IPv6物聯(lián)網(wǎng)智能感應門控系統(tǒng)的仿真實現(xiàn)

沈高峰

（浙江育英職業(yè)技術(shù)學院，浙江 杭州 310018）

1 引言

物聯(lián)網(wǎng)（The Internet of Things，IoT）是新一代信息技術(shù)的深度集成和綜合應用，包含兩層意思：物聯(lián)網(wǎng)是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上拓展的網(wǎng)絡(luò)，其核心和基礎(chǔ)仍然是互聯(lián)網(wǎng)；物聯(lián)網(wǎng)用戶端延伸到需要進行信息交換和通信的任何物體[1]。目前物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)產(chǎn)品已滲透到社會經(jīng)濟民生的各個層面，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、電力、建筑、交通、物流、環(huán)保、醫(yī)療、安保、家居等眾多領(lǐng)域得到廣泛應用。物聯(lián)網(wǎng)市場潛力巨大，2020年整體產(chǎn)值超過5萬億元規(guī)模[2]，良好的發(fā)展前景為眾多廠商帶來了機遇與挑戰(zhàn)。

物物相連的物聯(lián)網(wǎng)需要大量的IP地址資源，32位的IPv4地址遠遠無法滿足感知智能終端的聯(lián)網(wǎng)需求，特別是在智能家居、安全監(jiān)控、汽車通信、智能穿戴等普及之后，通信地址的需求將會成倍增加[3]。本文基于思科公司（Cisco）開發(fā)的Packet Tracer7.2軟件，通過智能家居中的門控系統(tǒng)仿真設(shè)計，實現(xiàn)IPv6在物聯(lián)網(wǎng)中的實際應用。

2 仿真場景部署與IPv6地址分配

Packet Tracer（簡稱PT）是思科網(wǎng)絡(luò)技術(shù)學院官方推出的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備模擬器，支持路由交換、安全、無線、物聯(lián)網(wǎng)的大部分實驗，能減少對真實網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的依賴，極大地擴展網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，提高學習效率。從PT7.0版本開始，增添了物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，包括家居（Home）、智慧城市（Smart City）、工業(yè)（Industrial）及電網(wǎng)（Power Grid）四個模塊以及面板（Boards）、執(zhí)行器（Actuators）和傳感器（Sensors）三個元件庫[4]，每個模塊包含若干IoT設(shè)備，如本文中需要用到的RFID Card（RFID卡）、RFID Reader（RFID讀卡器）、Trip Sensor（觸發(fā)傳感器）、Webcam（攝像頭）等。登錄方式分User Login（用戶登錄）和Guest Login（游客登錄）兩種，用戶登錄需要注冊Cisco Netacad帳戶，游客登錄則限制了網(wǎng)絡(luò)拓撲的保存次數(shù)[5]。

2.1 仿真場景及拓撲圖

IPv6物聯(lián)網(wǎng)智能感應門控系統(tǒng)由兩部分組成，一部分通過RFID卡（Radio Frequency Identification，射頻識別）操控，另一部分通過MCU（Micro Control Unit，微控制器）操控。RFID卡包括RFID讀卡器（RFID Reader）和RFID標簽卡，通過中心交換機與服務(wù)器（Server）、筆記本電腦（Laptop）、智能手機（Smartphone）及智能門（Smartdoor）相連。MCU連接切換按鈕（Toggle Push Button）、觸發(fā)傳感器（Trip Sensor）、攝像頭（Webcam）及智能門（Smartdoor）。智能手機通過無線AP接入中心交換機，設(shè)置兩者的SSID（Service Set Identifier，服務(wù)集標識符）均為“IPv6IoTTest”，認證方式（Authentication）采用安全性能較高的WPA-PSK，加密類型（Encryption Type）使用AES。除服務(wù)器本身外，其他連接到中心交換機的設(shè)備都將通過服務(wù)器動態(tài)分配IPv6地址，如圖1所示。

