基于Packet Tracer的智慧校園網絡設計及仿真

摘 要：為了適應現代教育的發展，對傳統校園網絡進行智能化改造。針對智慧校園網絡的需求，著重介紹了設計思路，并使用Packet Tracer網絡仿真軟件構建了智慧校園網絡模型，利用冗余設計、端口聚合、負載均衡等技術使校園網絡更加可靠、穩定。該模型主要利用多種傳感器、物聯網服務器、SBC/MCU微處理器以及智能網關實現不同的物聯網功能，用戶可以利用手機或PC終端遠程登錄物聯網服務器，監控校內電子設備、網絡設備。該設計能夠為智慧校園網絡的升級改造提供參考，有力推進校園教育信息化建設。

關鍵詞：智慧校園網絡；物聯網；Packet Tracer；網絡仿真；MCU；教育數字化

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）11-00-04

0 引 言

隨著2022年教育數字化戰略行動計劃的實施，各級各類教育機構開始數字化轉型，使得學校的教學科研設備的需求量激增，而數據互聯是實現智慧教育的重要基礎，這就對校園內硬件和軟件的要求也愈來愈高。國內外學者在智能設備方面已做了大量研究。文獻[1-3]構建了智能家居網絡，通過網關連接和控制多個家用電子設備，提高了家庭生活的便捷性、舒適性。文獻[4]設計了智慧小區環境監測與報警系統，實現了小區環境數據實時監測和有害氣體超標實時報警功能。文獻[5]設計了一款智慧校園網平臺，實現了校園出入管控、圖書館管理、宿舍管理、教室管理、校園金融和食堂餐飲管理6大業務功能模塊。但該平臺主要通過圖像處理和識別實現上述功能，存在一定的局限性。文獻[6]設計了一款由底層傳感器、通信模塊、物聯網云平臺3部分構成的智慧校園系統，實現了校園的智能化監測，能夠及時發現校園安全隱患。但該系統主要通過監測溫濕度、水質以及熱成像和指紋識別實現相關功能，應用領域仍有待拓展。

越來越多的學者開始關注物聯網和智能電子設備應用的研究并提出相關的應用方案，但是大多應用在智慧農業、工業控制及智能家居領域。雖有部分學者提出將物聯網技術應用于校園建設的方案，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絡解決方案。為此，本文設計了一套功能集成度較高的智慧校園網絡建設方案，并通過Packet Tracer軟件仿真實現。研究成果能夠為校園網中智能物件或設備與互聯網的連接以及智能化管理提供參考。

1 智慧校園網絡需求分析

根據《中國教育現代化2035》中針對打造智慧化校園、新型教育服務業態的要求，本文對智慧校園的實現提出了相應的規劃構思。關于智慧校園網絡的帶寬限制、運營商接入方式、設備選型和具體數量，讀者可以參考相關文獻[7-10]，這里不作深入研究。

智慧校園網將教學科研、行政管理與校園生活充分融合，其技術架構可分為感知層、網絡層和應用層3部分，主干網絡設計冗余鏈路，主要應用場景包括智慧教學/行政場所、智慧科研/實驗場所、智慧教輔場所、智慧后勤服務。

智慧教學/行政場所主要涉及教室的多媒體設備管理、門窗的自動化、照明系統自動化、暖氣供應和空調制冷自動化等。智慧科研/實驗場所主要涉及門窗自動化、送風機和窗戶組成的自動化通風系統、防火自動化、防盜及視頻監控等。智慧教輔場所包括圖書館和教育信息化與網絡信息中心，涉及圖書館的人臉識別準入、自動借閱系統、校園一卡通、校內外用戶身份認證、無線網絡覆蓋、校園數據中心等。智慧后勤服務主要涉及基建工程、招標采購、智慧食堂、線上報修、人臉識別準入、灌溉自動化、照明系統自動化、車位智能管理、用車調度、防火自動化、防盜及視頻監控等。

