基于IPv6与Z-Wave智能网关的智慧教室系统设计

2019-06-11 03:39:57 计算技术与自动化2019年1期

施荣华 彭杨洋 胡超

摘要:针对IPv4协议支持智能网关不足和智能空间网络中的智能设备相互操作性弱、相互通信不稳定问题,基于MIPS微处理器和OpenWRT操作系统,设计支持纯IPv6协议和Z-Wave无线通信协议的智能网关,以IPSec和Qos保证智能网关的安全性和服务质量,构建了以智能网关为核心的智慧教室系统。实验结果表明:该智慧教室系统运行良好,通过基于IPv6和Z-Wave的智能网关能解决智能设备的IP地址缺少和通信易干扰问题,从而实现Web远程控制的同时提高了智慧教室系统的运行效率和稳定性。

关键词:IPv6;Z-Wave;智能设备;智能网关;多业务

中图分类号:TP273

文献标识码:A

随着IPv6技术和无线通信技术的发展,智慧教室在教育行业得到了越来越多的应用和关注。智慧教室系统不仅可以使教师的管理更轻松,而且能够提供给教师更加灵活的交互式教学,智能网关作为智慧教室的一个重要组成部分,在智慧教室网络中起着核心的作用。一方面通过智能网关使教室内部网络和外部网络进行互联,另一方面通过智慧教室综合管理平台实现Web运程管理,教师不仅可以方便地访问智慧教室内部网络,通过Z-Wave技术管理和操作这些智能设备,而且可以快速地访问外部网络(如Intemet)。同时考虑系统的安全性和服务质量,该智能网关必须支持IPv6的IPsec和QOs协议。在此基础上研究基于IPv6和Z-Wave智能网关的智慧教室系统。

智能网关是构建智能空间的核心设备。文献[1]提出基于ZigBee的IAGW (lntegrated access Gate-way)网关。该网关实现了终端管理和业务处理相分离,但不能实现其远程控制只能对网关参数进行简单的配置。文献[2]提出一种无线网关,使用HTML5画布技术开发的基于Web设计网关的软件架构,但此网关的内部和外部仅提供一个端口,且不支持远程管理和多业务形式。文献[3]设计了一个智能家庭网关,描述其数据结构、软件应用服务及提供了一些应用编程接口(API)的中间件,但是也只涉及了如何设计软件层次方面。而文献[4]又在基于OSGI和Java Web技术研究了DOG(Domotic OSGi Gate-way)网关,此网关采用轻量级的方法来管理不同的内部网络。文献[耳没计了一种基于互联网的移动网关,支持ZigBee通信协议。同时其用户平台与智能云系统相结合,用户可以根据自己的需求配置设备。文献[6]基于无线网络设计了一种IPv4/IPv6的物联网网关系统,实现了对智能设备的远程监控和智能报警。文献[7-8]针对基于有线互联网和无线MANET的互连的异构网络,分别设计了一般的非异构网络和异构网络,并提出了一种将网关负载平衡和自适应网关发现结合在一起的机制。

然而以上文献提出的多数网关都只在应用网关层次,如基于Java Web设计的DOG网关,只考虑了软件层面的设计和实现。要么基于双协议栈和IPv4协议,不能支持纯IPv6协议;要么设计支持ZigBee协议,不支持Z-Wave协议;要么功能有限,接口类型单一,不能支持多业务类型;要么只考虑网关的多功能实现,没有考虑其安全性和服务质量。因此,设计一个基于IPv6和Z-Wave的智能网关。

1 智能网关的总体设计

智能网关是用来连接智慧教室内部网络和外部网络的,并且提供地址转换、路由查找、协议转换和Web服务等功能的。用户通过Web服务和Z-Wave技術来访问智慧教室内部网络和控制内部智能设备。下面是智慧网关和智能设备联系如图1所示:

