摘 要：為了適應(yīng)現(xiàn)代教育的發(fā)展，對(duì)傳統(tǒng)校園網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行智能化改造。針對(duì)智慧校園網(wǎng)絡(luò)的需求，著重介紹了設(shè)計(jì)思路，并使用Packet Tracer網(wǎng)絡(luò)仿真軟件構(gòu)建了智慧校園網(wǎng)絡(luò)模型，利用冗余設(shè)計(jì)、端口聚合、負(fù)載均衡等技術(shù)使校園網(wǎng)絡(luò)更加可靠、穩(wěn)定。該模型主要利用多種傳感器、物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器、SBC/MCU微處理器以及智能網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)不同的物聯(lián)網(wǎng)功能，用戶可以利用手機(jī)或PC終端遠(yuǎn)程登錄物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器，監(jiān)控校內(nèi)電子設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。該設(shè)計(jì)能夠?yàn)橹腔坌@網(wǎng)絡(luò)的升級(jí)改造提供參考，有力推進(jìn)校園教育信息化建設(shè)。

關(guān)鍵詞：智慧校園網(wǎng)絡(luò)；物聯(lián)網(wǎng)；Packet Tracer；網(wǎng)絡(luò)仿真；MCU；教育數(shù)字化

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2024）11-00-04

0 引 言

隨著2022年教育數(shù)字化戰(zhàn)略行動(dòng)計(jì)劃的實(shí)施，各級(jí)各類教育機(jī)構(gòu)開(kāi)始數(shù)字化轉(zhuǎn)型，使得學(xué)校的教學(xué)科研設(shè)備的需求量激增，而數(shù)據(jù)互聯(lián)是實(shí)現(xiàn)智慧教育的重要基礎(chǔ)，這就對(duì)校園內(nèi)硬件和軟件的要求也愈來(lái)愈高。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在智能設(shè)備方面已做了大量研究。文獻(xiàn)[1-3]構(gòu)建了智能家居網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)網(wǎng)關(guān)連接和控制多個(gè)家用電子設(shè)備，提高了家庭生活的便捷性、舒適性。文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)了智慧小區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了小區(qū)環(huán)境數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和有害氣體超標(biāo)實(shí)時(shí)報(bào)警功能。文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)了一款智慧校園網(wǎng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了校園出入管控、圖書(shū)館管理、宿舍管理、教室管理、校園金融和食堂餐飲管理6大業(yè)務(wù)功能模塊。但該平臺(tái)主要通過(guò)圖像處理和識(shí)別實(shí)現(xiàn)上述功能，存在一定的局限性。文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)了一款由底層傳感器、通信模塊、物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)3部分構(gòu)成的智慧校園系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了校園的智能化監(jiān)測(cè)，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)校園安全隱患。但該系統(tǒng)主要通過(guò)監(jiān)測(cè)溫濕度、水質(zhì)以及熱成像和指紋識(shí)別實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能，應(yīng)用領(lǐng)域仍有待拓展。

越來(lái)越多的學(xué)者開(kāi)始關(guān)注物聯(lián)網(wǎng)和智能電子設(shè)備應(yīng)用的研究并提出相關(guān)的應(yīng)用方案，但是大多應(yīng)用在智慧農(nóng)業(yè)、工業(yè)控制及智能家居領(lǐng)域。雖有部分學(xué)者提出將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于校園建設(shè)的方案，但尚未有研究提出一套較完善、成熟、功能集成度較高的智慧校園網(wǎng)絡(luò)解決方案。為此，本文設(shè)計(jì)了一套功能集成度較高的智慧校園網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案，并通過(guò)Packet Tracer軟件仿真實(shí)現(xiàn)。研究成果能夠?yàn)樾@網(wǎng)中智能物件或設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)的連接以及智能化管理提供參考。