圖1 IPv6物聯(lián)網(wǎng)智能感應門控系統(tǒng)仿真拓撲圖

2.2 IPv6地址配置

按照RFC2373協(xié)議，128位的IPv6地址分為八個16位字段，每個字段必須包含一個十六進制數(shù)字，相鄰字段之間用冒號分隔，每段中連續(xù)的0可省略為“::”，但只能出現(xiàn)一次，IPv6用前綴來表示網(wǎng)絡(luò)地址空間[6]，如本文服務(wù)器的IPv6地址：6001:1::254/64。

DHCPv6(Dynamic Host Configuration Protocol for IPv6，IPv6動態(tài)主機配置協(xié)議)是一個用來分配IPv6地址、前綴以及DNS等配置的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，所有的協(xié)議報文都基于UDP數(shù)據(jù)報格式，客戶端使用546端口號，服務(wù)端使用547端口號。通過DHCPv6可以為主機分配特定的地址/前綴、DNS服務(wù)器、域名等配置參數(shù)，便于網(wǎng)絡(luò)的自動配置和管理[7]。

服務(wù)器通過手動方式配置IPv6地址，其他與服務(wù)器相連的設(shè)備通過DHCPv6自動獲取IPv6地址，如表1所示。

表1 服務(wù)器、與服務(wù)器相連設(shè)備IPv6地址配置表

3 DHCPv6設(shè)置和服務(wù)器注冊

在服務(wù)器中設(shè)置DHCPv6，域名“IPv6DHCP”，前綴“6001:1::/64”，租約有效生命期（Valid Lifetime）2592000秒，首選生命期（Preferred Lifetime）604800秒，如圖2所示。

圖2 服務(wù)器中DHCPv6設(shè)置

手動配置服務(wù)器和DNS的IPv6地址均為6001:1::254/64，在服務(wù)器中設(shè)置映射6001:1::254的域名“www.ipv6.com”。配置完畢后，連接服務(wù)器的設(shè)備都能自動獲取IPv6和DNS地址，以智能手機為例予以說明，如圖3所示。

圖3 智能手機通過DHCPv6自動獲取的IPv6和DNS地址

設(shè)備在獲取地址后，可以由筆記本電腦或智能手機通過域名、IPv6地址和IoT監(jiān)視器（IoT Monitor）三種方式在服務(wù)器注冊，這里以域名注冊為例予以說明，設(shè)置賬號和密碼均為“IPv6Test”，如圖4所示。

圖4 通過域名在服務(wù)器注冊的結(jié)果

4 智能感應門控系統(tǒng)控制模式

智能感應門控系統(tǒng)采用RFID標簽卡、觸發(fā)感應器和切換按鈕控制三種模式。RFID標簽卡和觸發(fā)感應器的控制條件在服務(wù)器中進行設(shè)置，切換按鈕的控制條件通過MCU編程實現(xiàn)。

4.1 RFID卡控制模式

設(shè)置2張RFID標簽卡的ID分別為2001和3001，RFID讀卡器獲取IPv6地址后，通過賬號密碼登錄服務(wù)器，設(shè)置控制條件為：①當RFID標簽卡的ID=0時，RFID讀卡器的狀態(tài)為“Waiting”；②當RFID標簽卡的ID>2000或ID<3000時，RFID讀卡器的狀態(tài)為“Valid”，此時攝像頭打開，門開啟；③當RFID標簽卡的ID<2000或ID>3000時，RFID讀卡器的狀態(tài)為“Invalid”，此時攝像頭關(guān)閉，門關(guān)閉。

4.2 觸發(fā)感應器控制模式

觸發(fā)感應器獲取IPv6地址后，通過賬號密碼登錄服務(wù)器，設(shè)置控制條件為：①感應器觸發(fā)后，攝像頭打開，門開啟；②否則，攝像頭關(guān)閉，門關(guān)閉。

