IPv4/IPv6双栈物联网智能家居系统设计与仿真实现
2023-06-27吴薇薇李清平
吴薇薇，李清平
（浙江育英职业技术学院信息技术学院，杭州 310018）
0 引言
随着通信技术、计算机技术和电子技术的不断发展，移动通信正在从人与人（Human to Human，H2H）向人与物（Human to Machine，H2M），以及物与物（Machine to Machine，M2M）通信的方向发展，万物互联成为移动通信发展的必然趋势，物联网（Internet of Things，IoT）正是在此背景下应运而生，其被认为是继计算机、互联网之后，世界信息产业的第三次浪潮，应用开发前景广阔，产业带动能力强［1］。思科（Cisco）公司预测，未来十年，物联网将为全球公司和行业创造价值高达14.4 万亿美元的机遇，对整个社会所带来的影响将是互联网的5～10倍［2］。欧美国家已纷纷将发展物联网纳入整体信息化战略，我国也已将物联网明确纳入国家中长期科学和技术发展规划（2006—2020 年）及2050年国家产业路线图。
物联网作为一项前沿技术，已经逐步融入生产生活的许多应用场景，广泛应用在交通、物流、环保、电力等领域，人们在潜移默化中感受到物联网的影响。整个物联网应用市场的细化特点也日益显现，家居的智能化就是利用物联网技术将独立家居设备进行联网互通，实现设备间的资源和信息共享。
由于IPv4 网络地址数量匮乏、安全性等问题，制约物联网、5G 等新业务的开展，IPv6 网络将成为互联网新业务发展与运用的强有力支撑［3］。但囿于Internet 的规模以及目前网络中数量庞大的IPv4 用户和设备，IPv4 到IPv6 的过渡不可能一次性实现，而且目前许多企业和用户的日常工作越来越依赖于Internet，所以IPv4 到IPv6的过渡必然是一个循序渐进的过程［4］。IPv4到IPv6 的过渡技术中，双栈技术是在IPv6 结点中嵌入IPv4 协议栈，无需构造隧道，既不影响现有IPv4 业务，又可以满足IPv6 的新需求，实现相对简单［5］。
1 仿真平台概述
IPv4/IPv6 双栈物联网智能家居系统仿真平台采用思科公司开发的Packet Tracer软件，该软件支持多种服务器，功能强大，用户可以直接利用虚拟环境搭建网络拓扑。7.1 版本操作界面简洁，提供的物联网模块包括家居（Home）、智慧城市（Smart City）、工业（Industrial）及电网（Power Grid），每个模块下面又包含若干IoT 设备［6］，如本实验用到的Furnace（加温器）、Thermostat（温度调节器）、Humidity Monitor（湿度监测仪）、Fire Sprinkler（喷洒灭火器）、Smoke Detector（烟雾探测器）、Water Level Monitor（水位监测仪）等，基本可以满足一个物联网智能家居的系统设计需求。
2 仿真场景部署与IPv4/IPv6地址分配
2.1 仿真场景及拓扑图
IPv4/IPv6 双栈物联网智能家居系统由室内和室外两部分组成，如图1所示。室内部分包括Fire Sprinkler（喷洒灭火器）、Fan（风扇）、Window（窗）、Door（门）、Smart LED（智能LED）、Light（台灯）、Humidifier（加湿器）、Humidity Monitor（湿度监测仪）、Thermostat（温度调节器）、Furnace（加温器），以IoT1～IoT10 予以标识，通过室内PC 进行调控。室外部分包括Garage Door（车库门）、Home Speaker（音响设备）、Lawn Sprinkler（草坪喷灌器）、Water Level Monitor（水位监测仪）、Smoke Detector（烟雾探测器），以IoT11～IoT15 予以标识，通过智能手机进行调控。所有物联网设备以及调控设备都连接到中心交换机，并通过服务器（Server）获取IP地址并进行注册。智能手机通过无线路由器接入中心交换机，设置两者的服务集标识符（service set identifier，SSID）均为“SmartHome”，认证方式（Authentication）采用AES 加密算法的WPA2-PSK。
2.2 IPv4/IPv6地址分配
