基于IPv6與Z-Wave智能網(wǎng)關(guān)的智慧教室系統(tǒng)設(shè)計

施榮華 彭楊洋 胡超

摘要：針對IPv4協(xié)議支持智能網(wǎng)關(guān)不足和智能空間網(wǎng)絡(luò)中的智能設(shè)備相互操作性弱、相互通信不穩(wěn)定問題，基于MIPS微處理器和OpenWRT操作系統(tǒng)，設(shè)計支持純IPv6協(xié)議和Z-Wave無線通信協(xié)議的智能網(wǎng)關(guān)，以IPSec和Qos保證智能網(wǎng)關(guān)的安全性和服務(wù)質(zhì)量，構(gòu)建了以智能網(wǎng)關(guān)為核心的智慧教室系統(tǒng)。實驗結(jié)果表明：該智慧教室系統(tǒng)運(yùn)行良好，通過基于IPv6和Z-Wave的智能網(wǎng)關(guān)能解決智能設(shè)備的IP地址缺少和通信易干擾問題，從而實現(xiàn)Web遠(yuǎn)程控制的同時提高了智慧教室系統(tǒng)的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：IPv6;Z-Wave;智能設(shè)備;智能網(wǎng)關(guān);多業(yè)務(wù)

中圖分類號：TP273

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

隨著IPv6技術(shù)和無線通信技術(shù)的發(fā)展，智慧教室在教育行業(yè)得到了越來越多的應(yīng)用和關(guān)注。智慧教室系統(tǒng)不僅可以使教師的管理更輕松，而且能夠提供給教師更加靈活的交互式教學(xué)，智能網(wǎng)關(guān)作為智慧教室的一個重要組成部分，在智慧教室網(wǎng)絡(luò)中起著核心的作用。一方面通過智能網(wǎng)關(guān)使教室內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)和外部網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互聯(lián)，另一方面通過智慧教室綜合管理平臺實現(xiàn)Web運(yùn)程管理，教師不僅可以方便地訪問智慧教室內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，通過Z-Wave技術(shù)管理和操作這些智能設(shè)備，而且可以快速地訪問外部網(wǎng)絡(luò)（如Intemet）。同時考慮系統(tǒng)的安全性和服務(wù)質(zhì)量，該智能網(wǎng)關(guān)必須支持IPv6的IPsec和QOs協(xié)議。在此基礎(chǔ)上研究基于IPv6和Z-Wave智能網(wǎng)關(guān)的智慧教室系統(tǒng)。

智能網(wǎng)關(guān)是構(gòu)建智能空間的核心設(shè)備。文獻(xiàn)[1]提出基于ZigBee的IAGW （lntegrated access Gate-way）網(wǎng)關(guān)。該網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)了終端管理和業(yè)務(wù)處理相分離，但不能實現(xiàn)其遠(yuǎn)程控制只能對網(wǎng)關(guān)參數(shù)進(jìn)行簡單的配置。文獻(xiàn)[2]提出一種無線網(wǎng)關(guān)，使用HTML5畫布技術(shù)開發(fā)的基于Web設(shè)計網(wǎng)關(guān)的軟件架構(gòu)，但此網(wǎng)關(guān)的內(nèi)部和外部僅提供一個端口，且不支持遠(yuǎn)程管理和多業(yè)務(wù)形式。文獻(xiàn)[3]設(shè)計了一個智能家庭網(wǎng)關(guān)，描述其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、軟件應(yīng)用服務(wù)及提供了一些應(yīng)用編程接口（API）的中間件，但是也只涉及了如何設(shè)計軟件層次方面。而文獻(xiàn)[4]又在基于OSGI和Java Web技術(shù)研究了DOG（Domotic OSGi Gate-way）網(wǎng)關(guān)，此網(wǎng)關(guān)采用輕量級的方法來管理不同的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)。文獻(xiàn)[耳沒計了一種基于互聯(lián)網(wǎng)的移動網(wǎng)關(guān)，支持ZigBee通信協(xié)議。同時其用戶平臺與智能云系統(tǒng)相結(jié)合，用戶可以根據(jù)自己的需求配置設(shè)備。文獻(xiàn)[6]基于無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計了一種IPv4/IPv6的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)，實現(xiàn)了對智能設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控和智能報警。文獻(xiàn)[7-8]針對基于有線互聯(lián)網(wǎng)和無線MANET的互連的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，分別設(shè)計了一般的非異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，并提出了一種將網(wǎng)關(guān)負(fù)載平衡和自適應(yīng)網(wǎng)關(guān)發(fā)現(xiàn)結(jié)合在一起的機(jī)制。