4.3 切換按鈕控制模式

切換按鈕通過在MCU中編程對攝像頭和門進行調(diào)控。與MCU相連的設(shè)備接口分為數(shù)字接口和模擬接口，分別以D0～Dn和A0～An予以標識，對接口的讀操作有 digitalRead()、analogRead()、customRead()三種，寫操作有 digitalWrite()、analogWrite()、customWrite()三種，支持Java Scrip和Python兩種編程語言。根據(jù)PT設(shè)定的規(guī)則，切換按鈕的輸出口為D0，狀態(tài)為“0”時，未按下按鈕，狀態(tài)為“1”時，按下按鈕。MCU的輸入口為D0～Dn，讀取按鈕按下狀態(tài)為“1023”，使用Python語言進行編程。

（1）切換按鈕主要程序代碼

5 結(jié)果驗證

5.1 動態(tài)IPv6地址的獲取情況

經(jīng)過測試，所有連接服務(wù)器的設(shè)備均能動態(tài)地獲得IPv6地址，以REID讀卡器為例來說明，自動獲取的IPv6地址為6001:1::206:2AFF:FE2B:3E3D，如圖5所示。

圖5 REID讀卡器自動獲取的IPv6地址

5.2 設(shè)備之間的通信情況

具有IPv6地址的設(shè)備之間能相互通信，以智能手機pingRFID讀卡器的IPv6地址為例進行說明，如圖6所示。

圖6 智能手機ping RFID讀卡器IPv6地址結(jié)果

5.3 IoT設(shè)備在服務(wù)器的控制條件設(shè)置

IoT設(shè)備在動態(tài)獲取IPv6地址后，通過自帶的“RemoteServer”選項，以賬號密碼“IPv6Test”遠程注冊后，在服務(wù)器中可以設(shè)置控制條件，如圖7所示。

圖7 在服務(wù)器中設(shè)置IoT設(shè)備的控制條件

5.4 系統(tǒng)整體運行情況

經(jīng)測試，無論是連接服務(wù)器的IoT設(shè)備還是由MCU控制的IoT設(shè)備，都能按照設(shè)定的控制條件，智能地感應并控制攝像頭和門的開啟與關(guān)閉，如將RFID卡_2001靠近RFID讀卡器時，RFID讀卡器讀取ID為“2001”，攝像頭和門立即開啟，而當RFID卡_3001靠近RFID讀卡器時，RFID讀卡器讀取ID為“3001”，攝像頭和門立刻關(guān)閉，如圖8所示。同理，當按下切換按鈕時，MCU讀取到按鈕傳遞過來的數(shù)字“1023”，將“1”分別寫入到攝像頭和門的數(shù)字接口，此時攝像頭和門開啟。系統(tǒng)整體運行穩(wěn)定，提高了家居生活的安全性和便捷性。

圖8 RFID讀卡器分別讀取RFID卡_2001和RFID卡_3001的結(jié)果

6 結(jié)語

物聯(lián)網(wǎng)從概念到技術(shù)研究已取得突破性進展，如今促進國內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的政策、產(chǎn)業(yè)環(huán)境以及支撐其運行的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)正在逐漸完善，在“加強新一代信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)”政策推動下，中國加快推動IPv6、NB-IoT、5G等網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，物聯(lián)網(wǎng)應用從閉環(huán)、碎片化走向開放、規(guī)?；?，長城戰(zhàn)略咨詢（GEI）預測，中國物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)未來10年將向3個階段發(fā)展（應用創(chuàng)新、技術(shù)創(chuàng)新、服務(wù)創(chuàng)新），形成三大細分市場（傳感器、RFID、M2M）。智能門控系統(tǒng)是一種出入口門禁安全管理系統(tǒng)，集自動識別功能和智能管理措施為一體。將IPv6與物聯(lián)網(wǎng)融合在一起，自動識別系統(tǒng)采用RFID標簽卡及RFID讀卡器，智能控制系統(tǒng)包括切換按鈕和觸發(fā)感應器，通過仿真實現(xiàn)的方法，節(jié)約了開發(fā)成本，提高了應用效率，同時為物聯(lián)網(wǎng)的拓展應用提供了一種思路和解決方案。