基于Packet Tracer的智能家居組網教學設計

喬焰 馬慧敏

摘要：目前物聯網工程專業的《網絡技術》實驗與實踐課程大多沿襲了早期計算機專業的計算機網絡課程設置，無法體現物聯網工程的專業特色。利用最新版本的Packet Tracer 7.0軟件新添加的物聯網功能，可仿真智能家居的組網，并實現組網過程中的幾項關鍵技術。通過設計智能家居組網實驗與實踐課程，可幫助物聯網工程專業學生理解和掌握物聯網基礎理論，將理論應用到實踐，從而激發學生學習興趣和創新思維。

關鍵詞：物聯網工程；網絡技術實驗；Packet Tracer；智能家居組網

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

物聯網工程專業是2010年教育部新設立的本科專業，截至2016年，全國共有333所高校開設了物聯網工程專業。隨著開設物聯網專業的高校越來越多，如何圍繞物聯網工程專業的人才培養目標，結合物聯網工程專業人才的社會需求，重構物聯網工程專業中的網絡技術課程的教學內容及教學體系已成為物聯網產業界和教育界廣泛關注的課題之一。

《網絡技術》課程是物聯網工程專業的基礎核心課程，而《網絡技術》的實驗與實踐課程是將《網絡技術》理論知識應用于實際的重要課程。但現有的《網絡技術》實驗與實踐課程主要沿襲了早期PC時代的計算機網絡課程設置，難以滿足當前物聯網工程專業的建設需要。由于物聯網具有全面感知、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、智能農業和智能物流等領域。智能家居是與人們生活聯系最緊密的物聯網應用，設計與實現智能家居組網是物聯網工程專業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，更新換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年發布的PacketTracer 7.0仿真軟件，設計了用于物聯網工程專業智能家居組網技術的教學實驗，將所學理論與實際相結合，鍛煉學生的動手能力和實踐創新能力。

1智能家居系統組網

利用Packet Tracer7.0組建如圖1所示的智能家居拓撲結構。圖中包含智能家居系統和遠程監控系統。在智能家居系統中，包含智能網關、調溫器、空調、暖氣、燈、電扇、窗戶和本地監控PC機；遠程監控系統包含智能家居注冊服務器、遠程監控PC機、ISP路由器、PC機網關路由器和服務器網關路由器。1.1智能家居系統

在圖1所示拓撲結構中的智能家居部分，智能網關起到了連通內網和連接外網的作用。調溫器和本地PC機通過直通線與智能網關相連；而燈、電扇和窗戶屬于不易布線的家居設備，因此通過Wi-Fi的方式與智能網關相連。此時需要手動將燈、電扇、窗戶的網卡更換為PT-IOE-NM-1W無線網卡。空調和暖氣通過“IoE客戶端線纜”與調溫器相連。需要注意的是，暖氣的D0接口應連接調溫器的D1接口，而空調的D0接口應連接調溫器的D2接口，若連接錯誤則調溫器無法控制空調和暖氣。本地PC機和調溫器的以太網接口通過直通線與智能網關的以太網接口相連。

1.2遠程操控系統

遠程操控系統包括ISP路由器、遠程監控PC機、PC機所在單位網關路由器、智能家居注冊服務器和智能家居注冊服務器公司網關路由器。三個路由器均需要添加WIC-2T串口，并通過DCE串口線連接；智能家居網關的Internet接口與ISP路由器的以太網接口相連；服務器與PC機通過交叉線分別與相應網關路由器的以太網接口相連。

2智能家居組網關鍵技術

在智能家居組網中主要包含以下幾個關鍵技術：1）DHCP技術；2）靜態IP地址分配技術；3）動態路由技術；4）智能家居控制技術。

2.1 DHCP技術

DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol，動態主機配置協議）是給內部網絡或網絡服務供應商自動分配IP地址的技術。通過DHCP技術能夠使網絡環境中的主機動態的獲得IP地址、網關地址、DNS服務器地址等信息。智能家居設備采用DHCP的方式從智能網關處自動獲得IP地址。對于每個與智能網關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IP地址分配技術

靜態IP地址分配是相對DHCP自動獲取IP地址來說的。ISP路由器、遠程監控PC機、注冊服務器和兩個網關路由器均采用靜態IP地址的配置方式。遠程監控系統中總共存在5個子網，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。分別從各自的子網中選取IP地址，分配給路由器的各個接口、智能網關的Internet接口、PC機和服務器。分配的IP地址如表1所示。

2.3動態路由技術

動態路由協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。當拓撲結構發生變化時，動態路由協議可以自動更新路由表，并負責決定數據傳輸最佳路徑。在本拓撲結構中三個路由器均運行OSPF（最短路徑優先協議）動態路由協議生成路由表。OSPF路由協議是基于鏈路狀態的路由協議，通過路由器之間通告網絡接口的狀態信息來建立鏈路狀態數據庫，生成最短路徑樹，每個OSPF路由器使用這些最短路徑來構造路由表。在三臺路由器上配置OSPF協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機網關路由器

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）服務器網關路由器

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

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機監控家庭的溫度、照明、風扇和窗戶的狀態。

（1）本地監控家居設備

若采用本地PC機監控家居設備，則需要為本地PC機配置本局域網IP地址，或采用DHCP的方式從智能網關獲取IP地址。再將每個連接智能網關設備的"IoE服務器（IoE Server）”設置成智能網關，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，輸入智能網關的局域網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關的智能家居，通過瀏覽器可查看每個設備的狀態，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”功能可實現智能家居設備的自動控制功能。例如設置當室內溫度大于等于20攝氏度時打開窗戶，并將電扇轉速調至高檔；當室內溫度小于等于15度時關閉窗戶，并關閉電扇（如圖4（b）所示）。

（2）遠程監控家居設備

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，在服務器上創建一個或多個具有遠程監控權限的用戶，如圖5（b）所示。最后，被遠程監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地址和具有遠程監控權限的注冊用戶信息，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地址來監控智能家居設備。

3智能家居組網的仿真與模擬

本小節通過遠程PC機對智能家居設備進行監控，并在模擬狀態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的設備（例如窗戶），將窗戶的狀態由關閉改變為打開的狀態。整個過程的實現步驟如下：

1）遠程PC機通過HTTP協議將控制命令發送到注冊服務器上，協議數據包如圖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，最后發送TCP報文進行確認，如圖7（b）所示。

4結束語

智能家居是物聯網最典型的應用之一，智能家居組網技術也是物聯網工程專業學生必須掌握的技能。利用Cisco Packet Tracer 7.0版本新添加的物聯網功能，可模擬智能家居的組網過程，并了解在組網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的關鍵技術，并激發學生的學習興趣，提高學生的實踐創新能力。