海量的地址是移动互联网、物联网、5G 等应用深入发展的基础，128bit的IPv6成为这些新兴领域的刚需，据预测未来5 年全球将有500 亿物联网终端接入，到2025 年我国在IPv6 网络规模、用户规模和流量规模三个关键性指标方面将位居世界前列［7］。
受到终端及运营商网络IPv6 能力的限制，互联网业务的IPv6 改造不可能一蹴而就，因此IPv4 和IPv6 的并存将会持续相当长时间，数据中心（服务器）作为应用基础设施的重要部分，需要同时支撑IPv4业务和IPv6业务。
图1 IPv4/IPv6双栈物联网智能家居系统仿真拓扑
动态主机配置协议（dynamic host configuration protocol，DHCP），使用UDP 工作的局域网（LAN）网络协议，给内部网络或网络服务供应商自动分配IP 地址，或给用户或内部网络管理员作为对所有计算机进行统一管理的手段［8］。IPv6 动态主机配置协议（dynamic host configuration protocol for IPv6，DHCPv6）是运行在客户端和服务端之间的协议，与IPv4 中的DHCP 一样，所有的协议报文都基于UDP 协议，但由于在IPv6中没有广播报文，因此DHCPv6使用组播报文［9］。
服务器通过手动方式配置IPv4/IPv6 地址，室内外所有的IoT 设备、智能手机、室内PC 通过服务器自动获取IPv4/IPv6地址，如表1所示。
表1 服务器、IoT设备、智能手机、室内PC的IPv4/IPv6地址分配
3 主要配置命令及解析
3.1 配置服务器
（1）按照表1 的要求完成服务器的IPv4/IPv6地址静态配置。
（2）在服务器“services” 菜单的“DHCP”选项中配置DHCP动态池，命名为“toipv4”，起始IPv4 地址为192.168.1.1， 子网掩码为255.255.255.0，最大可分配数目为200。
（3）在“DHCPv6”选项中配置DHCPv6 动态池，命名为“toIPv6IoT”，IPv6前缀为5001:1::1/64，有效生存周期（valid lifetime）为2592000秒，推荐生存周期（preferred lifetime）为604800秒。在推荐生存周期结束之前，5001:1::1/64 可以访问其他设备或者被访问；如果推荐生存周期到了，而有效生存周期没到，那么该地址只可以被访问，不能主动访问别人；当有效生存周期也到了，该地址则失效。
（4）在“IoT”选项中点击“on”单选框，开启服务器的注册功能。
3.2 设置注册账号密码
智能手机和室内PC 在动态获取IP 地址后，可以通过IP 地址、域名和IoT 监视器（IoT Monitor）三种方法在服务器中分别进行IPv4/IPv6 注册，这里以智能手机为例，通过Web 浏览器以IPv6 地址登录服务器设置注册账号和密码为“IPv6Test”，如图2和图3所示。
图2 智能手机在服务器中注册IPv6账号和密码
图3 服务器中注册成功的IPv6账号和密码
3.3 编写主要IoT调控设备代码
IPv4/IPv6 双栈物联网智能家居系统的主要IoT 调控设备包括室内的温度调节器、湿度监测仪以及室外的水位监测仪、烟雾探测器，可以采用JavaScript 语言和Python 语言对其功能进行编程，以温度调节器Thermostat 为例，主要Python语言代码及解析如下：
……
#设置Thermostat温度的初始值
autoCoolTemp=20
autoHeatTemp=19
……
#设置Thermostat的四种状态
state=0 #0 off，1 cooling，2 heating，3 auto
STATE_NAMES=［“OFF”，“COOL”，“HEAT”，“AUTO”］
……
#设置IoT的客户端
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”，
#设置华氏温度和摄氏温度之间的换算
“toImperialConversion”：“x*1.8+32”，
“toMetricConversion”：“（x-32）/1.8”，
“decimalDigits”：1
｝，
……
#设置环境更新的延迟时间，这里为1000毫秒
def loop（）：
global temperature