然而以上文獻(xiàn)提出的多數(shù)網(wǎng)關(guān)都只在應(yīng)用網(wǎng)關(guān)層次，如基于Java Web設(shè)計的DOG網(wǎng)關(guān)，只考慮了軟件層面的設(shè)計和實現(xiàn)。要么基于雙協(xié)議棧和IPv4協(xié)議，不能支持純IPv6協(xié)議;要么設(shè)計支持ZigBee協(xié)議，不支持Z-Wave協(xié)議;要么功能有限，接口類型單一，不能支持多業(yè)務(wù)類型;要么只考慮網(wǎng)關(guān)的多功能實現(xiàn)，沒有考慮其安全性和服務(wù)質(zhì)量。因此，設(shè)計一個基于IPv6和Z-Wave的智能網(wǎng)關(guān)。

1 智能網(wǎng)關(guān)的總體設(shè)計

智能網(wǎng)關(guān)是用來連接智慧教室內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)和外部網(wǎng)絡(luò)的，并且提供地址轉(zhuǎn)換、路由查找、協(xié)議轉(zhuǎn)換和Web服務(wù)等功能的。用戶通過Web服務(wù)和Z-Wave技術(shù)來訪問智慧教室內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)和控制內(nèi)部智能設(shè)備。下面是智慧網(wǎng)關(guān)和智能設(shè)備聯(lián)系如圖1所示：

1.1 智能網(wǎng)關(guān)的硬件設(shè)計

智能網(wǎng)關(guān)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

智能網(wǎng)關(guān)接口類型為：（1）局域網(wǎng)內(nèi)部接口：無線（802.11，比如Wi-Fi），有線以太網(wǎng)，USB，Z-Wave;（2）局域網(wǎng)外部接口：ADSL，有線以太網(wǎng)。

1.1.1 智能網(wǎng)關(guān)接口設(shè)計

智能網(wǎng)關(guān)接口設(shè)計具體如下：

（1）支持IPv6協(xié)議：通過MIPS微處理器實現(xiàn)路由數(shù)據(jù)包的高速轉(zhuǎn)發(fā)及對IPv6協(xié)議的支持。

（2）廣域網(wǎng)（WAN）接口和局域網(wǎng)（LAN）接口：MIPS控制器通過物理層，提供一個10/IOOMWAN接口和4個10/IOOMLAN接口。

（3）ADSI接口：考慮與ADSL控制器的兼容性問題，采用數(shù)字用戶線路（Digital Subscriber Line，DSL）處理芯片Broadcom BCM5709。

（4）Z-Wave接口：采用Sigma Designs公司的500系列芯片。它擁有最大I/0速率的最小模塊，設(shè)計主要針對智能網(wǎng)關(guān)的串行接口模塊。

（5）Wi-Fi接口：通過802.llb/g/n和Wi-Fi無線網(wǎng)卡，提供無線接人功能。

1.1.2 微處理器

考慮到多業(yè)務(wù)和高速寬帶需求，微處理器采用Imagination公司最新的64位處理器MIPS 16400CPU，是一種結(jié)合64位元架構(gòu)與硬件虛擬化技術(shù)的IP核心，實行多指令、多核心與多集群一致處理（ multi-cluster coherent processing）技術(shù)，能提供可擴(kuò)展的功能，并且在指令集、性能、功耗、核心面積等方面都全面領(lǐng)先其他對手?？偟膩碚f，16400 CPU是多線程、多內(nèi)核和多集群以相互結(jié)合方式來設(shè)計，每個核心能夠支持4個線程，每個集群又能夠支持最多6核心，每枚芯片能支持64個集群，這種多線程特性能夠滿足處理多條指令流，支持多種業(yè)務(wù)類型的功能需求。不僅如此，高性能、低功耗也是MIPS 16400的又一大特性，它能夠在高峰值頻率上同時應(yīng)對不同的工作任務(wù)，為了節(jié)省功能消耗先完成其需求低的進(jìn)程。一個高性能、低功耗的MIPS16400配置包含多個MIPS 16400 CPU、一致性管理器和額外寄存器組的一個集群。

