基于IPv6與Z-Wave智能網關的智慧教室系統設計

施榮華 彭楊洋 胡超

摘要：針對IPv4協議支持智能網關不足和智能空間網絡中的智能設備相互操作性弱、相互通信不穩定問題，基于MIPS微處理器和OpenWRT操作系統，設計支持純IPv6協議和Z-Wave無線通信協議的智能網關，以IPSec和Qos保證智能網關的安全性和服務質量，構建了以智能網關為核心的智慧教室系統。實驗結果表明：該智慧教室系統運行良好，通過基于IPv6和Z-Wave的智能網關能解決智能設備的IP地址缺少和通信易干擾問題，從而實現Web遠程控制的同時提高了智慧教室系統的運行效率和穩定性。

關鍵詞：IPv6;Z-Wave;智能設備;智能網關;多業務

中圖分類號：TP273

文獻標識碼：A

隨著IPv6技術和無線通信技術的發展，智慧教室在教育行業得到了越來越多的應用和關注。智慧教室系統不僅可以使教師的管理更輕松，而且能夠提供給教師更加靈活的交互式教學，智能網關作為智慧教室的一個重要組成部分，在智慧教室網絡中起著核心的作用。一方面通過智能網關使教室內部網絡和外部網絡進行互聯，另一方面通過智慧教室綜合管理平臺實現Web運程管理，教師不僅可以方便地訪問智慧教室內部網絡，通過Z-Wave技術管理和操作這些智能設備，而且可以快速地訪問外部網絡（如Intemet）。同時考慮系統的安全性和服務質量，該智能網關必須支持IPv6的IPsec和QOs協議。在此基礎上研究基于IPv6和Z-Wave智能網關的智慧教室系統。

智能網關是構建智能空間的核心設備。文獻[1]提出基于ZigBee的IAGW （lntegrated access Gate-way）網關。該網關實現了終端管理和業務處理相分離，但不能實現其遠程控制只能對網關參數進行簡單的配置。文獻[2]提出一種無線網關，使用HTML5畫布技術開發的基于Web設計網關的軟件架構，但此網關的內部和外部僅提供一個端口，且不支持遠程管理和多業務形式。文獻[3]設計了一個智能家庭網關，描述其數據結構、軟件應用服務及提供了一些應用編程接口（API）的中間件，但是也只涉及了如何設計軟件層次方面。而文獻[4]又在基于OSGI和Java Web技術研究了DOG（Domotic OSGi Gate-way）網關，此網關采用輕量級的方法來管理不同的內部網絡。文獻[耳沒計了一種基于互聯網的移動網關，支持ZigBee通信協議。同時其用戶平臺與智能云系統相結合，用戶可以根據自己的需求配置設備。文獻[6]基于無線網絡設計了一種IPv4/IPv6的物聯網網關系統，實現了對智能設備的遠程監控和智能報警。文獻[7-8]針對基于有線互聯網和無線MANET的互連的異構網絡，分別設計了一般的非異構網絡和異構網絡，并提出了一種將網關負載平衡和自適應網關發現結合在一起的機制。

然而以上文獻提出的多數網關都只在應用網關層次，如基于Java Web設計的DOG網關，只考慮了軟件層面的設計和實現。要么基于雙協議棧和IPv4協議，不能支持純IPv6協議;要么設計支持ZigBee協議，不支持Z-Wave協議;要么功能有限，接口類型單一，不能支持多業務類型;要么只考慮網關的多功能實現，沒有考慮其安全性和服務質量。因此，設計一個基于IPv6和Z-Wave的智能網關。

1 智能網關的總體設計

智能網關是用來連接智慧教室內部網絡和外部網絡的，并且提供地址轉換、路由查找、協議轉換和Web服務等功能的。用戶通過Web服務和Z-Wave技術來訪問智慧教室內部網絡和控制內部智能設備。下面是智慧網關和智能設備聯系如圖1所示：