1.1 智能网关的硬件设计

智能网关的硬件结构如图2所示。

智能网关接口类型为:(1)局域网内部接口:无线(802.11,比如Wi-Fi),有线以太网,USB,Z-Wave;(2)局域网外部接口:ADSL,有线以太网。

1.1.1 智能网关接口设计

智能网关接口设计具体如下:

(1)支持IPv6协议:通过MIPS微处理器实现路由数据包的高速转发及对IPv6协议的支持。

(2)广域网(WAN)接口和局域网(LAN)接口:MIPS控制器通过物理层,提供一个10/IOOMWAN接口和4个10/IOOMLAN接口。

(3)ADSI接口:考虑与ADSL控制器的兼容性问题,采用数字用户线路(Digital Subscriber Line,DSL)处理芯片Broadcom BCM5709。

(4)Z-Wave接口:采用Sigma Designs公司的500系列芯片。它拥有最大I/0速率的最小模块,设计主要针对智能网关的串行接口模块。

(5)Wi-Fi接口:通过802.llb/g/n和Wi-Fi无线网卡,提供无线接人功能。

1.1.2 微处理器

考虑到多业务和高速宽带需求,微处理器采用Imagination公司最新的64位处理器MIPS 16400CPU,是一种结合64位元架构与硬件虚拟化技术的IP核心,实行多指令、多核心与多集群一致处理( multi-cluster coherent processing)技术,能提供可扩展的功能,并且在指令集、性能、功耗、核心面积等方面都全面领先其他对手。总的来说,16400 CPU是多线程、多内核和多集群以相互结合方式来设计,每个核心能够支持4个线程,每个集群又能够支持最多6核心,每枚芯片能支持64个集群,这种多线程特性能够满足处理多条指令流,支持多种业务类型的功能需求。不仅如此,高性能、低功耗也是MIPS 16400的又一大特性,它能够在高峰值频率上同时应对不同的工作任务,为了节省功能消耗先完成其需求低的进程。一个高性能、低功耗的MIPS16400配置包含多个MIPS 16400 CPU、一致性管理器和额外寄存器组的一个集群。

1.2 智能网关的软件设计

智能网关的软件结构如图3所示。

基于分层的思想,可以把智能网关的软件结构主要分为两层:服务层、系统层。其中服务层采用Spring DM框架,主要是包括智慧教室综合管理平台服务和地址自动配置、安全协议、服务质量等;系统层采用的是Linux OpenWrt操作系统。

1.2.1 0penWrt操作系统

OpenWrt是用于路由器和嵌入式设备的GNU/Linux发行版操作系统,也是一种高度模块化、高度自动化的嵌入式Linux系统[9-11]。它拥有强大的网络组件和扩展性,常常被用于工控设备、电话、小型机器人、智能家居、路由器以及VOIP设备中[12]。对于用户来说,可以通过WEB界面对智能网关进行操作,OpenWRT中WEB是LuCI编写的,LuCI提供了丰富的接口,同时将用户的配置保存在临时文件中,并调用linux中的脚本来进行实际应用。配置文件对OpenWRT的作用是不言而喻,其各模块的配置文件(在/etc/config/下),不仅专业人员能进入OpenWRT系统内核中修改,而且一般用户也能同构WEB页面来修改。由于OpenWRT的易扩展性,其对大多数硬件和平台都有很好的支持,除此之外还支持链路状态路由(OISR)网状网络协议,该协议能够让用户同时使用多个OpenWRT设备,建立临时的移动网络。而且在频繁更换软件的情况下,不需要重新刷新固件就能进行修改。同时Open-WRT支持多种处理器架构,尤其对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,一次提供一个抽象硬件层和包管理机制;OPVG包管理系统是一个与桌面级Linux使用的apt -get,pac-man,yum等同级别的包管理系统,可以获取丰富的软件资源[13]。

1.2.2 基于IPv6的OpenWRT

目前主流的智能网关应用,其通用的IPv6技术大多数都可以支持。IPv6巨大的地址空间很好的解决了IPv4地址不足的缺陷。在搭建智慧教室内部网络方面具有很大的优势主要有以下几点:

(I)IP地址充足:通过智能网关它可以为每个智能设备分配一个IP地址并且访问IPv6网络,这是相对于IPv4的最大优势,它能够建立客户端到设备终端的应用服务。

(2)更强的自动配置能力:IPv6可以使得在智慧教室网络中增添具有网络功能的智能设备时,无需做任何配置。

(3)移动性支持:用户不进行额外的操作即可在移动的状态下通过手机APP端来控制智慧教室网络中的设备。

(4)安全性高和Qos支持:在保证用户与智能设备之间通信安全的同时保护智慧教室网络。此外由于Qos作为IPv6报头的一部分可以确保智慧教室网络的高速率通信。

(5)部署纯IPv6网络:大大的简化了智慧教室内部网络的配置,同时通过IPv6技术还能研发那些受网络异构性限制的网络应用[14]。

于是在OpenWRT上如何配置IPv6就变得极为重要,OpenWRT上的IPv6链接主要有三种方式:PPP、隧道代理和静态分配。我们采用隧道代理方式,首先安装一个叫做“6scripts”的包并编辑地址为“/etc/config/6tunnel”的文件做如下设置更改:

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隧道设置好IPv6的接口名称

remoteip4:通过6in4隧道建立远程终端IP地址,该地址由隧道代理提供

localip4:建立6in4隧道的路由器IP地址,它通常对应你的WAN口IP地址

localip6:由隧道代理提供的隧道另一边的IPv6地址

prefix:IAN口设置的IPv6前缀

用同一个包你也可以设置一个IPv6桥接:

config 6bridge;

option bridge' br6;

其默认的脚本桥接了WAN口和LAN口并用以太网防火墙滤掉了一切非IPv6部分的东西。

1.2.3 基于Z-Wave的智能网关

Z-Wave是由丹麦公司Zensys开发的无线组网规格,是一种基于射频的低成本、结构简单、低功耗、高可靠性、适用于网络的双向短距离无线通信技术[15]。在Z-Wave网络中主要有两种设备:控制器、从机设备。在此系统中智能网关就是控制器,它具有唯一的网络识别码,当控制器添加一个智能设备到网络时,就会给设备分配网络识别码和节点识别码,网络识别码表示设备属于同一个无线网络,节点识别码识别同一个网络中的不同设备。用户可通过Z-Wave来控制智能设备之间的通信,做到了在一个地方上就能操控所有智能设备。以控制灯光照明为例如图4所示。

为了保证智能设备之间的通信,实现数据可靠性和完整性验证是必不可少的。通过嵌入一个8位的校验总和到数据帧中,校验总和渗透整个数据帧,只有在确认校验總和无误后,这个帐才是有效帧;同时为确保发送端会收到来自接收端的反馈,而接收端也会执行相关的指令,接收端必须确认每一个收到的指令。采用逻辑异或( Exclusive OR)运算,结合从网络识别码到校验总和之前的字节。下面是在C程序语言中的校验总和算法。

C语言校验总和算法:

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智能设备之间交换的信息叫做指令。主要可以分为三大类:要求一个设备做一些事(Set);要求一个设备反馈一些信息(Get);向一个设备提供特定数值或状态的报告( Report)。根据不同的设备类型,Set、Get及Report指令代表不同的操作,以调节灯光的指令集操作(Operate -Multi-level Switch)为例。Z-Wave将所有指令整合在一起称为指令集( Command Class),指令集中的指令是由一个单字节数字来识别的,如图5为指令集布局,其中CS表示帧校验总和。Operate-Multilevel Switch :

Commands to Node

Set( 0)

Get( )

DIMSTART( direction)

DIMSTOP( )

Commands from Node

·Report(message)

