IPv4/IPv6雙棧物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)設計與仿真實現(xiàn)

吳薇薇，李清平

（浙江育英職業(yè)技術學院信息技術學院，杭州 310018）

0 引言

隨著通信技術、計算機技術和電子技術的不斷發(fā)展，移動通信正在從人與人（Human to Human，H2H）向人與物（Human to Machine，H2M），以及物與物（Machine to Machine，M2M）通信的方向發(fā)展，萬物互聯(lián)成為移動通信發(fā)展的必然趨勢，物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT）正是在此背景下應運而生，其被認為是繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)之后，世界信息產業(yè)的第三次浪潮，應用開發(fā)前景廣闊，產業(yè)帶動能力強［1］。思科（Cisco）公司預測，未來十年，物聯(lián)網(wǎng)將為全球公司和行業(yè)創(chuàng)造價值高達14.4 萬億美元的機遇，對整個社會所帶來的影響將是互聯(lián)網(wǎng)的5～10倍［2］。歐美國家已紛紛將發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)納入整體信息化戰(zhàn)略，我國也已將物聯(lián)網(wǎng)明確納入國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃（2006—2020 年）及2050年國家產業(yè)路線圖。

物聯(lián)網(wǎng)作為一項前沿技術，已經(jīng)逐步融入生產生活的許多應用場景，廣泛應用在交通、物流、環(huán)保、電力等領域，人們在潛移默化中感受到物聯(lián)網(wǎng)的影響。整個物聯(lián)網(wǎng)應用市場的細化特點也日益顯現(xiàn)，家居的智能化就是利用物聯(lián)網(wǎng)技術將獨立家居設備進行聯(lián)網(wǎng)互通，實現(xiàn)設備間的資源和信息共享。

由于IPv4 網(wǎng)絡地址數(shù)量匱乏、安全性等問題，制約物聯(lián)網(wǎng)、5G 等新業(yè)務的開展，IPv6 網(wǎng)絡將成為互聯(lián)網(wǎng)新業(yè)務發(fā)展與運用的強有力支撐［3］。但囿于Internet 的規(guī)模以及目前網(wǎng)絡中數(shù)量龐大的IPv4 用戶和設備，IPv4 到IPv6 的過渡不可能一次性實現(xiàn)，而且目前許多企業(yè)和用戶的日常工作越來越依賴于Internet，所以IPv4 到IPv6的過渡必然是一個循序漸進的過程［4］。IPv4到IPv6 的過渡技術中，雙棧技術是在IPv6 結點中嵌入IPv4 協(xié)議棧，無需構造隧道，既不影響現(xiàn)有IPv4 業(yè)務，又可以滿足IPv6 的新需求，實現(xiàn)相對簡單［5］。

1 仿真平臺概述

IPv4/IPv6 雙棧物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)仿真平臺采用思科公司開發(fā)的Packet Tracer軟件，該軟件支持多種服務器，功能強大，用戶可以直接利用虛擬環(huán)境搭建網(wǎng)絡拓撲。7.1 版本操作界面簡潔，提供的物聯(lián)網(wǎng)模塊包括家居（Home）、智慧城市（Smart City）、工業(yè)（Industrial）及電網(wǎng)（Power Grid），每個模塊下面又包含若干IoT 設備［6］，如本實驗用到的Furnace（加溫器）、Thermostat（溫度調節(jié)器）、Humidity Monitor（濕度監(jiān)測儀）、Fire Sprinkler（噴灑滅火器）、Smoke Detector（煙霧探測器）、Water Level Monitor（水位監(jiān)測儀）等，基本可以滿足一個物聯(lián)網(wǎng)智能家居的系統(tǒng)設計需求。

2 仿真場景部署與IPv4/IPv6地址分配

2.1 仿真場景及拓撲圖

IPv4/IPv6 雙棧物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)由室內和室外兩部分組成，如圖1所示。室內部分包括Fire Sprinkler（噴灑滅火器）、Fan（風扇）、Window（窗）、Door（門）、Smart LED（智能LED）、Light（臺燈）、Humidifier（加濕器）、Humidity Monitor（濕度監(jiān)測儀）、Thermostat（溫度調節(jié)器）、Furnace（加溫器），以IoT1～IoT10 予以標識，通過室內PC 進行調控。室外部分包括Garage Door（車庫門）、Home Speaker（音響設備）、Lawn Sprinkler（草坪噴灌器）、Water Level Monitor（水位監(jiān)測儀）、Smoke Detector（煙霧探測器），以IoT11～IoT15 予以標識，通過智能手機進行調控。所有物聯(lián)網(wǎng)設備以及調控設備都連接到中心交換機，并通過服務器（Server）獲取IP地址并進行注冊。智能手機通過無線路由器接入中心交換機，設置兩者的服務集標識符（service set identifier，SSID）均為“SmartHome”，認證方式（Authentication）采用AES 加密算法的WPA2-PSK。