2 智慧校園網絡規劃設計

2.1 總體拓撲設計

根據上述需求分析，通過在Visio繪圖軟件上拖拽網絡設備、拼接連接線等方式繪制智慧校園網絡的拓撲簡圖，如圖1所示。圖中展示了網絡的整體框架結構和4大物聯網應用場景。

2.2 邏輯設計

本文在現有校園網基礎上進行智慧校園網絡升級，關于傳統校園網的IP邏輯設計、子網劃分、VLAN劃分等，此處不再贅述，讀者可以參考其他校園網的設計方案。無論采用何種設計方案，首先要滿足用戶需求，然后考慮擴展性。

2.3 可靠性設計

2.3.1 熱備份冗余設計

考慮到教學、科研以及辦公中日益增長的信息化需求，校園網絡的穩定性、可靠性和安全性也需要得到提高，特別是一些被高頻訪問的數據存儲區域，比如學校的重要服務器和數字圖書館等，可以采用熱備份冗余設計來解決問題。利用HSRP熱備份網關冗余協議為重要數據區域提供熱備份冗余，當一個熱備組及其對應的鏈路發生單點故障時，另一個熱備組將由備份狀態轉為活動狀態，通信鏈路自動切換，防止因網絡發生單點故障導致學校教學秩序被打亂和辦公系統癱瘓。

2.3.2 雙核心冗余與線路冗余設計

雙核心冗余設計：在實驗樓、數字圖書館等關鍵部門的核心網絡設備上采用雙核心冗余設計，如圖1中MS1和MS2以及下面的網絡匯集層設備的連接采用雙歸接入設計。通過配置根網橋使得MS1成為單數VLAN的根網橋，MS2成為雙數VLAN的根網橋。比如VLAN11、VLAN13的根網橋是MS1，VLAN12、VLAN14的根網橋是MS2，從而既能實現負載均衡，又能相互備份。

核心層線路冗余設計：在校園網核心層增加網絡設備之間的線路，從而避免因網絡中出現單點故障而影響網絡的連接，增強網絡的魯棒性。比如在原來環形校園網主干的基礎上，通過部分網狀結構設計，增加線路冗余，減少網絡中數據傳輸通過的跳數，提高網絡性能。

2.4 智慧校園設計

智慧校園網絡設計包括本地近端控制、遠程監控。

本地近端控制：單片機或微處理器是采集環境數據和調整終端設備自動化功能的核心。通過MCU的數字或模擬接口，連接各種監測設備和控制設備；MCU讀取連接數據采集設備輸入接口的信號數據，并與預先調研的參考數據指標進行對比判斷；根據判斷結果，MCU向連接的控制設備的輸出接口發送控制指令，控制終端作出相應的處理。

遠程監控：各種設備通過直接或間接的方式聯網，并根據需要注冊到智能網關或IoT服務器上。管理員可以通過Web瀏覽器和APP登錄到IoT服務器或智能網關，按照規劃設置好各個網絡設備接口、終端設備以及物件的IP地址。理順各子系統或功能模塊需要的設備和物件以及它們之間的內在聯系和邏輯關系；把遠程監控設備和物件分組注冊到智能網關和IoT服務器上。根據規劃配置好相應的網絡設備功能，實現智能終端的特定功能，進而實現子系統內各物件之間以及各子系統之間的交互[11]。

3 基于Packet Tracer的智慧校園網絡仿真

3.1 仿真概述

由于校園網組網實驗所需的網絡設備種類和數量眾多，占用場地大，耗費時間較長，易造成資金浪費。而Packet Tracer軟件提供的模擬設備環境真實可靠，不受設備種類、數量、時間、空間和資金的限制，故通過Packet Tracer軟件進行智慧校園網絡的仿真設計是較好的選擇。模型構建與仿真結果如圖2所示。

3.2 智慧校園部分應用場景的仿真

智慧校園應用包括本地終端、遠程終端。無論是本地終端或者遠程終端的監控，都離不開智能網關。智能網關充當信號與信息的樞紐，與物聯網服務器共同作用，為管理者提供本地終端和遠程終端的監控功能。下面將分別闡述本地終端和遠程終端的實驗設計。