1.2 智能網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計

智能網(wǎng)關(guān)的軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

基于分層的思想，可以把智能網(wǎng)關(guān)的軟件結(jié)構(gòu)主要分為兩層：服務(wù)層、系統(tǒng)層。其中服務(wù)層采用Spring DM框架，主要是包括智慧教室綜合管理平臺服務(wù)和地址自動配置、安全協(xié)議、服務(wù)質(zhì)量等;系統(tǒng)層采用的是Linux OpenWrt操作系統(tǒng)。

1.2.1 0penWrt操作系統(tǒng)

OpenWrt是用于路由器和嵌入式設(shè)備的GNU/Linux發(fā)行版操作系統(tǒng)，也是一種高度模塊化、高度自動化的嵌入式Linux系統(tǒng)[9-11]。它擁有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)組件和擴(kuò)展性，常常被用于工控設(shè)備、電話、小型機(jī)器人、智能家居、路由器以及VOIP設(shè)備中[12]。對于用戶來說，可以通過WEB界面對智能網(wǎng)關(guān)進(jìn)行操作，OpenWRT中WEB是LuCI編寫的，LuCI提供了豐富的接口，同時將用戶的配置保存在臨時文件中，并調(diào)用linux中的腳本來進(jìn)行實際應(yīng)用。配置文件對OpenWRT的作用是不言而喻，其各模塊的配置文件（在/etc/config/下），不僅專業(yè)人員能進(jìn)入OpenWRT系統(tǒng)內(nèi)核中修改，而且一般用戶也能同構(gòu)WEB頁面來修改。由于OpenWRT的易擴(kuò)展性，其對大多數(shù)硬件和平臺都有很好的支持，除此之外還支持鏈路狀態(tài)路由（OISR）網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，該協(xié)議能夠讓用戶同時使用多個OpenWRT設(shè)備，建立臨時的移動網(wǎng)絡(luò)。而且在頻繁更換軟件的情況下，不需要重新刷新固件就能進(jìn)行修改。同時Open-WRT支持多種處理器架構(gòu)，尤其對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，一次提供一個抽象硬件層和包管理機(jī)制;OPVG包管理系統(tǒng)是一個與桌面級Linux使用的apt -get，pac-man，yum等同級別的包管理系統(tǒng)，可以獲取豐富的軟件資源[13]。

1.2.2 基于IPv6的OpenWRT

目前主流的智能網(wǎng)關(guān)應(yīng)用，其通用的IPv6技術(shù)大多數(shù)都可以支持。IPv6巨大的地址空間很好的解決了IPv4地址不足的缺陷。在搭建智慧教室內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)方面具有很大的優(yōu)勢主要有以下幾點(diǎn)：

（I）IP地址充足：通過智能網(wǎng)關(guān)它可以為每個智能設(shè)備分配一個IP地址并且訪問IPv6網(wǎng)絡(luò)，這是相對于IPv4的最大優(yōu)勢，它能夠建立客戶端到設(shè)備終端的應(yīng)用服務(wù)。

（2）更強(qiáng)的自動配置能力：IPv6可以使得在智慧教室網(wǎng)絡(luò)中增添具有網(wǎng)絡(luò)功能的智能設(shè)備時，無需做任何配置。

（3）移動性支持：用戶不進(jìn)行額外的操作即可在移動的狀態(tài)下通過手機(jī)APP端來控制智慧教室網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備。

（4）安全性高和Qos支持：在保證用戶與智能設(shè)備之間通信安全的同時保護(hù)智慧教室網(wǎng)絡(luò)。此外由于Qos作為IPv6報頭的一部分可以確保智慧教室網(wǎng)絡(luò)的高速率通信。

（5）部署純IPv6網(wǎng)絡(luò)：大大的簡化了智慧教室內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的配置，同時通過IPv6技術(shù)還能研發(fā)那些受網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)性限制的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用[14]。

于是在OpenWRT上如何配置IPv6就變得極為重要，OpenWRT上的IPv6鏈接主要有三種方式：PPP、隧道代理和靜態(tài)分配。我們采用隧道代理方式，首先安裝一個叫做“6scripts”的包并編輯地址為“/etc/config/6tunnel”的文件做如下設(shè)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隧道設(shè)置好IPv6的接口名稱

remoteip4：通過6in4隧道建立遠(yuǎn)程終端IP地址，該地址由隧道代理提供

localip4：建立6in4隧道的路由器IP地址，它通常對應(yīng)你的WAN口IP地址

localip6：由隧道代理提供的隧道另一邊的IPv6地址

prefix：IAN口設(shè)置的IPv6前綴

用同一個包你也可以設(shè)置一個IPv6橋接：

config 6bridge;

option bridge' br6;