2.2 IPv4/IPv6地址分配

海量的地址是移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、5G 等應用深入發(fā)展的基礎，128bit的IPv6成為這些新興領域的剛需，據(jù)預測未來5 年全球將有500 億物聯(lián)網(wǎng)終端接入，到2025 年我國在IPv6 網(wǎng)絡規(guī)模、用戶規(guī)模和流量規(guī)模三個關鍵性指標方面將位居世界前列［7］。

受到終端及運營商網(wǎng)絡IPv6 能力的限制，互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務的IPv6 改造不可能一蹴而就，因此IPv4 和IPv6 的并存將會持續(xù)相當長時間，數(shù)據(jù)中心（服務器）作為應用基礎設施的重要部分，需要同時支撐IPv4業(yè)務和IPv6業(yè)務。

圖1 IPv4/IPv6雙棧物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)仿真拓撲

動態(tài)主機配置協(xié)議（dynamic host configuration protocol，DHCP），使用UDP 工作的局域網(wǎng)（LAN）網(wǎng)絡協(xié)議，給內部網(wǎng)絡或網(wǎng)絡服務供應商自動分配IP 地址，或給用戶或內部網(wǎng)絡管理員作為對所有計算機進行統(tǒng)一管理的手段［8］。IPv6 動態(tài)主機配置協(xié)議（dynamic host configuration protocol for IPv6，DHCPv6）是運行在客戶端和服務端之間的協(xié)議，與IPv4 中的DHCP 一樣，所有的協(xié)議報文都基于UDP 協(xié)議，但由于在IPv6中沒有廣播報文，因此DHCPv6使用組播報文［9］。

服務器通過手動方式配置IPv4/IPv6 地址，室內外所有的IoT 設備、智能手機、室內PC 通過服務器自動獲取IPv4/IPv6地址，如表1所示。

表1 服務器、IoT設備、智能手機、室內PC的IPv4/IPv6地址分配

3 主要配置命令及解析

3.1 配置服務器

（1）按照表1 的要求完成服務器的IPv4/IPv6地址靜態(tài)配置。

（2）在服務器“services” 菜單的“DHCP”選項中配置DHCP動態(tài)池，命名為“toipv4”，起始IPv4 地址為192.168.1.1， 子網(wǎng)掩碼為255.255.255.0，最大可分配數(shù)目為200。

（3）在“DHCPv6”選項中配置DHCPv6 動態(tài)池，命名為“toIPv6IoT”，IPv6前綴為5001:1::1/64，有效生存周期（valid lifetime）為2592000秒，推薦生存周期（preferred lifetime）為604800秒。在推薦生存周期結束之前，5001:1::1/64 可以訪問其他設備或者被訪問；如果推薦生存周期到了，而有效生存周期沒到，那么該地址只可以被訪問，不能主動訪問別人；當有效生存周期也到了，該地址則失效。

（4）在“IoT”選項中點擊“on”單選框，開啟服務器的注冊功能。

3.2 設置注冊賬號密碼

智能手機和室內PC 在動態(tài)獲取IP 地址后，可以通過IP 地址、域名和IoT 監(jiān)視器（IoT Monitor）三種方法在服務器中分別進行IPv4/IPv6 注冊，這里以智能手機為例，通過Web 瀏覽器以IPv6 地址登錄服務器設置注冊賬號和密碼為“IPv6Test”，如圖2和圖3所示。

圖2 智能手機在服務器中注冊IPv6賬號和密碼

圖3 服務器中注冊成功的IPv6賬號和密碼

3.3 編寫主要IoT調控設備代碼

IPv4/IPv6 雙棧物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)的主要IoT 調控設備包括室內的溫度調節(jié)器、濕度監(jiān)測儀以及室外的水位監(jiān)測儀、煙霧探測器，可以采用JavaScript 語言和Python 語言對其功能進行編程，以溫度調節(jié)器Thermostat 為例，主要Python語言代碼及解析如下：

……

#設置Thermostat溫度的初始值

autoCoolTemp=20

autoHeatTemp=19

……

#設置Thermostat的四種狀態(tài)

state=0 #0 off，1 cooling，2 heating，3 auto

STATE_NAMES=［“OFF”，“COOL”，“HEAT”，“AUTO”］

……

#設置IoT的客戶端

IoTClient.setup（｛

“type”：“Thermostat”，

“states”：［｛

“name”：“Status”，

“type”：“options”，

“options”：｛

0：“Off”，

1：“Cooling”，

2：“Heating”，

3：“Auto”