3.2.1 本地終端監控仿真

通過拖拽各種智能物件或設備及連接介質組成本地終端應用場景。MCU微控制單元連接各智能物件或設備，通過各類傳感器接收各類信號，再與預設條件或參數指標進行對比判斷，觸發下一步控制命令。例如，通過IoT1的預設操作實現對教學樓、宿舍樓等建筑的內部走廊和校園道路照明設施的控制；通過火焰傳感器對環境的感知，控制報警燈狀態的變化，火焰傳感器IoT8感知周邊物件的IR值，并根據預設條件判斷是否有火災發生，若有，則消防探頭通過MCU2向滅火設備IoT7發出噴淋指令；通過太陽能板IoT28吸收并轉化太陽能；由電池IoT36向其他電子設備供電。多個場景重復應用的MCU配置這里不再贅述。圖3所示是其中一個MCU上部分數據的獲取及控制程序。

3.2.2 遠程終端監控仿真

通過拖拽遠程智能終端、物聯網服務器、網絡設備及連接介質組成遠程終端應用場景。將智慧教學/行政場所、智慧科研/實驗場所、智慧教輔場所、智慧后勤服務等4個物聯網應用場景內置的智能物件或設備根據需要注冊到IoT服務器上，如圖4所示。

在智慧校園網正常運行的情況下，利用PC或遠程終端通過預先設置的賬號和密碼登錄IoT服務器。登錄后會顯示已注冊在服務器上的智能物件或設備，具有開關及擋位等功能的智能物件或設備均可在服務器上操作以達到遠程管理的目的。

遠程終端通過Web瀏覽器登錄IoT服務器來監控已注冊的設備，或通過自主設計開發的智慧校園管理APP登錄IoT服務器實現對校園的監控，例如對門、窗、風扇、空調、加濕器、照明設施、車庫門、綠化灌溉噴頭等若干常用設備的擋位控制與開關。對綠化灌溉噴頭還可以通過MCU0預設周期性和人為干預灑水。通過IoT30控制音響定期廣播校園新聞、上下課鈴聲以及減壓音樂等音頻。通過汽車尾氣濃度傳感器IoT32的感知，遠程控制排氣扇開啟并調整擋位。

4 結 語

本文利用Packet Tracer軟件仿真構建了一個智慧校園網絡模型。該模型在保證網絡魯棒性且實現均衡負載、互聯互通的基礎上，利用多種傳感器、物聯網服務器、SBC/MCU微處理器以及智能網關組建了4個主要物聯網應用場景，用戶可通過手機或PC終端登錄物聯網服務器，遠程監控校園網絡內的智能物件或設備，提高管理效率，加快推進下一代校園網的教育數字化建設。未來將會繼續開發配套的智慧校園網絡管理APP，加大力度開發不同功能的傳感器，應用于更多場景。

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作者簡介：歐陽斌（1998—），男，助理實驗師，研究方向為計算機網絡、物聯網仿真。

陳瑞志（1981—），男，碩士，副教授，研究方向為通信安全、網絡應用、網絡仿真。

收稿日期：2023-11-25 修回日期：2023-12-22

基金項目：2022年廣東省本科高校教學質量與教學改革工程建設項目：智能制造技術實驗教學示范中心（粵教高函[2023]4號）；2022年廣東省大學生創新創業訓練計劃項目（S202212622002）；2021年湛江科技學院攀登計劃項目：智慧校園網的設計與仿真（2021ZKYDCA09）；2021年度湛江科技學院“品牌提升計劃”校級教學團隊項目：網絡系列課程教學團隊（PPJH202102JXTD）；2022年湛江科技學院“品牌提升計劃”課程思政改革示范項目：網絡工程（PPJHKCSZ-2022301）；2022年湛江科技學院“品牌提升計劃”線下一流課程：操作系統原理（PPJHKCSZ-2022242）