首先控制器设置Set (0)灯光的初始状态:开(1)或关(0),然后控制器发送请求给执行器要求得到Get()灯光的状态;执行器反馈Report( message)信息给控制器,对Get指令做出回应。其中DIM-START( direction)和DIMSTOP()表示指令啟动调光的开始和停止。

Z-Wave作为新兴的无线通信网技术,与目前主流的ZigBee技术相比有明显的特点,优势如下:

(1)标准不同:Z-Wave联盟是ITU -T G.9959(国际电信联盟)标准的主导制定单位之一,众所周知,ITU联盟是通信行业的核心标准制定者。而ZigBee协议属于IEEE 802.15.4(国际电气电子工程师学会)制定的协议,相对而言,通信行业协议比电器电子协议更适用于物联网行业。

(2)抗干扰性:Z-Wave 868.42Mhz频段较Zig-Bee 2.4G频段而言,由于更少受到2.4G WIFI频段的干扰,因此传输更稳定,抗干扰能力更强。实验室测试结果也证明,采用ZigBee的物联网设备在2.4G的WIFI环境中会经常出现控制不到的情况,通过示波器检测,ZigBee设备会与WIFI 2.4G频段出现串扰等情况,导致了稳定性、准确性的降低。

(3)兼容性问题:Z-Wave联盟是一个产品强制检测的机构,在选择加入联盟的NDA(保密协议)中有专门条款对商用产品必须通过Z-Wave联盟的测试(目前国际上有三个测试机构:中国、美国、丹麦),因此100%保证了商用产品的兼容性。而ZigBee在应用层没有一个标准的定义,因此来自不同厂家的智能设备在同一个通信网络不能相互操作。

1.2.4 基于Web的智慧教室综合管理平台

为了便于管理智能设备,基于Web技术设计了智慧教室综合管理平台,平台主要要的功能模块有:控制台、教室管理、能耗监测、系统设置、统计分析等。如图6所示。用户连上WiFi登人Web平台主界面即可通过智能网关来操纵和配置教室的所有教学设备。

2 系统测试

2.1 Web测试

用户通过PC端连上智能网关的WiFi,在浏览器地址栏输入[2001:250:4400:65::1]:68即可跳转到智慧教室综合管理平台。用户在系统设置界面可以实时查看教室内受控设备及传感设备的信息及工作状态,并能统一或个别控制智能设备。如图7所示,投影仪和电视的IP地址分别是:2001:250:4400:65::a和2001:250:4400:65::b,即每个设备都有一个IPv6地址,同时可以删除或编辑设备。

2.2 响应测试

设计基于IPv6的智能网关比基于传统IP协议的网关在许多方面做出了改进,如路由查找、地址自动配置、传输速率、安全性和服务质量等。测试两次试验:基于IPv4或IPv6的网关。通过Z-Wave控制电灯照明得到的响应时间(其他影响因素都相同)来判断其优劣性。如图8所示,从图中可以看出基于IPv6的平均响应时间要低于IPv4,证明前者要优于后者。由于IPv6报文是由IPv4报文简化而来,当数据包通过智能网关时,前者处理数据速率要略高于后者。

3 结论

从智能设备和智能网关的现状人手,分析IPv6协议和Z-Wave协议的优势,提出基于IPv6和Z-Wave的智慧教室网关系统设计和实现方法。将Web平台与智能网关相结合,实现在IPv6网络中用户可以很方便的访问外部网络,同时通过Z-Wave也能快速的和教室内部资源进行通信。实验结果表明:用户通过该智能网关的Web平台能够配置所有智能设备,并且为每一个智能设备分配一个IPv6地址,IPv6的自动配置能力和支持移动性能力大大提高了教师的上课效率同时教师的服务体验更佳;最后,如果使用IPv4协议系统则缺乏安全性,而IPv6不同IPsec作为IPv6报头的必选项能够确保系统的安全性。但是没有对基于IPv6的智能网关的安全性做相关分析和验证,今后将对其做进一步研究。

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