1 智慧校園網(wǎng)絡(luò)需求分析

根據(jù)《中國(guó)教育現(xiàn)代化2035》中針對(duì)打造智慧化校園、新型教育服務(wù)業(yè)態(tài)的要求，本文對(duì)智慧校園的實(shí)現(xiàn)提出了相應(yīng)的規(guī)劃構(gòu)思。關(guān)于智慧校園網(wǎng)絡(luò)的帶寬限制、運(yùn)營(yíng)商接入方式、設(shè)備選型和具體數(shù)量，讀者可以參考相關(guān)文獻(xiàn)[7-10]，這里不作深入研究。

智慧校園網(wǎng)將教學(xué)科研、行政管理與校園生活充分融合，其技術(shù)架構(gòu)可分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層3部分，主干網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)冗余鏈路，主要應(yīng)用場(chǎng)景包括智慧教學(xué)/行政場(chǎng)所、智慧科研/實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所、智慧教輔場(chǎng)所、智慧后勤服務(wù)。

智慧教學(xué)/行政場(chǎng)所主要涉及教室的多媒體設(shè)備管理、門(mén)窗的自動(dòng)化、照明系統(tǒng)自動(dòng)化、暖氣供應(yīng)和空調(diào)制冷自動(dòng)化等。智慧科研/實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所主要涉及門(mén)窗自動(dòng)化、送風(fēng)機(jī)和窗戶組成的自動(dòng)化通風(fēng)系統(tǒng)、防火自動(dòng)化、防盜及視頻監(jiān)控等。智慧教輔場(chǎng)所包括圖書(shū)館和教育信息化與網(wǎng)絡(luò)信息中心，涉及圖書(shū)館的人臉識(shí)別準(zhǔn)入、自動(dòng)借閱系統(tǒng)、校園一卡通、校內(nèi)外用戶身份認(rèn)證、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋、校園數(shù)據(jù)中心等。智慧后勤服務(wù)主要涉及基建工程、招標(biāo)采購(gòu)、智慧食堂、線上報(bào)修、人臉識(shí)別準(zhǔn)入、灌溉自動(dòng)化、照明系統(tǒng)自動(dòng)化、車位智能管理、用車調(diào)度、防火自動(dòng)化、防盜及視頻監(jiān)控等。

2 智慧校園網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計(jì)

2.1 總體拓?fù)湓O(shè)計(jì)

根據(jù)上述需求分析，通過(guò)在Visio繪圖軟件上拖拽網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、拼接連接線等方式繪制智慧校園網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浜?jiǎn)圖，如圖1所示。圖中展示了網(wǎng)絡(luò)的整體框架結(jié)構(gòu)和4大物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景。

2.2 邏輯設(shè)計(jì)

本文在現(xiàn)有校園網(wǎng)基礎(chǔ)上進(jìn)行智慧校園網(wǎng)絡(luò)升級(jí)，關(guān)于傳統(tǒng)校園網(wǎng)的IP邏輯設(shè)計(jì)、子網(wǎng)劃分、VLAN劃分等，此處不再贅述，讀者可以參考其他校園網(wǎng)的設(shè)計(jì)方案。無(wú)論采用何種設(shè)計(jì)方案，首先要滿足用戶需求，然后考慮擴(kuò)展性。

2.3 可靠性設(shè)計(jì)

2.3.1 熱備份冗余設(shè)計(jì)

考慮到教學(xué)、科研以及辦公中日益增長(zhǎng)的信息化需求，校園網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性、可靠性和安全性也需要得到提高，特別是一些被高頻訪問(wèn)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)域，比如學(xué)校的重要服務(wù)器和數(shù)字圖書(shū)館等，可以采用熱備份冗余設(shè)計(jì)來(lái)解決問(wèn)題。利用HSRP熱備份網(wǎng)關(guān)冗余協(xié)議為重要數(shù)據(jù)區(qū)域提供熱備份冗余，當(dāng)一個(gè)熱備組及其對(duì)應(yīng)的鏈路發(fā)生單點(diǎn)故障時(shí)，另一個(gè)熱備組將由備份狀態(tài)轉(zhuǎn)為活動(dòng)狀態(tài)，通信鏈路自動(dòng)切換，防止因網(wǎng)絡(luò)發(fā)生單點(diǎn)故障導(dǎo)致學(xué)校教學(xué)秩序被打亂和辦公系統(tǒng)癱瘓。

