基于Packet Tracer的智能家居组网教学设计

乔焰 马慧敏

摘要：目前物联网工程专业的《网络技术》实验与实践课程大多沿袭了早期计算机专业的计算机网络课程设置，无法体现物联网工程的专业特色。利用最新版本的Packet Tracer 7.0软件新添加的物联网功能，可仿真智能家居的组网，并实现组网过程中的几项关键技术。通过设计智能家居组网实验与实践课程，可帮助物联网工程专业学生理解和掌握物联网基础理论，将理论应用到实践，从而激发学生学习兴趣和创新思维。

关键词：物联网工程；网络技术实验；Packet Tracer；智能家居组网

中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）06-0150-04

物联网工程专业是2010年教育部新设立的本科专业，截至2016年，全国共有333所高校开设了物联网工程专业。随着开设物联网专业的高校越来越多，如何围绕物联网工程专业的人才培养目标，结合物联网工程专业人才的社会需求，重构物联网工程专业中的网络技术课程的教学内容及教学体系已成为物联网产业界和教育界广泛关注的课题之一。

《网络技术》课程是物联网工程专业的基础核心课程，而《网络技术》的实验与实践课程是将《网络技术》理论知识应用于实际的重要课程。但现有的《网络技术》实验与实践课程主要沿袭了早期PC时代的计算机网络课程设置，难以满足当前物联网工程专业的建设需要。由于物联网具有全面感知、可靠传输、智能处理的特点，被广泛应用于智能家居、智能交通、智能农业和智能物流等领域。智能家居是与人们生活联系最紧密的物联网应用，设计与实现智能家居组网是物联网工程专业学生必须要掌握的技能之一。然而智能家居设备普遍具有较高的科技附加值，因而价格偏高，更新换代的速度也是其他设备无法比拟的，作为教学主体的学校很难有足够的资金准备足够数量的智能家居设备供为学生提供实验条件。

本文利用Cisco公司在2016年发布的PacketTracer 7.0仿真软件，设计了用于物联网工程专业智能家居组网技术的教学实验，将所学理论与实际相结合，锻炼学生的动手能力和实践创新能力。

1智能家居系统组网

利用Packet Tracer7.0组建如图1所示的智能家居拓扑结构。图中包含智能家居系统和远程监控系统。在智能家居系统中，包含智能网关、调温器、空调、暖气、灯、电扇、窗户和本地监控PC机；远程监控系统包含智能家居注册服务器、远程监控PC机、ISP路由器、PC机网关路由器和服务器网关路由器。1.1智能家居系统

在图1所示拓扑结构中的智能家居部分，智能网关起到了连通内网和连接外网的作用。调温器和本地PC机通过直通线与智能网关相连；而灯、电扇和窗户属于不易布线的家居设备，因此通过Wi-Fi的方式与智能网关相连。此时需要手动将灯、电扇、窗户的网卡更换为PT-IOE-NM-1W无线网卡。空调和暖气通过“IoE客户端线缆”与调温器相连。需要注意的是，暖气的D0接口应连接调温器的D1接口，而空调的D0接口应连接调温器的D2接口，若连接错误则调温器无法控制空调和暖气。本地PC机和调温器的以太网接口通过直通线与智能网关的以太网接口相连。

1.2远程操控系统

远程操控系统包括ISP路由器、远程监控PC机、PC机所在单位网关路由器、智能家居注册服务器和智能家居注册服务器公司网关路由器。三个路由器均需要添加WIC-2T串口，并通过DCE串口线连接；智能家居网关的Internet接口与ISP路由器的以太网接口相连；服务器与PC机通过交叉线分别与相应网关路由器的以太网接口相連。

2智能家居组网关键技术

在智能家居组网中主要包含以下几个关键技术：1）DHCP技术；2）静态IP地址分配技术；3）动态路由技术；4）智能家居控制技术。

2.1 DHCP技术

DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol，动态主机配置协议）是给内部网络或网络服务供应商自动分配IP地址的技术。通过DHCP技术能够使网络环境中的主机动态的获得IP地址、网关地址、DNS服务器地址等信息。智能家居设备采用DHCP的方式从智能网关处自动获得IP地址。对于每个与智能网关相连的智能家居设备都需要手动将IP地址设置成DHCP模式。

