沈高峰

（浙江育英职业技术学院，浙江 杭州 310018）

1 引言

物联网（The Internet of Things，IoT）是新一代信息技术的深度集成和综合应用，包含两层意思：物联网是在互联网基础上拓展的网络，其核心和基础仍然是互联网；物联网用户端延伸到需要进行信息交换和通信的任何物体[1]。目前物联网的相关产品已渗透到社会经济民生的各个层面，在工业、农业、电力、建筑、交通、物流、环保、医疗、安保、家居等众多领域得到广泛应用。物联网市场潜力巨大，2020年整体产值超过5万亿元规模[2]，良好的发展前景为众多厂商带来了机遇与挑战。

物物相连的物联网需要大量的IP地址资源，32位的IPv4地址远远无法满足感知智能终端的联网需求，特别是在智能家居、安全监控、汽车通信、智能穿戴等普及之后，通信地址的需求将会成倍增加[3]。本文基于思科公司（Cisco）开发的Packet Tracer7.2软件，通过智能家居中的门控系统仿真设计，实现IPv6在物联网中的实际应用。

2 仿真场景部署与IPv6地址分配

Packet Tracer（简称PT）是思科网络技术学院官方推出的网络设备、物联网设备模拟器，支持路由交换、安全、无线、物联网的大部分实验，能减少对真实网络设备的依赖，极大地扩展网络拓扑结构，提高学习效率。从PT7.0版本开始，增添了物联网设备，包括家居（Home）、智慧城市（Smart City）、工业（Industrial）及电网（Power Grid）四个模块以及面板（Boards）、执行器（Actuators）和传感器（Sensors）三个元件库[4]，每个模块包含若干IoT设备，如本文中需要用到的RFID Card（RFID卡）、RFID Reader（RFID读卡器）、Trip Sensor（触发传感器）、Webcam（摄像头）等。登录方式分User Login（用户登录）和Guest Login（游客登录）两种，用户登录需要注册Cisco Netacad帐户，游客登录则限制了网络拓扑的保存次数[5]。

2.1 仿真场景及拓扑图

IPv6物联网智能感应门控系统由两部分组成，一部分通过RFID卡（Radio Frequency Identification，射频识别）操控，另一部分通过MCU（Micro Control Unit，微控制器）操控。RFID卡包括RFID读卡器（RFID Reader）和RFID标签卡，通过中心交换机与服务器（Server）、笔记本电脑（Laptop）、智能手机（Smartphone）及智能门（Smartdoor）相连。MCU连接切换按钮（Toggle Push Button）、触发传感器（Trip Sensor）、摄像头（Webcam）及智能门（Smartdoor）。智能手机通过无线AP接入中心交换机，设置两者的SSID（Service Set Identifier，服务集标识符）均为“IPv6IoTTest”，认证方式（Authentication）采用安全性能较高的WPA-PSK，加密类型（Encryption Type）使用AES。除服务器本身外，其他连接到中心交换机的设备都将通过服务器动态分配IPv6地址，如图1所示。

图1 IPv6物联网智能感应门控系统仿真拓扑图

2.2 IPv6地址配置

按照RFC2373协议，128位的IPv6地址分为八个16位字段，每个字段必须包含一个十六进制数字，相邻字段之间用冒号分隔，每段中连续的0可省略为“::”，但只能出现一次，IPv6用前缀来表示网络地址空间[6]，如本文服务器的IPv6地址：6001:1::254/64。

DHCPv6(Dynamic Host Configuration Protocol for IPv6，IPv6动态主机配置协议)是一个用来分配IPv6地址、前缀以及DNS等配置的网络协议，所有的协议报文都基于UDP数据报格式，客户端使用546端口号，服务端使用547端口号。通过DHCPv6可以为主机分配特定的地址/前缀、DNS服务器、域名等配置参数，便于网络的自动配置和管理[7]。

服务器通过手动方式配置IPv6地址，其他与服务器相连的设备通过DHCPv6自动获取IPv6地址，如表1所示。

表1 服务器、与服务器相连设备IPv6地址配置表

3 DHCPv6设置和服务器注册

在服务器中设置DHCPv6，域名“IPv6DHCP”，前缀“6001:1::/64”，租约有效生命期（Valid Lifetime）2592000秒，首选生命期（Preferred Lifetime）604800秒，如图2所示。

图2 服务器中DHCPv6设置

手动配置服务器和DNS的IPv6地址均为6001:1::254/64，在服务器中设置映射6001:1::254的域名“www.ipv6.com”。配置完毕后，连接服务器的设备都能自动获取IPv6和DNS地址，以智能手机为例予以说明，如图3所示。

