風扇和窗戶的狀態(tài)。

（1）本地監(jiān)控家居設備

若采用本地PC機監(jiān)控家居設備，則需要為本地PC機配置本局域網(wǎng)IP地址，或采用DHCP的方式從智能網(wǎng)關(guān)獲取IP地址。再將每個連接智能網(wǎng)關(guān)設備的"IoE服務器（IoE Server）”設置成智能網(wǎng)關(guān)，如圖3（a）所示。

（a）本地IoE服務器設置

設置完成后打開本地PC機的瀏覽器，輸入智能網(wǎng)關(guān)的局域網(wǎng)IP地址（默認為192.168.25.1），和管理員用戶名密碼（默認為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設備的狀態(tài)，并對設備功能進行控制，如圖4（a）所示。

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

（2）遠程監(jiān)控家居設備

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

遠程PC機首先要通過瀏覽器輸入服務器的lP地址，在服務器上創(chuàng)建一個或多個具有遠程監(jiān)控權(quán)限的用戶，如圖5（b）所示。最后，被遠程監(jiān)控的智能設備需要將“IoE服務器（IoE serv-er）”設置為遠程服務器，并輸入注冊服務器的IP地址和具有遠程監(jiān)控權(quán)限的注冊用戶信息，如圖3（b）所示。

在以上設置完成后，便可使用遠程PC機瀏覽器輸入注冊服務器的IP地址來監(jiān)控智能家居設備。

3智能家居組網(wǎng)的仿真與模擬

本小節(jié)通過遠程PC機對智能家居設備進行監(jiān)控，并在模擬狀態(tài)下查看各個設備的交互過程。

首先在遠程PC機瀏覽器上輸入注冊服務器的IP地址，并輸入已注冊的用戶名和密碼登錄，此時可查看到可控制的設備列表。在列表中選擇要改變狀態(tài)的設備（例如窗戶），將窗戶的狀態(tài)由關(guān)閉改變?yōu)榇蜷_的狀態(tài)。整個過程的實現(xiàn)步驟如下：

1）遠程PC機通過HTTP協(xié)議將控制命令發(fā)送到注冊服務器上，協(xié)議數(shù)據(jù)包如圖6所示；

2）注冊服務器與智能窗戶建立TCP連接，如圖7（a）所示。

3）注冊服務器通過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報文進行確認，如圖7（b）所示。

4結(jié)束語

智能家居是物聯(lián)網(wǎng)最典型的應用之一，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)過程中各個設備的交互過程。通過該實驗設計，可使學生掌握智能家居組網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)，并激發(fā)學生的學習興趣，提高學生的實踐創(chuàng)新能力。