其默認(rèn)的腳本橋接了WAN口和LAN口并用以太網(wǎng)防火墻濾掉了一切非IPv6部分的東西。

1.2.3 基于Z-Wave的智能網(wǎng)關(guān)

Z-Wave是由丹麥公司Zensys開發(fā)的無線組網(wǎng)規(guī)格，是一種基于射頻的低成本、結(jié)構(gòu)簡單、低功耗、高可靠性、適用于網(wǎng)絡(luò)的雙向短距離無線通信技術(shù)[15]。在Z-Wave網(wǎng)絡(luò)中主要有兩種設(shè)備：控制器、從機(jī)設(shè)備。在此系統(tǒng)中智能網(wǎng)關(guān)就是控制器，它具有唯一的網(wǎng)絡(luò)識別碼，當(dāng)控制器添加一個智能設(shè)備到網(wǎng)絡(luò)時，就會給設(shè)備分配網(wǎng)絡(luò)識別碼和節(jié)點(diǎn)識別碼，網(wǎng)絡(luò)識別碼表示設(shè)備屬于同一個無線網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)識別碼識別同一個網(wǎng)絡(luò)中的不同設(shè)備。用戶可通過Z-Wave來控制智能設(shè)備之間的通信，做到了在一個地方上就能操控所有智能設(shè)備。以控制燈光照明為例如圖4所示。

為了保證智能設(shè)備之間的通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)可靠性和完整性驗證是必不可少的。通過嵌入一個8位的校驗總和到數(shù)據(jù)幀中，校驗總和滲透整個數(shù)據(jù)幀，只有在確認(rèn)校驗總和無誤后，這個帳才是有效幀;同時為確保發(fā)送端會收到來自接收端的反饋，而接收端也會執(zhí)行相關(guān)的指令，接收端必須確認(rèn)每一個收到的指令。采用邏輯異或（ Exclusive OR）運(yùn)算，結(jié)合從網(wǎng)絡(luò)識別碼到校驗總和之前的字節(jié)。下面是在C程序語言中的校驗總和算法。

C語言校驗總和算法：

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智能設(shè)備之間交換的信息叫做指令。主要可以分為三大類：要求一個設(shè)備做一些事（Set）;要求一個設(shè)備反饋一些信息（Get）;向一個設(shè)備提供特定數(shù)值或狀態(tài)的報告（ Report）。根據(jù)不同的設(shè)備類型，Set、Get及Report指令代表不同的操作，以調(diào)節(jié)燈光的指令集操作（Operate -Multi-level Switch）為例。Z-Wave將所有指令整合在一起稱為指令集（ Command Class），指令集中的指令是由一個單字節(jié)數(shù)字來識別的，如圖5為指令集布局，其中CS表示幀校驗總和。Operate-Multilevel Switch ：

Commands to Node

Set（ 0）

Get（ ）

DIMSTART（ direction）

DIMSTOP（ ）

Commands from Node

·Report（message）

首先控制器設(shè)置Set （0）燈光的初始狀態(tài)：開（1）或關(guān)（0），然后控制器發(fā)送請求給執(zhí)行器要求得到Get（）燈光的狀態(tài);執(zhí)行器反饋Report（ message）信息給控制器，對Get指令做出回應(yīng)。其中DIM-START（ direction）和DIMSTOP（）表示指令啟動調(diào)光的開始和停止。

Z-Wave作為新興的無線通信網(wǎng)技術(shù)，與目前主流的ZigBee技術(shù)相比有明顯的特點(diǎn)，優(yōu)勢如下：

（1）標(biāo)準(zhǔn)不同：Z-Wave聯(lián)盟是ITU -T G.9959（國際電信聯(lián)盟）標(biāo)準(zhǔn)的主導(dǎo)制定單位之一，眾所周知，ITU聯(lián)盟是通信行業(yè)的核心標(biāo)準(zhǔn)制定者。而ZigBee協(xié)議屬于IEEE 802.15.4（國際電氣電子工程師學(xué)會）制定的協(xié)議，相對而言，通信行業(yè)協(xié)議比電器電子協(xié)議更適用于物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)。