2.3.2 雙核心冗余與線路冗余設(shè)計(jì)

雙核心冗余設(shè)計(jì)：在實(shí)驗(yàn)樓、數(shù)字圖書(shū)館等關(guān)鍵部門(mén)的核心網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上采用雙核心冗余設(shè)計(jì)，如圖1中MS1和MS2以及下面的網(wǎng)絡(luò)匯集層設(shè)備的連接采用雙歸接入設(shè)計(jì)。通過(guò)配置根網(wǎng)橋使得MS1成為單數(shù)VLAN的根網(wǎng)橋，MS2成為雙數(shù)VLAN的根網(wǎng)橋。比如VLAN11、VLAN13的根網(wǎng)橋是MS1，VLAN12、VLAN14的根網(wǎng)橋是MS2，從而既能實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡，又能相互備份。

核心層線路冗余設(shè)計(jì)：在校園網(wǎng)核心層增加網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間的線路，從而避免因網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)單點(diǎn)故障而影響網(wǎng)絡(luò)的連接，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的魯棒性。比如在原來(lái)環(huán)形校園網(wǎng)主干的基礎(chǔ)上，通過(guò)部分網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，增加線路冗余，減少網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸通過(guò)的跳數(shù)，提高網(wǎng)絡(luò)性能。

2.4 智慧校園設(shè)計(jì)

智慧校園網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)包括本地近端控制、遠(yuǎn)程監(jiān)控。

本地近端控制：?jiǎn)纹瑱C(jī)或微處理器是采集環(huán)境數(shù)據(jù)和調(diào)整終端設(shè)備自動(dòng)化功能的核心。通過(guò)MCU的數(shù)字或模擬接口，連接各種監(jiān)測(cè)設(shè)備和控制設(shè)備；MCU讀取連接數(shù)據(jù)采集設(shè)備輸入接口的信號(hào)數(shù)據(jù)，并與預(yù)先調(diào)研的參考數(shù)據(jù)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比判斷；根據(jù)判斷結(jié)果，MCU向連接的控制設(shè)備的輸出接口發(fā)送控制指令，控制終端作出相應(yīng)的處理。

遠(yuǎn)程監(jiān)控：各種設(shè)備通過(guò)直接或間接的方式聯(lián)網(wǎng)，并根據(jù)需要注冊(cè)到智能網(wǎng)關(guān)或IoT服務(wù)器上。管理員可以通過(guò)Web瀏覽器和APP登錄到IoT服務(wù)器或智能網(wǎng)關(guān)，按照規(guī)劃設(shè)置好各個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接口、終端設(shè)備以及物件的IP地址。理順各子系統(tǒng)或功能模塊需要的設(shè)備和物件以及它們之間的內(nèi)在聯(lián)系和邏輯關(guān)系；把遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備和物件分組注冊(cè)到智能網(wǎng)關(guān)和IoT服務(wù)器上。根據(jù)規(guī)劃配置好相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備功能，實(shí)現(xiàn)智能終端的特定功能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)內(nèi)各物件之間以及各子系統(tǒng)之間的交互[11]。

3 基于Packet Tracer的智慧校園網(wǎng)絡(luò)仿真

3.1 仿真概述

由于校園網(wǎng)組網(wǎng)實(shí)驗(yàn)所需的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備種類和數(shù)量眾多，占用場(chǎng)地大，耗費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)，易造成資金浪費(fèi)。而Packet Tracer軟件提供的模擬設(shè)備環(huán)境真實(shí)可靠，不受設(shè)備種類、數(shù)量、時(shí)間、空間和資金的限制，故通過(guò)Packet Tracer軟件進(jìn)行智慧校園網(wǎng)絡(luò)的仿真設(shè)計(jì)是較好的選擇。模型構(gòu)建與仿真結(jié)果如圖2所示。