temperature = Environment.get（“Ambient Temperature”）
updateEnvironment（）
measurementSystemChangeEvent（）
sendReport（）
delay（1000）
……
#设置环境更新的条件
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）
#判断环境的四种状态
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） …… 3.4.1 智能家居室内主要调控温度和湿度 通过室内PC 登录服务器，在“Condition”菜单中设置室内IoT 设备的控制条件为：①当Thermostat温度≥26.0℃时，风扇低速运转，门窗开启，加温器关闭；②当Thermostat温度≥30.0℃时，风扇转为高速运转，喷洒灭火器开始喷水；③当Thermostat 温度≤20.0℃时，风扇停止运转，门窗关闭，加温器启动，台灯打开；④按照我国室内空气标准，夏季室内湿度以40%～80%为宜，冬季应控制在30%～60%［10］。这里以夏季室内湿度标准为参考，当Humidity Monitor 监测湿度≤40%时，加湿器开启，喷洒灭火器喷水；⑤当Humidity Monitor 监测湿度≥80%时，风扇高速运转，门窗开启，如图4所示。 图4 智能家居室内控制条件设置 3.4.2 室外主要监控车库的烟雾情况以及草坪的水位状况 通过智能手机以IPv6 地址登录服务器，设置控制条件为：①环境中的消防烟感达到5%～15%OBS/M 时便会报警［11］。当Smoke Detector 检测到车库烟雾浓度≥15时，车库门打开；②草坪湿度用土壤含水率进行分析，含水量在12%～15%就会产生缺水现象，植被需要灌溉浇水［12］，Water Level Monitor 以英寸/厘米为测量单位，当Water Level Monitor Lever<20.0 cm 时草坪喷灌器开始喷水，否则停止喷水，如图5所示。 图5 智能家居室外控制条件设置 经过测试，智能手机、室内PC 以及所有IoT设备均能动态地获得IPv4/IPv6地址，以智能手机为例来说明，自动获取的IPv4 地址为192.168.1.2， DNS 服务器的 IP 地址为192.168.1.100；自动获取的IPv6 地址为5001:1::202:4AFF:FE6B:B98E，IPv6 DNS 服务器地址为5001:1::1，如图6所示。 图6 智能手机自动获取的IPv4/IPv6地址 室内PC、智能手机以及所有IoT 设备之间能相互通过IPv4/IPv6地址通信，以室内PC 分别ping 服务器的IPv4/IPv6 地址为例进行说明，如图7所示。 图7 室内PC分别ping服务器的IPv4/IPv6地址结果 IoT 设备通过自带的“Remote Server”选项，输入服务器IP 地址以及注册的账号、密码进行远程注册，以IoT1_Fire Sprinkler 设备为例予以说明，如图8 所示。IoT 设备注册结果以室内设备为例进行说明，如图9所示。 图8 IoT1远程注册服务器 图9 室内IoT设备在服务器的注册结果 IPv4/IPv6双栈物联网智能家居系统的IoT设备在服务器注册后，有条不紊地按照预先设定的条件运转，达到了智能调控的目的，提高了家居环境的舒适度，通过远程或室内操控物联网设备，让生活更加便捷。 智能家居系统作为物联网时代的代表项目，成为行业的关注焦点。智能家居最基本的目标是给人们提供一个温馨舒适、安全节能、方便高效的生活环境，自动化和信息化、设备互联、安全可靠、组网灵活且扩展性能好、智能化程度高及操作简便是物联网智能家居设计的五个基本原则。本设计根据智能家居功能的需求，实现以下基本的功能：智能家电控制、智能灯光控制、智能温湿控制、智能安全报警等，同时为了适应未来技术和应用服务的发展趋势，以IPv6 过渡技术的IPv4/IPv6 双栈协议应用于物联网智能家居系统，在仿真平台上提供了一个应用案例。3.4 设置IoT设备的控制条件
4 结果验证
4.1 动态IPv4/IPv6地址的获取情况
4.2 网络主机及设备之间的通信情况
4.3 IoT设备在服务器的注册结果
4.4 IPv4/IPv6双栈物联网智能家居系统整体运行的情况
5 结语