（2）抗干擾性：Z-Wave 868.42Mhz頻段較Zig-Bee 2.4G頻段而言，由于更少受到2.4G WIFI頻段的干擾，因此傳輸更穩(wěn)定，抗干擾能力更強(qiáng)。實驗室測試結(jié)果也證明，采用ZigBee的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在2.4G的WIFI環(huán)境中會經(jīng)常出現(xiàn)控制不到的情況，通過示波器檢測，ZigBee設(shè)備會與WIFI 2.4G頻段出現(xiàn)串?dāng)_等情況，導(dǎo)致了穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性的降低。

（3）兼容性問題：Z-Wave聯(lián)盟是一個產(chǎn)品強(qiáng)制檢測的機(jī)構(gòu)，在選擇加入聯(lián)盟的NDA（保密協(xié)議）中有專門條款對商用產(chǎn)品必須通過Z-Wave聯(lián)盟的測試（目前國際上有三個測試機(jī)構(gòu)：中國、美國、丹麥），因此100%保證了商用產(chǎn)品的兼容性。而ZigBee在應(yīng)用層沒有一個標(biāo)準(zhǔn)的定義，因此來自不同廠家的智能設(shè)備在同一個通信網(wǎng)絡(luò)不能相互操作。

1.2.4 基于Web的智慧教室綜合管理平臺

為了便于管理智能設(shè)備，基于Web技術(shù)設(shè)計了智慧教室綜合管理平臺，平臺主要要的功能模塊有：控制臺、教室管理、能耗監(jiān)測、系統(tǒng)設(shè)置、統(tǒng)計分析等。如圖6所示。用戶連上WiFi登人Web平臺主界面即可通過智能網(wǎng)關(guān)來操縱和配置教室的所有教學(xué)設(shè)備。

2 系統(tǒng)測試

2.1 Web測試

用戶通過PC端連上智能網(wǎng)關(guān)的WiFi，在瀏覽器地址欄輸入[2001：250：4400：65：：1]：68即可跳轉(zhuǎn)到智慧教室綜合管理平臺。用戶在系統(tǒng)設(shè)置界面可以實時查看教室內(nèi)受控設(shè)備及傳感設(shè)備的信息及工作狀態(tài)，并能統(tǒng)一或個別控制智能設(shè)備。如圖7所示，投影儀和電視的IP地址分別是：2001：250：4400：65：：a和2001：250：4400：65：：b，即每個設(shè)備都有一個IPv6地址，同時可以刪除或編輯設(shè)備。

2.2 響應(yīng)測試

設(shè)計基于IPv6的智能網(wǎng)關(guān)比基于傳統(tǒng)IP協(xié)議的網(wǎng)關(guān)在許多方面做出了改進(jìn)，如路由查找、地址自動配置、傳輸速率、安全性和服務(wù)質(zhì)量等。測試兩次試驗：基于IPv4或IPv6的網(wǎng)關(guān)。通過Z-Wave控制電燈照明得到的響應(yīng)時間（其他影響因素都相同）來判斷其優(yōu)劣性。如圖8所示，從圖中可以看出基于IPv6的平均響應(yīng)時間要低于IPv4，證明前者要優(yōu)于后者。由于IPv6報文是由IPv4報文簡化而來，當(dāng)數(shù)據(jù)包通過智能網(wǎng)關(guān)時，前者處理數(shù)據(jù)速率要略高于后者。

3 結(jié)論

從智能設(shè)備和智能網(wǎng)關(guān)的現(xiàn)狀人手，分析IPv6協(xié)議和Z-Wave協(xié)議的優(yōu)勢，提出基于IPv6和Z-Wave的智慧教室網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)方法。將Web平臺與智能網(wǎng)關(guān)相結(jié)合，實現(xiàn)在IPv6網(wǎng)絡(luò)中用戶可以很方便的訪問外部網(wǎng)絡(luò)，同時通過Z-Wave也能快速的和教室內(nèi)部資源進(jìn)行通信。實驗結(jié)果表明：用戶通過該智能網(wǎng)關(guān)的Web平臺能夠配置所有智能設(shè)備，并且為每一個智能設(shè)備分配一個IPv6地址，IPv6的自動配置能力和支持移動性能力大大提高了教師的上課效率同時教師的服務(wù)體驗更佳;最后，如果使用IPv4協(xié)議系統(tǒng)則缺乏安全性，而IPv6不同IPsec作為IPv6報頭的必選項能夠確保系統(tǒng)的安全性。但是沒有對基于IPv6的智能網(wǎng)關(guān)的安全性做相關(guān)分析和驗證，今后將對其做進(jìn)一步研究。

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