3.2 智慧校園部分應(yīng)用場(chǎng)景的仿真

智慧校園應(yīng)用包括本地終端、遠(yuǎn)程終端。無(wú)論是本地終端或者遠(yuǎn)程終端的監(jiān)控，都離不開(kāi)智能網(wǎng)關(guān)。智能網(wǎng)關(guān)充當(dāng)信號(hào)與信息的樞紐，與物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器共同作用，為管理者提供本地終端和遠(yuǎn)程終端的監(jiān)控功能。下面將分別闡述本地終端和遠(yuǎn)程終端的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

3.2.1 本地終端監(jiān)控仿真

通過(guò)拖拽各種智能物件或設(shè)備及連接介質(zhì)組成本地終端應(yīng)用場(chǎng)景。MCU微控制單元連接各智能物件或設(shè)備，通過(guò)各類傳感器接收各類信號(hào)，再與預(yù)設(shè)條件或參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比判斷，觸發(fā)下一步控制命令。例如，通過(guò)IoT1的預(yù)設(shè)操作實(shí)現(xiàn)對(duì)教學(xué)樓、宿舍樓等建筑的內(nèi)部走廊和校園道路照明設(shè)施的控制；通過(guò)火焰?zhèn)鞲衅鲗?duì)環(huán)境的感知，控制報(bào)警燈狀態(tài)的變化，火焰?zhèn)鞲衅鱅oT8感知周邊物件的IR值，并根據(jù)預(yù)設(shè)條件判斷是否有火災(zāi)發(fā)生，若有，則消防探頭通過(guò)MCU2向滅火設(shè)備IoT7發(fā)出噴淋指令；通過(guò)太陽(yáng)能板IoT28吸收并轉(zhuǎn)化太陽(yáng)能；由電池IoT36向其他電子設(shè)備供電。多個(gè)場(chǎng)景重復(fù)應(yīng)用的MCU配置這里不再贅述。圖3所示是其中一個(gè)MCU上部分?jǐn)?shù)據(jù)的獲取及控制程序。

3.2.2 遠(yuǎn)程終端監(jiān)控仿真

通過(guò)拖拽遠(yuǎn)程智能終端、物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及連接介質(zhì)組成遠(yuǎn)程終端應(yīng)用場(chǎng)景。將智慧教學(xué)/行政場(chǎng)所、智慧科研/實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所、智慧教輔場(chǎng)所、智慧后勤服務(wù)等4個(gè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景內(nèi)置的智能物件或設(shè)備根據(jù)需要注冊(cè)到IoT服務(wù)器上，如圖4所示。

在智慧校園網(wǎng)正常運(yùn)行的情況下，利用PC或遠(yuǎn)程終端通過(guò)預(yù)先設(shè)置的賬號(hào)和密碼登錄IoT服務(wù)器。登錄后會(huì)顯示已注冊(cè)在服務(wù)器上的智能物件或設(shè)備，具有開(kāi)關(guān)及擋位等功能的智能物件或設(shè)備均可在服務(wù)器上操作以達(dá)到遠(yuǎn)程管理的目的。