1.1 智能網關的硬件設計

智能網關的硬件結構如圖2所示。

智能網關接口類型為：（1）局域網內部接口：無線（802.11，比如Wi-Fi），有線以太網，USB，Z-Wave;（2）局域網外部接口：ADSL，有線以太網。

1.1.1 智能網關接口設計

智能網關接口設計具體如下：

（1）支持IPv6協議：通過MIPS微處理器實現路由數據包的高速轉發及對IPv6協議的支持。

（2）廣域網（WAN）接口和局域網（LAN）接口：MIPS控制器通過物理層，提供一個10/IOOMWAN接口和4個10/IOOMLAN接口。

（3）ADSI接口：考慮與ADSL控制器的兼容性問題，采用數字用戶線路（Digital Subscriber Line，DSL）處理芯片Broadcom BCM5709。

（4）Z-Wave接口：采用Sigma Designs公司的500系列芯片。它擁有最大I/0速率的最小模塊，設計主要針對智能網關的串行接口模塊。

（5）Wi-Fi接口：通過802.llb/g/n和Wi-Fi無線網卡，提供無線接人功能。

1.1.2 微處理器

考慮到多業務和高速寬帶需求，微處理器采用Imagination公司最新的64位處理器MIPS 16400CPU，是一種結合64位元架構與硬件虛擬化技術的IP核心，實行多指令、多核心與多集群一致處理（ multi-cluster coherent processing）技術，能提供可擴展的功能，并且在指令集、性能、功耗、核心面積等方面都全面領先其他對手。總的來說，16400 CPU是多線程、多內核和多集群以相互結合方式來設計，每個核心能夠支持4個線程，每個集群又能夠支持最多6核心，每枚芯片能支持64個集群，這種多線程特性能夠滿足處理多條指令流，支持多種業務類型的功能需求。不僅如此，高性能、低功耗也是MIPS 16400的又一大特性，它能夠在高峰值頻率上同時應對不同的工作任務，為了節省功能消耗先完成其需求低的進程。一個高性能、低功耗的MIPS16400配置包含多個MIPS 16400 CPU、一致性管理器和額外寄存器組的一個集群。

1.2 智能網關的軟件設計

智能網關的軟件結構如圖3所示。

基于分層的思想，可以把智能網關的軟件結構主要分為兩層：服務層、系統層。其中服務層采用Spring DM框架，主要是包括智慧教室綜合管理平臺服務和地址自動配置、安全協議、服務質量等;系統層采用的是Linux OpenWrt操作系統。

1.2.1 0penWrt操作系統

OpenWrt是用于路由器和嵌入式設備的GNU/Linux發行版操作系統，也是一種高度模塊化、高度自動化的嵌入式Linux系統[9-11]。它擁有強大的網絡組件和擴展性，常常被用于工控設備、電話、小型機器人、智能家居、路由器以及VOIP設備中[12]。對于用戶來說，可以通過WEB界面對智能網關進行操作，OpenWRT中WEB是LuCI編寫的，LuCI提供了豐富的接口，同時將用戶的配置保存在臨時文件中，并調用linux中的腳本來進行實際應用。配置文件對OpenWRT的作用是不言而喻，其各模塊的配置文件（在/etc/config/下），不僅專業人員能進入OpenWRT系統內核中修改，而且一般用戶也能同構WEB頁面來修改。由于OpenWRT的易擴展性，其對大多數硬件和平臺都有很好的支持，除此之外還支持鏈路狀態路由（OISR）網狀網絡協議，該協議能夠讓用戶同時使用多個OpenWRT設備，建立臨時的移動網絡。而且在頻繁更換軟件的情況下，不需要重新刷新固件就能進行修改。同時Open-WRT支持多種處理器架構，尤其對MIPS有良好的支持。

在OpenWRT中，使用通用的嵌入式Linux工具，比如：busybox，u&libc和shell interpreter，一次提供一個抽象硬件層和包管理機制;OPVG包管理系統是一個與桌面級Linux使用的apt -get，pac-man，yum等同級別的包管理系統，可以獲取豐富的軟件資源[13]。