｝，

“controllable”：True

｝，｛

“name”：“Temperature”，

“type”：“number”，

“unit”：“°；C”，

“imperialUnit”：“°；F”，

#設置華氏溫度和攝氏溫度之間的換算

“toImperialConversion”：“x*1.8+32”，

“toMetricConversion”：“（x-32）/1.8”，

“decimalDigits”：1

｝，

……

#設置環(huán)境更新的延遲時間，這里為1000毫秒

def loop（）：

global temperature

temperature = Environment.get（“Ambient Temperature”）

updateEnvironment（）

measurementSystemChangeEvent（）

sendReport（）

delay（1000）

……

#設置環(huán)境更新的條件

def updateEnvironment（）：

global autoMode

autoCoolTemp=float（getDeviceProperty（getName（），“auto cool temp”））

autoHeatTemp=float（getDeviceProperty（getName（），“auto heat temp”））

digitalWrite（HEATER_PIN，LOW）

digitalWrite（COOLER_PIN，LOW）

#判斷環(huán)境的四種狀態(tài)

if state==0：

digitalWrite（HEATER_PIN，LOW）

digitalWrite（COOLER_PIN，LOW）

elif state==1：

digitalWrite（COOLER_PIN，HIGH）

elif state==2：

digitalWrite（HEATER_PIN，HIGH）

elif state==3：

if temperature>=autoCoolTemp：

digitalWrite（COOLER_PIN，HIGH）

elif temperature

digitalWrite（HEATER_PIN，HIGH）

……

3.4 設置IoT設備的控制條件

3.4.1 智能家居室內主要調控溫度和濕度

通過室內PC 登錄服務器，在“Condition”菜單中設置室內IoT 設備的控制條件為：①當Thermostat溫度≥26.0℃時，風扇低速運轉，門窗開啟，加溫器關閉；②當Thermostat溫度≥30.0℃時，風扇轉為高速運轉，噴灑滅火器開始噴水；③當Thermostat 溫度≤20.0℃時，風扇停止運轉，門窗關閉，加溫器啟動，臺燈打開；④按照我國室內空氣標準，夏季室內濕度以40%～80%為宜，冬季應控制在30%～60%［10］。這里以夏季室內濕度標準為參考，當Humidity Monitor 監(jiān)測濕度≤40%時，加濕器開啟，噴灑滅火器噴水；⑤當Humidity Monitor 監(jiān)測濕度≥80%時，風扇高速運轉，門窗開啟，如圖4所示。

圖4 智能家居室內控制條件設置

3.4.2 室外主要監(jiān)控車庫的煙霧情況以及草坪的水位狀況

通過智能手機以IPv6 地址登錄服務器，設置控制條件為：①環(huán)境中的消防煙感達到5%～15%OBS/M 時便會報警［11］。當Smoke Detector 檢測到車庫煙霧濃度≥15時，車庫門打開；②草坪濕度用土壤含水率進行分析，含水量在12%～15%就會產生缺水現(xiàn)象，植被需要灌溉澆水［12］，Water Level Monitor 以英寸/厘米為測量單位，當Water Level Monitor Lever<20.0 cm 時草坪噴灌器開始噴水，否則停止噴水，如圖5所示。

圖5 智能家居室外控制條件設置

4 結果驗證

4.1 動態(tài)IPv4/IPv6地址的獲取情況

經(jīng)過測試，智能手機、室內PC 以及所有IoT設備均能動態(tài)地獲得IPv4/IPv6地址，以智能手機為例來說明，自動獲取的IPv4 地址為192.168.1.2， DNS 服務器的 IP 地址為192.168.1.100；自動獲取的IPv6 地址為5001:1::202:4AFF:FE6B:B98E，IPv6 DNS 服務器地址為5001:1::1，如圖6所示。

圖6 智能手機自動獲取的IPv4/IPv6地址

4.2 網(wǎng)絡主機及設備之間的通信情況

室內PC、智能手機以及所有IoT 設備之間能相互通過IPv4/IPv6地址通信，以室內PC 分別ping 服務器的IPv4/IPv6 地址為例進行說明，如圖7所示。

圖7 室內PC分別ping服務器的IPv4/IPv6地址結果

4.3 IoT設備在服務器的注冊結果

IoT 設備通過自帶的“Remote Server”選項，輸入服務器IP 地址以及注冊的賬號、密碼進行遠程注冊，以IoT1_Fire Sprinkler 設備為例予以說明，如圖8 所示。IoT 設備注冊結果以室內設備為例進行說明，如圖9所示。

圖8 IoT1遠程注冊服務器

圖9 室內IoT設備在服務器的注冊結果

4.4 IPv4/IPv6雙棧物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)整體運行的情況

IPv4/IPv6雙棧物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)的IoT設備在服務器注冊后，有條不紊地按照預先設定的條件運轉，達到了智能調控的目的，提高了家居環(huán)境的舒適度，通過遠程或室內操控物聯(lián)網(wǎng)設備，讓生活更加便捷。

5 結語

智能家居系統(tǒng)作為物聯(lián)網(wǎng)時代的代表項目，成為行業(yè)的關注焦點。智能家居最基本的目標是給人們提供一個溫馨舒適、安全節(jié)能、方便高效的生活環(huán)境，自動化和信息化、設備互聯(lián)、安全可靠、組網(wǎng)靈活且擴展性能好、智能化程度高及操作簡便是物聯(lián)網(wǎng)智能家居設計的五個基本原則。本設計根據(jù)智能家居功能的需求，實現(xiàn)以下基本的功能：智能家電控制、智能燈光控制、智能溫濕控制、智能安全報警等，同時為了適應未來技術和應用服務的發(fā)展趨勢，以IPv6 過渡技術的IPv4/IPv6 雙棧協(xié)議應用于物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)，在仿真平臺上提供了一個應用案例。