遠(yuǎn)程終端通過(guò)Web瀏覽器登錄IoT服務(wù)器來(lái)監(jiān)控已注冊(cè)的設(shè)備，或通過(guò)自主設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的智慧校園管理APP登錄IoT服務(wù)器實(shí)現(xiàn)對(duì)校園的監(jiān)控，例如對(duì)門(mén)、窗、風(fēng)扇、空調(diào)、加濕器、照明設(shè)施、車庫(kù)門(mén)、綠化灌溉噴頭等若干常用設(shè)備的擋位控制與開(kāi)關(guān)。對(duì)綠化灌溉噴頭還可以通過(guò)MCU0預(yù)設(shè)周期性和人為干預(yù)灑水。通過(guò)IoT30控制音響定期廣播校園新聞、上下課鈴聲以及減壓音樂(lè)等音頻。通過(guò)汽車尾氣濃度傳感器IoT32的感知，遠(yuǎn)程控制排氣扇開(kāi)啟并調(diào)整擋位。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文利用Packet Tracer軟件仿真構(gòu)建了一個(gè)智慧校園網(wǎng)絡(luò)模型。該模型在保證網(wǎng)絡(luò)魯棒性且實(shí)現(xiàn)均衡負(fù)載、互聯(lián)互通的基礎(chǔ)上，利用多種傳感器、物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器、SBC/MCU微處理器以及智能網(wǎng)關(guān)組建了4個(gè)主要物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景，用戶可通過(guò)手機(jī)或PC終端登錄物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器，遠(yuǎn)程監(jiān)控校園網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的智能物件或設(shè)備，提高管理效率，加快推進(jìn)下一代校園網(wǎng)的教育數(shù)字化建設(shè)。未來(lái)將會(huì)繼續(xù)開(kāi)發(fā)配套的智慧校園網(wǎng)絡(luò)管理APP，加大力度開(kāi)發(fā)不同功能的傳感器，應(yīng)用于更多場(chǎng)景。

參考文獻(xiàn)

[1] LIU J， ZHANG C， WANG J. A smart design based on user experience for lighting system in smart home [J]. The frontiers of society， science and technology， 2023， 5（7）.

[2] SHAHRIYAR R， HOQUE E， SOHAN S M， et al. Remote controlling of home appliances using mobile telephony [J]. International journal of smart home， 2008， 2（3）： 37-54．

[3] AGGARWAL R， DAS M L. RFID security in the context of \"internet of things\" [C]// Proceedings of the First International Conference on Security of Internet of Things. [S.l.]： [s.n.]， 2012： 51-56.

[4]舒展. 基于Packet Tracer的智慧小區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].九江職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2022（3）：35-38.

[5]楊建軍. 基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧校園平臺(tái)設(shè)計(jì)[J].山西大同大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2023，39（1）：21-27.

[6]葉飛，王亞芳. 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧校園系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2023，13（5）：145-146.

[7]張鶴飛，云紅艷，張德祥，等. 基于Packet Tracer的校園網(wǎng)設(shè)計(jì)與仿真[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2017，36（10）：127-130.

[8]劉昕，馬順利，昝風(fēng)彪，等. 基于Packet Tracer的BGP路由協(xié)議實(shí)踐教學(xué)仿真[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2017，36（4）：94-97.

[9]陸中武，劉瀚，劉俊. Cisco Packet Tracer軟件在計(jì)算機(jī)組網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)工程與科學(xué)，2016，38（z1）：163-166.

[10]李永，甘新玲. 基于Packet Tracer的路由綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2015，34（9）：111-114.

[11]陳瑞志，吳克儉，李春紅，等. 智能養(yǎng)殖場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)及仿真[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2023，42（1）：132-135.

作者簡(jiǎn)介：歐陽(yáng)斌（1998—），男，助理實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)仿真。

陳瑞志（1981—），男，碩士，副教授，研究方向?yàn)橥ㄐ虐踩?、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)仿真。

收稿日期：2023-11-25 修回日期：2023-12-22

基金項(xiàng)目：2022年廣東省本科高校教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程建設(shè)項(xiàng)目：智能制造技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心（粵教高函[2023]4號(hào)）；2022年廣東省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（S202212622002）；2021年湛江科技學(xué)院攀登計(jì)劃項(xiàng)目：智慧校園網(wǎng)的設(shè)計(jì)與仿真（2021ZKYDCA09）；2021年度湛江科技學(xué)院“品牌提升計(jì)劃”校級(jí)教學(xué)團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目：網(wǎng)絡(luò)系列課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)（PPJH202102JXTD）；2022年湛江科技學(xué)院“品牌提升計(jì)劃”課程思政改革示范項(xiàng)目：網(wǎng)絡(luò)工程（PPJHKCSZ-2022301）；2022年湛江科技學(xué)院“品牌提升計(jì)劃”線下一流課程：操作系統(tǒng)原理（PPJHKCSZ-2022242）