图3 智能手机通过DHCPv6自动获取的IPv6和DNS地址

设备在获取地址后，可以由笔记本电脑或智能手机通过域名、IPv6地址和IoT监视器（IoT Monitor）三种方式在服务器注册，这里以域名注册为例予以说明，设置账号和密码均为“IPv6Test”，如图4所示。

图4 通过域名在服务器注册的结果

4 智能感应门控系统控制模式

智能感应门控系统采用RFID标签卡、触发感应器和切换按钮控制三种模式。RFID标签卡和触发感应器的控制条件在服务器中进行设置，切换按钮的控制条件通过MCU编程实现。

4.1 RFID卡控制模式

设置2张RFID标签卡的ID分别为2001和3001，RFID读卡器获取IPv6地址后，通过账号密码登录服务器，设置控制条件为：①当RFID标签卡的ID=0时，RFID读卡器的状态为“Waiting”；②当RFID标签卡的ID>2000或ID<3000时，RFID读卡器的状态为“Valid”，此时摄像头打开，门开启；③当RFID标签卡的ID<2000或ID>3000时，RFID读卡器的状态为“Invalid”，此时摄像头关闭，门关闭。

4.2 触发感应器控制模式

触发感应器获取IPv6地址后，通过账号密码登录服务器，设置控制条件为：①感应器触发后，摄像头打开，门开启；②否则，摄像头关闭，门关闭。

4.3 切换按钮控制模式

切换按钮通过在MCU中编程对摄像头和门进行调控。与MCU相连的设备接口分为数字接口和模拟接口，分别以D0～Dn和A0～An予以标识，对接口的读操作有 digitalRead()、analogRead()、customRead()三种，写操作有 digitalWrite()、analogWrite()、customWrite()三种，支持Java Scrip和Python两种编程语言。根据PT设定的规则，切换按钮的输出口为D0，状态为“0”时，未按下按钮，状态为“1”时，按下按钮。MCU的输入口为D0～Dn，读取按钮按下状态为“1023”，使用Python语言进行编程。

（1）切换按钮主要程序代码

5 结果验证

5.1 动态IPv6地址的获取情况

经过测试，所有连接服务器的设备均能动态地获得IPv6地址，以REID读卡器为例来说明，自动获取的IPv6地址为6001:1::206:2AFF:FE2B:3E3D，如图5所示。

图5 REID读卡器自动获取的IPv6地址

5.2 设备之间的通信情况

具有IPv6地址的设备之间能相互通信，以智能手机pingRFID读卡器的IPv6地址为例进行说明，如图6所示。

图6 智能手机ping RFID读卡器IPv6地址结果

5.3 IoT设备在服务器的控制条件设置

IoT设备在动态获取IPv6地址后，通过自带的“RemoteServer”选项，以账号密码“IPv6Test”远程注册后，在服务器中可以设置控制条件，如图7所示。

图7 在服务器中设置IoT设备的控制条件

5.4 系统整体运行情况

经测试，无论是连接服务器的IoT设备还是由MCU控制的IoT设备，都能按照设定的控制条件，智能地感应并控制摄像头和门的开启与关闭，如将RFID卡_2001靠近RFID读卡器时，RFID读卡器读取ID为“2001”，摄像头和门立即开启，而当RFID卡_3001靠近RFID读卡器时，RFID读卡器读取ID为“3001”，摄像头和门立刻关闭，如图8所示。同理，当按下切换按钮时，MCU读取到按钮传递过来的数字“1023”，将“1”分别写入到摄像头和门的数字接口，此时摄像头和门开启。系统整体运行稳定，提高了家居生活的安全性和便捷性。

图8 RFID读卡器分别读取RFID卡_2001和RFID卡_3001的结果

6 结语

物联网从概念到技术研究已取得突破性进展，如今促进国内物联网发展的政策、产业环境以及支撑其运行的网络基础正在逐渐完善，在“加强新一代信息基础设施建设”政策推动下，中国加快推动IPv6、NB-IoT、5G等网络建设，物联网应用从闭环、碎片化走向开放、规模化，长城战略咨询（GEI）预测，中国物联网产业未来10年将向3个阶段发展（应用创新、技术创新、服务创新），形成三大细分市场（传感器、RFID、M2M）。智能门控系统是一种出入口门禁安全管理系统，集自动识别功能和智能管理措施为一体。将IPv6与物联网融合在一起，自动识别系统采用RFID标签卡及RFID读卡器，智能控制系统包括切换按钮和触发感应器，通过仿真实现的方法，节约了开发成本，提高了应用效率，同时为物联网的拓展应用提供了一种思路和解决方案。