1.2.2 基于IPv6的OpenWRT

目前主流的智能網關應用，其通用的IPv6技術大多數都可以支持。IPv6巨大的地址空間很好的解決了IPv4地址不足的缺陷。在搭建智慧教室內部網絡方面具有很大的優勢主要有以下幾點：

（I）IP地址充足：通過智能網關它可以為每個智能設備分配一個IP地址并且訪問IPv6網絡，這是相對于IPv4的最大優勢，它能夠建立客戶端到設備終端的應用服務。

（2）更強的自動配置能力：IPv6可以使得在智慧教室網絡中增添具有網絡功能的智能設備時，無需做任何配置。

（3）移動性支持：用戶不進行額外的操作即可在移動的狀態下通過手機APP端來控制智慧教室網絡中的設備。

（4）安全性高和Qos支持：在保證用戶與智能設備之間通信安全的同時保護智慧教室網絡。此外由于Qos作為IPv6報頭的一部分可以確保智慧教室網絡的高速率通信。

（5）部署純IPv6網絡：大大的簡化了智慧教室內部網絡的配置，同時通過IPv6技術還能研發那些受網絡異構性限制的網絡應用[14]。

于是在OpenWRT上如何配置IPv6就變得極為重要，OpenWRT上的IPv6鏈接主要有三種方式：PPP、隧道代理和靜態分配。我們采用隧道代理方式，首先安裝一個叫做“6scripts”的包并編輯地址為“/etc/config/6tunnel”的文件做如下設置更改：

config 6tunnel;

option tnlifname' sixbone;

option remoteip4' 1.0.0.1;

option localip4' 1.0.0.2;

option localip6' 200I：：DEAD：：BEEF：：I;

option prefix‘/64：

tnlifname：在IPv4隧道設置好IPv6的接口名稱

remoteip4：通過6in4隧道建立遠程終端IP地址，該地址由隧道代理提供

localip4：建立6in4隧道的路由器IP地址，它通常對應你的WAN口IP地址

localip6：由隧道代理提供的隧道另一邊的IPv6地址

prefix：IAN口設置的IPv6前綴

用同一個包你也可以設置一個IPv6橋接：

config 6bridge;

option bridge' br6;

其默認的腳本橋接了WAN口和LAN口并用以太網防火墻濾掉了一切非IPv6部分的東西。

1.2.3 基于Z-Wave的智能網關

Z-Wave是由丹麥公司Zensys開發的無線組網規格，是一種基于射頻的低成本、結構簡單、低功耗、高可靠性、適用于網絡的雙向短距離無線通信技術[15]。在Z-Wave網絡中主要有兩種設備：控制器、從機設備。在此系統中智能網關就是控制器，它具有唯一的網絡識別碼，當控制器添加一個智能設備到網絡時，就會給設備分配網絡識別碼和節點識別碼，網絡識別碼表示設備屬于同一個無線網絡，節點識別碼識別同一個網絡中的不同設備。用戶可通過Z-Wave來控制智能設備之間的通信，做到了在一個地方上就能操控所有智能設備。以控制燈光照明為例如圖4所示。

為了保證智能設備之間的通信，實現數據可靠性和完整性驗證是必不可少的。通過嵌入一個8位的校驗總和到數據幀中，校驗總和滲透整個數據幀，只有在確認校驗總和無誤后，這個帳才是有效幀;同時為確保發送端會收到來自接收端的反饋，而接收端也會執行相關的指令，接收端必須確認每一個收到的指令。采用邏輯異或（ Exclusive OR）運算，結合從網絡識別碼到校驗總和之前的字節。下面是在C程序語言中的校驗總和算法。

C語言校驗總和算法：

1 Byte GenerateCheckSum（Byte*Data， Byte Length）

2{

3 Byte checksum= Oxff;

4 for（;Length>0;Length一一）

5 checksum^=：l*Data++：

6 return checksum;