2.2静态IP地址分配技术

静态IP地址分配是相对DHCP自动获取IP地址来说的。ISP路由器、远程监控PC机、注册服务器和两个网关路由器均采用静态IP地址的配置方式。远程监控系统中总共存在5个子网，分别为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，如图2所示。分别从各自的子网中选取IP地址，分配给路由器的各个接口、智能网关的Internet接口、PC机和服务器。分配的IP地址如表1所示。

2.3动态路由技术

动态路由协议是通过路由器之间相互交换信息，从而生成并维护本路由器的路由表。当拓扑结构发生变化时，动态路由协议可以自动更新路由表，并负责决定数据传输最佳路径。在本拓扑结构中三个路由器均运行OSPF（最短路径优先协议）动态路由协议生成路由表。OSPF路由协议是基于链路状态的路由协议，通过路由器之间通告网络接口的状态信息来建立链路状态数据库，生成最短路径树，每个OSPF路由器使用这些最短路径来构造路由表。在三台路由器上配置OSPF协议的详细配置命令如下：

（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机网关路由器

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）服务器网关路由器

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智能家居控制技术

在图1所示的智能家居拓扑中，需要通过本地PC机或者远程PC机监控家庭的温度、照明、风扇和窗户的状态。

（1）本地监控家居设备

若采用本地PC机监控家居设备，则需要为本地PC机配置本局域网IP地址，或采用DHCP的方式从智能网关获取IP地址。再将每个连接智能网关设备的"IoE服务器（IoE Server）”设置成智能网关，如图3（a）所示。

（a）本地IoE服务器设置

设置完成后打开本地PC机的浏览器，输入智能网关的局域网IP地址（默认为192.168.25.1），和管理员用户名密码（默认为admin）可以显示出所有连人智能网关的智能家居，通过浏览器可查看每个设备的状态，并对设备功能进行控制，如图4（a）所示。

在设备列表页面中通过“Conditions”功能可实现智能家居设备的自动控制功能。例如设置当室内温度大于等于20摄氏度时打开窗户，并将电扇转速调至高档；当室内温度小于等于15度时关闭窗户，并关闭电扇（如图4（b）所示）。

（2）远程监控家居设备

若采用远程控制智能家居设备的方式，则需要建立智能家居注册服务器，并将服务器上的“IoE注册服务器”功能开启，如图5（a）所示。

远程PC机首先要通过浏览器输入服务器的lP地址，在服务器上创建一个或多个具有远程监控权限的用户，如图5（b）所示。最后，被远程监控的智能设备需要将“IoE服务器（IoE serv-er）”设置为远程服务器，并输入注册服务器的IP地址和具有远程监控权限的注册用户信息，如图3（b）所示。

在以上设置完成后，便可使用远程PC机浏览器输入注册服务器的IP地址来监控智能家居设备。

3智能家居组网的仿真与模拟

本小节通过远程PC机对智能家居设备进行监控，并在模拟状态下查看各个设备的交互过程。

首先在远程PC机浏览器上输入注册服务器的IP地址，并输入已注册的用户名和密码登錄，此时可查看到可控制的设备列表。在列表中选择要改变状态的设备（例如窗户），将窗户的状态由关闭改变为打开的状态。整个过程的实现步骤如下：

1）远程PC机通过HTTP协议将控制命令发送到注册服务器上，协议数据包如图6所示；

2）注册服务器与智能窗户建立TCP连接，如图7（a）所示。

3）注册服务器通过TCP指令控制智能窗户，窗户接收指令并完成打开的操作，最后发送TCP报文进行确认，如图7（b）所示。

4结束语

智能家居是物联网最典型的应用之一，智能家居组网技术也是物联网工程专业学生必须掌握的技能。利用Cisco Packet Tracer 7.0版本新添加的物联网功能，可模拟智能家居的组网过程，并了解在组网过程中各个设备的交互过程。通过该实验设计，可使学生掌握智能家居组网的关键技术，并激发学生的学习兴趣，提高学生的实践创新能力。