7）

Z-Wave智能設備之間交換的信息叫做指令。主要可以分為三大類：要求一個設備做一些事（Set）;要求一個設備反饋一些信息（Get）;向一個設備提供特定數值或狀態的報告（ Report）。根據不同的設備類型，Set、Get及Report指令代表不同的操作，以調節燈光的指令集操作（Operate -Multi-level Switch）為例。Z-Wave將所有指令整合在一起稱為指令集（ Command Class），指令集中的指令是由一個單字節數字來識別的，如圖5為指令集布局，其中CS表示幀校驗總和。Operate-Multilevel Switch ：

Commands to Node

Set（ 0）

Get（ ）

DIMSTART（ direction）

DIMSTOP（ ）

Commands from Node

·Report（message）

首先控制器設置Set （0）燈光的初始狀態：開（1）或關（0），然后控制器發送請求給執行器要求得到Get（）燈光的狀態;執行器反饋Report（ message）信息給控制器，對Get指令做出回應。其中DIM-START（ direction）和DIMSTOP（）表示指令啟動調光的開始和停止。

Z-Wave作為新興的無線通信網技術，與目前主流的ZigBee技術相比有明顯的特點，優勢如下：

（1）標準不同：Z-Wave聯盟是ITU -T G.9959（國際電信聯盟）標準的主導制定單位之一，眾所周知，ITU聯盟是通信行業的核心標準制定者。而ZigBee協議屬于IEEE 802.15.4（國際電氣電子工程師學會）制定的協議，相對而言，通信行業協議比電器電子協議更適用于物聯網行業。

（2）抗干擾性：Z-Wave 868.42Mhz頻段較Zig-Bee 2.4G頻段而言，由于更少受到2.4G WIFI頻段的干擾，因此傳輸更穩定，抗干擾能力更強。實驗室測試結果也證明，采用ZigBee的物聯網設備在2.4G的WIFI環境中會經常出現控制不到的情況，通過示波器檢測，ZigBee設備會與WIFI 2.4G頻段出現串擾等情況，導致了穩定性、準確性的降低。

（3）兼容性問題：Z-Wave聯盟是一個產品強制檢測的機構，在選擇加入聯盟的NDA（保密協議）中有專門條款對商用產品必須通過Z-Wave聯盟的測試（目前國際上有三個測試機構：中國、美國、丹麥），因此100%保證了商用產品的兼容性。而ZigBee在應用層沒有一個標準的定義，因此來自不同廠家的智能設備在同一個通信網絡不能相互操作。

1.2.4 基于Web的智慧教室綜合管理平臺

為了便于管理智能設備，基于Web技術設計了智慧教室綜合管理平臺，平臺主要要的功能模塊有：控制臺、教室管理、能耗監測、系統設置、統計分析等。如圖6所示。用戶連上WiFi登人Web平臺主界面即可通過智能網關來操縱和配置教室的所有教學設備。

2 系統測試

2.1 Web測試

用戶通過PC端連上智能網關的WiFi，在瀏覽器地址欄輸入[2001：250：4400：65：：1]：68即可跳轉到智慧教室綜合管理平臺。用戶在系統設置界面可以實時查看教室內受控設備及傳感設備的信息及工作狀態，并能統一或個別控制智能設備。如圖7所示，投影儀和電視的IP地址分別是：2001：250：4400：65：：a和2001：250：4400：65：：b，即每個設備都有一個IPv6地址，同時可以刪除或編輯設備。

2.2 響應測試

設計基于IPv6的智能網關比基于傳統IP協議的網關在許多方面做出了改進，如路由查找、地址自動配置、傳輸速率、安全性和服務質量等。測試兩次試驗：基于IPv4或IPv6的網關。通過Z-Wave控制電燈照明得到的響應時間（其他影響因素都相同）來判斷其優劣性。如圖8所示，從圖中可以看出基于IPv6的平均響應時間要低于IPv4，證明前者要優于后者。由于IPv6報文是由IPv4報文簡化而來，當數據包通過智能網關時，前者處理數據速率要略高于后者。

3 結論

從智能設備和智能網關的現狀人手，分析IPv6協議和Z-Wave協議的優勢，提出基于IPv6和Z-Wave的智慧教室網關系統設計和實現方法。將Web平臺與智能網關相結合，實現在IPv6網絡中用戶可以很方便的訪問外部網絡，同時通過Z-Wave也能快速的和教室內部資源進行通信。實驗結果表明：用戶通過該智能網關的Web平臺能夠配置所有智能設備，并且為每一個智能設備分配一個IPv6地址，IPv6的自動配置能力和支持移動性能力大大提高了教師的上課效率同時教師的服務體驗更佳;最后，如果使用IPv4協議系統則缺乏安全性，而IPv6不同IPsec作為IPv6報頭的必選項能夠確保系統的安全性。但是沒有對基于IPv6的智能網關的安全性做相關分析和驗證，今后將對其做進一步研究。

參考文獻

[1]

FEI D，SONG A G，TONG E， et al_A smart gateway architecturefor improving efficiency of home network applications[J].Journalof Sensors， 2016， 2016（ 2016）： 423-426.

[2]

CHEN C H，CHEN C Y，HSIA C H，et al.Efficient vision-basedsmart meter reading network[J]. Intemational Joumal of WebServices Research（ IJWSR）， 2017，14（1）：356-360.

[3]

NIKOLAOS V，MICHAEL K，YANG K.A user behaviour-drivensmart-home gateway for energy management[J].Joumal of Ambi-ent Intelligence and Smart Environments， 2016，8（6）：583-602.

[4]

MUHAMMAD S， FULVIO C， FAISAL R. Autonomic goal-orienteddevice management for smart environments[J].Journal of Ambi-ent Intelligence and Smart Environments， 2015，7 （4）： 425-448.

[5] JOAO S，JOEL J P C，BRUNO M C，et al.An IoT-based mobilegateway for intelligent personal assistants on mobile health envi-ronments[J]. Journal of Network and Computer Applications，2016. 2016（）：336-342.

[6]

ZHANG S H， HUANC J. Design of intelligent community networkcompatible with IPv4/IPv6 protocol[J].Advanced Materials Re-search， 2014， 3349（ 998）：1117-1120.

[7]

CHANG C T，CHANG C Y，RAMON D， et al.An IoT multi-inter-face gateway for huilding a smact space[J].Open Journal of SocialSciences， 2015， 03（07）： 56-60.

[8] ZAMAN R U，KHAN K U R，REDDY A V.Weighted load bal-anced adaptive gateway discoveW in integrated internet MANET[M]// Distributed Computing and Intemet Technology. SpringerIntemational Publishing， 2015：249-252.

[9] XIE F，WU M H，ZHANG Z R，et al.Implementation of smarthome terminal based on openWrt [J]. Applied Mechanics andMaterials， 2014， 3009（ 519）： 514-517.

[10]陶文寅，基于OpenWrt開源系統的無線視頻監控智能車設計[J].單片機與嵌人式系統應用，2015，15（ 10）：69-73.

[11]曹為華，凌強，張雷，等.基于OpenWrt系統路由器的模式切換與網頁設計[J].微型機與應用，2015，34（23）：90-95.

[12]徐哲鑫，張藝林，林瀟，等.基于OpenWrt與ZigBee的智能家居路由器設計[J]計算機工程，2017 .43（3）： 94-98 ，104.

[13]閆文耀，王志曉，李軍懷，等，基于多模智能網關的智能家居系統設計[J].計算機工程，2015，（09）：31-38.

[14]高旭東.物聯網（智能家居）中無線異構網絡融合網關的設計與應用[D].南京：南京郵電大學，2013.

[15] GAO C，JIANC M Y，ZHANG N， et al.Design of remote controlsystem for smart home based on Z-Wave[J]. Applied Mechanicsand Materials， 2013， 2658（ 397）：1833-1836.